1.一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、对含能材料PBX中高能晶体炸药进行分子动力学模拟(Molecular Dynamics,MD),具体为:以中子衍射获得的晶体数据为依据,搭建炸药晶体的超晶胞模型,使用分子动力学模拟软件求解晶体的力学性能,根据压力-体积关系推导出高压条件下晶体的状态方程参数;
步骤2、对PBX中的聚合物粘结剂进行粗粒化分子动力学模拟:采用粗粒化分子动力学方法,建立粗粒化力场求解聚合物的状态方程及力学性能;
步骤3、建立细观尺度复合材料的颗粒数字化模型:首先基于真实的PBX的微细观结构进行数字化处理,微细观结构中的PBX颗粒由步骤1、2中的高能炸药晶体及聚合物组成;其次,聚合物粘结的均质化近似处理;最后,采用随机圆相互不重合的近似方法,在密封的模具生成位置、粒径随机分布的PBX颗粒填充模型;
步骤4、微观到细观尺度的关键参数衔接:将微观尺度MD模拟求解的炸药晶体和聚合物粘结剂的力学模量及状态方程参数作为单组分性质参数输入到代表性体积元模型的模拟计算中,建立不同组分之间的界面参数及多相材料接触算法,考虑颗粒-颗粒、颗粒-聚合物、聚合物-聚合物的相互作用;
步骤5、细观尺度下PBX力学性能的计算:在细观尺度下采用物质点法,以PBX的RVE为计算模型,研究PBX在外界加载条件下的细观力学行为及变形过程,拟合PBX的本构关系及状态方程。
2.根据权利要求1所述的一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤1对PBX中高能晶体炸药进行分子动力学模拟,具体为:以中子衍射获得的晶体数据为依据,搭建炸药晶体的超晶胞模型,使用分子动力学模拟软件求解晶体的力学性能,根据压力-体积关系推导出高压条件下晶体的状态方程参数;
使用LAMMPS软件对晶体的超晶胞模型进行结构驰豫,得到稳定结构,在NPT系综下在恒定的应变率下进行单轴拉伸变形,初始温度为300K,分析晶体在受压过程中的弹性常数及应力-应变关系,弹性模量等其他力学参数可以通过弹性常数计算得到,Hugoniot方程中伪粒子速度(up)和伪冲击速度(us)与压力-体积数据的关系式如下:up和us之间存在一个线性拟合关系式:
us=sup+c (3)
通过关系式(3)可以拟合得到Mie-Grüneisen状态方程(关系式(4))的参数c和s,其中为体积比,γ0为常数,γ0≈2s-1;
3.根据权利要求1或2所述的一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤2对PBX中的聚合物粘结剂进行粗粒化分子动力学模拟:采用粗粒化分子动力学方法,建立粗粒化力场求解氟聚物的状态方程及力学性能;
建立聚合物链的全原子模拟体系,根据粗粒化映射方案,将聚合物的几个单元结构粗粒化为不同类型的“珠子”,在粗粒化力场计算软件Magic中计算珠子之间的径向分布函数,采用玻尔兹曼反演迭代进行径向分布函数的扩展,得到聚合物的粗粒化力场文件;将力场文件编写进模拟输入文件,在LAMMPS软件中进行NPT系综的等温压缩模拟,求得弹性常数及压力-体积关系;
采用Tait和Sun两个状态方程对氟聚物的压力-体积数据进行拟合,两个状态方程的关系式如下:Tait状态方程:
Sun状态方程:
其中对大多数聚合物体系,C,m和n为常数,所以需要拟合的参数为B0。
4.根据权利要求3所述的一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤3建立细观尺度复合材料的颗粒数字化模型:首先基于真实的PBX的微细观结构进行数字化处理,即对PBX颗粒进行边缘轮廓提取后,将PBX的图像分割成多个像素小区域,量化处理后将各个区域的灰度值用整数表示,形成具有不同尺寸颗粒的数字图像;其次,聚合物粘结的均质化近似处理,即在计算中将尺寸极小的晶体颗粒归入聚合物基质中,以一种均匀化的粘弹性基质表示聚合物粘结剂;最后,采用随机圆相互不重合的近似方法,将PBX颗粒近似为圆形粒子,按照颗粒之间不相交、不重合、不相互包含的原则,在密封的模具生成位置、粒径随机分布的PBX颗粒填充模型。
