一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟方法及系统

本发明涉及炸药单晶能量局域化模拟，特别是涉及一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟方法及系统。

背景技术：

1、含能材料的安全特性由它对外部刺激的响应程度或敏感性来表征与界定。从材料失效演化历史来看，这些刺激响应在临近失效的前夕往往首先发轫于材料的局部位点，随着外部刺激能量的连续性载入，经历一定时间的能量汇聚、沉积和释放路径之后，材料局部塑性变形或失效行为由此向着全局发展。含能材料在特定的外界力学载荷作用下，其内部的非均质性容易诱导出现显著的能量局域化现象，可能逐渐形成宏细观局域高温区域(热点)，并伴随化学能的快速释放，从而引发含能材料在更大范围内的点火和起爆。例如高能炸药晶体内部的非均质性往往与晶体缺陷(如点、线、面、体缺陷)或分子堆积方式等因素所导致的微纳结构特性密切相关；在遭受外部刺激作用时，其局部非均匀的微观结构或缺陷周围可能出现明显的局域能量沉积，极易发生局域化的热效应，诱发化学分解反应。

2、由此可见，非均质含能材料的宏观物理化学性能乃至反应动力学过程主要取决于：含能材料的微纳结构或缺陷；它对外界热刺激或力学载荷等的内禀响应机制。这种由能量局域化现象逐渐发展演化成为材料全局响应的典型机制，自洽性地耦合了初始的材料结构因素和强烈的化学反应行为，因而改变了含能材料的宏细观全局响应特性(感度、点火反应机制、反应速率等)，最终也影响了成品炸药件整体的爆轰性能与安全性。所以能量局域化响应机制对含能材料能量释放历程和应用安全性有重要影响。结合含能材料多层次结构特征的溯源分析结果来看，无论是爆轰关注的起爆问题，还是安全性关注的点火反应问题，最终都可以追溯到外界刺激下炸药材料局部的微纳结构演化(分子、晶格)及后续化学反应动力学问题。

3、位错是含能材料中的一种线缺陷，可作为潜在热点成核和发展作用的局部位点，且在撞击或冲击载荷下位错堆积-雪崩效应有利于化学分解反应的快速启动。因此位错结构会经形变诱导材料响应，继而影响含能材料的点火特性和冲击波感度。xue等利用reaxff力场结合多尺度冲击技术，对含位错rdx晶体的化学响应进行分子动力学模拟，考察激活滑移系统所需的初始驱动力，发现刃位错显著增强冲击敏感性，而螺位错略微提升冲击敏感性。deng等利用结合多尺度冲击技术的反应分子动力学模拟来揭示冲击-预热-位错耦合对rdx反应机制的影响，发现提高冲击速度和预热温度以及晶体中出现刃位错都会促进rdx的冲击分解；预热增大rdx分子初始势能，增强其冲击敏感性。

4、孔洞属于体缺陷，而孔洞坍塌则是冲击载荷下含能材料能量局域化的典型机制。基于原子间相互作用势函数和经典牛顿力学原理，分子动力学模拟可为研究含孔洞缺陷含能材料的冲击过程提供一条可靠的科学途径，同时分子动力学模拟能以较低计算成本来揭示分子尺度的热点演化和化学反应等细节信息。shan等利用reaxff反应力场和分子动力学方法对具有20nm直径圆柱形真空孔洞的petn进行粒子速度为1.25km·s-1冲击模拟；他们发现一个非对称热点区域，该区域是由冲击波驱动的初级热点区和次级三角形热点区的汇聚而产生并扩展形成的。此外，他们也报道球形孔洞将导致petn化学反应活性增加。在冲击过程中，上游孔洞表面的高速化学碎片喷射进去孔洞，继而在与下游孔洞表面petn分子碰撞时将撞击动能转化成热能，快速引发分解反应。wood等使用大规模分子动力学模拟研究了rdx中冲击诱导圆柱形孔洞坍塌后的化学反应。在粒子速度为2km·s-1的冲击作用下，发现直径为40nm孔洞的坍塌导致爆燃波，可见孔洞坍塌导致在非平衡条件下rdx系统发生超快速多步化学反应。在孔洞塌陷数皮秒内形成的放热产物分子阻止了纳米级热点猝灭；30ps内，产生由5nm超薄反应区组成的局部爆燃波，传播速度约0.25km·s-1，具有较大的温度和组分梯度。

5、综上所述，能量局域化是炸药在外界刺激下的典型响应，影响着后续化学能量释放过程，目前现有技术中并没有同时研究孔洞坍塌物理过程和冲击化学反应演化规律。

技术实现思路

1、本发明提供一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟方法及系统，能够研究孔洞坍塌物理过程和冲击化学反应演化规律，揭示过驱冲击载荷下非均质rdx的能量局域化演化过程、力-热-化学响应规律。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟方法包括：

4、搭建单质炸药分子结构模型，并对所述单质炸药分子结构模型进行处理，得到不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型；

5、对所述不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型施加短脉冲冲击载荷；

6、设定相应的边界条件，编译化学反应产物可视化程序，分析在短脉冲冲击载荷刺激下的rdx超晶胞模型能量局域化行为特征。

7、可选地，所述搭建单质炸药分子结构模型，并对所述单质炸药分子结构模型进行处理，得到不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型，具体包括：

8、采用剑桥晶体数据库中所收录的试验α-rdx单晶结构作为初始单胞构型；

9、将所述初始单胞构型分别沿a、b、c晶轴拓展19×16×9倍，得到三维尺寸为的超晶胞结构模型；

10、在所述超晶胞结构模型基础之上，完整删除质心在特定尺寸的三维孔洞结构空间范围之内的rdx分子，得到含有目标孔洞缺陷的rdx超晶胞模型。

11、可选地，所述对所述不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型施加短脉冲冲击载荷，具体包括：

12、采用动量镜加载和多尺度冲击方法作为冲击模拟的方法；

13、基于所述动量镜加载和多尺度冲击方法，对所述rdx超晶胞模型，采用共轭梯度算法进行能量最小化，得到各孔洞缺陷rdx模型经几何弛豫后0k条件下的初始稳定结构；

14、根据maxwell-boltzmann统计分布来赋予原子初始速度，依次在nvt系综和npt系综中分别进行5ps的动力学弛豫，得到相应的温度和压力条件下的平衡结构；

15、根据所述平衡结构研究冲击波到达自由表面后产生稀疏波的动态响应过程，完成动力学弛豫过程；

16、沿x轴负方向以4km·s-1的粒子速度将rdx超晶胞模型中所有rdx分子推向模型底部的反射墙，实现沿x轴正方向对含三维孔洞缺陷rdx模型的冲击模拟。

17、可选地，所述设定相应的边界条件，编译化学反应产物可视化程序，分析在短脉冲冲击载荷刺激下的rdx超晶胞模型能量局域化行为特征，具体包括：

18、采用strachan的分子识别理论判别含能材料体系的相关产物信息和键级截断参数；

19、根据所述相关产物信息和所述键级截断参数，采用自编译程序bondfrag方法分析含能材料反应分子动力学模拟中的化学反应和产物碎片，同时结合自编python脚本readfraauto.py对系列产物演化进行快速搜索和整合输出，得到含能材料模拟结果；

20、采用ovito的方法对所述含能材料模拟结果进行可视化操作和渲染。

21、为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

22、一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟系统包括：

23、rdx超晶胞模型确定模块，用于搭建单质炸药分子结构模型，并对所述单质炸药分子结构模型进行处理，得到不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型；

24、短脉冲冲击载荷施加模块，用于对所述不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型施加短脉冲冲击载荷；

25、rdx超晶胞模型能量局域化行为特征分析模块，用于设定相应的边界条件，编译化学反应产物可视化程序，分析在短脉冲冲击载荷刺激下的rdx超晶胞模型能量局域化行为特征。

26、可选地，所述rdx超晶胞模型确定模块，具体包括：

27、初始单胞构型确定单元，用于采用剑桥晶体数据库中所收录的试验α-rdx单晶结构作为初始单胞构型；

28、初始单胞构型拓展单元，用于将所述初始单胞构型分别沿a、b、c晶轴拓展19×16×9倍，得到三维尺寸为的超晶胞结构模型；

29、含有目标孔洞缺陷的rdx超晶胞模型确定单元，用于在所述超晶胞结构模型基础之上，完整删除质心在特定尺寸的三维孔洞结构空间范围之内的rdx分子，得到含有目标孔洞缺陷的rdx超晶胞模型。

30、可选地，所述短脉冲冲击载荷施加模块，具体包括：

31、冲击模拟方法确定单元，用于采用动量镜加载和多尺度冲击方法作为冲击模拟的方法；

32、初始稳定结构确定单元，用于基于所述动量镜加载和多尺度冲击方法，对所述rdx超晶胞模型，采用共轭梯度算法进行能量最小化，得到各孔洞缺陷rdx模型经几何弛豫后0k条件下的初始稳定结构；

33、平衡结构确定单元，用于根据maxwell-boltzmann统计分布来赋予原子初始速度，依次在nvt系综和npt系综中分别进行5ps的动力学弛豫，得到相应的温度和压力条件下的平衡结构；

34、力学弛豫单元，用于根据所述平衡结构研究冲击波到达自由表面后产生稀疏波的动态响应过程，完成动力学弛豫过程；

35、冲击模拟单元，用于沿x轴负方向以4km·s-1的粒子速度将rdx超晶胞模型中所有rdx分子推向模型底部的反射墙，实现沿x轴正方向对含三维孔洞缺陷rdx模型的冲击模拟。

36、可选地，所述rdx超晶胞模型能量局域化行为特征分析模块，具体包括：

37、相关产物信息和键级截断参数获取单元，用于采用strachan的分子识别理论判别含能材料体系的相关产物信息和键级截断参数；

38、含能材料模拟结果确定单元门，用于根据所述相关产物信息和所述键级截断参数，采用自编译程序bondfrag方法分析含能材料反应分子动力学模拟中的化学反应和产物碎片，同时结合自编python脚本readfraauto.py对系列产物演化进行快速搜索和整合输出，得到含能材料模拟结果；

39、可视化操作和渲染单元，用于采用ovito的方法对所述含能材料模拟结果进行可视化操作和渲染。

40、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

41、本发明提供一种冲击载荷下炸药单晶能量局域化模拟方法，该方法包括：搭建单质炸药分子结构模型，并对所述单质炸药分子结构模型进行处理，得到不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型；对所述不同孔洞数量与不同孔洞分布位置的rdx超晶胞模型施加短脉冲冲击载荷；设定相应的边界条件，编译化学反应产物可视化程序，分析在短脉冲冲击载荷刺激下的rdx超晶胞模型能量局域化行为特征。本发明能够研究孔洞坍塌物理过程和冲击化学反应演化规律，揭示过驱冲击载荷下非均质rdx的能量局域化演化过程、力-热-化学响应规律。