5.根据权利要求4所述的一种求解含能材料PBX细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤4将微观尺度MD模拟求解的炸药晶体和聚合物粘结剂的力学模量及状态方程参数作为单组分性质参数输入到代表性体积元模型的模拟计算中,代表性体积元模型,模型由随机分布的多个PBX颗粒和孔隙组成,PBX颗粒由聚合物包覆式晶体颗粒表示;
模型中还考虑了界面摩擦相互作用,并且建立不同组分之间的界面参数,如聚合物-粘结剂之间的摩擦系数等。
6.根据权利要求4所述的一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤4多相材料接触算法的步骤为:假设两种材料分别为a和b,首先需要计算施加在材料a上的动量变化,公式如下:其中Δpi,a表示材料a的动量改变,pi,a、pi,b分别表示材料a和材料b的动量,mi,a和mi,b分别表示材料a和材料b的质量;网格节点的质心速度是所有网格节点的质量总和,下标i、j分别表示网格节点和材料类型,pi,j、mi,j、vi,j分别对应的是不同材料类型在网格节点上的动量、质量和速度;对材料b而言,其动量改变Δpi,b=-Δpi,a;
材料a和b之间相对滑动速度Δvi与动量的改变有关:
其中mi,red为节点i减小的质量,mi,red=mi,ami,b/(mi,a+mi,b),改变后的动量求解公式如下:其中N是接触面的法向压力,Sstick是阻碍界面摩擦滑动的牵引力, 和 分别是法向和切向的方向矢量,Ac和Δt分别为接触面积和时间变化。在该算法中,材料存在接触界面的条件是为了实现界面的摩擦相互作用,需要计算摩擦滑动的滑动牵引力,即:
Sslide=f(N,Ac,Δv′i,....) (9)
其中f(N,Ac,Δv′i,....)可以是任意的摩擦定律,它可以取决于各种参数,如法向压力,接触面积,相对滑动速度,在物质点法计算中背景网格会根据设置的材料接触定律计算不同材料之间的相互作用。
7.根据权利要求5所述的一种求解含能材料细观力学性能的多尺度连续计算方法,其特征在于,所述步骤5细观尺度下PBX力学性能的计算:在细观尺度下采用物质点法,以PBX的RVE为计算模型,研究PBX在外界加载条件下的细观力学行为及变形过程,拟合PBX的力学性能及状态方程。
物质点法(Material Point Method,MPM)是一种基于粒子的无网格计算方法,在处理本质边界条件和变形接触上更容易,在MPM中,样品由一组离散的“材料点”来表示,每个粒子都被分配了质量、坐标、速度等性质;MPM的基本计算原理如下:假设在时开始时粒子的状态是已知的,使用公式(10)将粒子的质量(m),外力(fext)和速度(v)传递到网格节点:其中下标i表示网格节点,p表示质点;Sip是在质点p处的网格节点的形变函数。随后利用网格节点速度vi计算每个粒子处的速度梯度其中Gip是在质点p处网格节点形变函数的梯度;
网格节点的内力(fiint)计算公式如下:
式中σp和Vp分别是质点的应力和体积。
在模拟的每个时间步中,将所有的质点信息映射到背景网格节点,利用公式(10-15)更新节点的质量、速度、力等信息,然后再将这些计算结果通过映射关系返回给质点。在下一个时间步开始时,重复上述计算过程,直至完成指定的时间或条件,从而完成实际问题的求解;
PBX的力学性能主要计算弹性模量:首先需要计算出PBX的杨氏模量(E)和泊松比(μ)。E为弹性阶段下的应力(σ)-应变(ε)曲线的斜率,即 μ为单轴压缩的横向应变(εxx)与纵向应变(εyy)的比值,即 PBX的剪切模量(G)和体积模量(K)的计算公式如下:PBX的压力-体积关系采用Mie-Grüneisen状态方程进行描述,公式如下: