一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法

本发明涉及炸药安全性评估，特别是涉及一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法。背景技术：1、为解决炸药威力与安全性的矛盾，国内外均致力于开发新型炸药，其中高聚物粘结炸药(pbx，polymerbondedexplosives)，由主体炸药(如黑索金(rdx)、奥克托今(hmx)和三氨基三硝基苯(tatb)等)或其混合物与聚合物粘结剂混合制成，具有良好的安全性和高能特性，是目前炸药配方研究的重要方向。炸药冲击起爆性能及爆轰动力学特性直接影响着武器战斗部的性能指标，研究炸药冲击起爆爆轰成长的过程和机理是了解炸药冲击起爆性能、爆轰性能和安全性能的核心，是弹药爆轰威力与安全设计的基础。炸药内部受冲击形成热点时，其热点形成机制和原理研究极为重要。2、目前，针对炸药安全性设计，宏观唯象反应速率模型是国内最常用的研究方法，但该方法不能较好地描述冲击作用下热点形成的机理。建立具有一定普适性的爆轰反应流模型，准确描述高能钝感混合炸药的冲击起爆爆轰成长全过程，是炸药威力与安全设计的理论基础，是当前国内外爆轰物理研究的热点问题。然而如何建立能准确描述炸药内部细观和微观结构的模型，并根据炸药内部复杂的原子尺度的物理化学变化准确评估炸药安全性，目前尚待解决。技术实现思路1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，基于最小结构单元原子，预测评估准确性较高，可代替现有技术中的安全性评估实验手段，显著降低预测评估成本，推动新型炸药的设计和应用。2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，包括以下步骤：3、s1、获取粘结剂炸药的微观结构图像；4、s2、基于所述微观结构图像，建立最小单元为原子的粘结剂炸药模型；5、s3、向所建立的粘结剂炸药模型施加极端外界环境载荷，并通过分子动力学求解器，得到炸药受载荷作用下的演化结果；6、s4、对所得演算结果进行处理分析，得到分子温度、应力、化学和物理现象，以预测评估炸药起爆热点的形成。7、优选的，在所述步骤s1中，使用原位透射电子显微镜获取粘结剂炸药的微观结构图像，所述粘结剂的微观结构图像包括但不限于含能材料晶体大小、内部裂纹、孔洞、位错及粘结剂的尺寸和分布位置。8、优选的，在所述步骤s2中，建立最小单元为原子的粘结剂炸药模型包括：9、使用含能材料分子和粘结剂分子模型，并结合得到的微观结构图像进行建模，在对应缺陷位置处删除和修改原子，以得到符合真实粘结剂炸药的微观结构图像，进而得到包含微观结构的粘结剂炸药模型。10、优选的，所述包含微观结构的粘结剂炸药模型通过material studio建模软件，并以炸药分子和粘结剂分子为基础进行构建。11、优选的，在所述步骤s3中，向所建立的粘结剂炸药模型施加的冲击载荷为200m/s～2000m/s，并以200m/s为单位增加冲击速度。12、优选的，在所述步骤s3中，通过分子动力学求解器计算所得演化结果，需结合力场文件reaxff，其中，reaxff力场文件的能量函数如下：13、ereax＝ebond+elp+eover+eunder+eval+eopen+ecoa+etors+econj+ehbond+evdw+ecoulomb14、其中，系统总能量ereax包括键离解能项ebond、孤对能量惩罚项elp、过配位原子的能量惩罚项eover、附着的欠协调原子中心之间的正电子共振的能量贡献eunder、键角弯曲能量项eval、重现具有价角共享原子的双键系统的稳定性所需的能量损失项eopen、描述-no2基团稳定性的三体共轭项ecoa、扭转角能量项etors、共轭效应对分子能量的贡献项econj、h键能量项ehbond、范德华相互作用项evdw、库仑相互作用项ecoulomb；15、随后，对上述总能量项中添加长程伦敦色散e1g校正：16、ereax-lg＝ereax+elg17、18、其中，rij为原子i和原子j之间的距离，reij为原子i和j之间的平衡范德华距离，clg,ij为色散能量校正参数。19、优选的，reaxff键级包括σ键π键和ππ键通过下式计算：20、21、其中，ro为平衡距离，和分别是σ键、π键和ππ键的原子间距离，pbo,1、pbo,2、pbo,3、pbo,4、pbo,5和pbo,6均为拟合参数；22、其次，能量项从键级值中导出，键解离项ebond的等式为：23、24、其中，和分别是σ键、π键和ππ键的键参数，pbe1和pbe2均为拟合参数。25、优选的，所述分子动力学求解器的求解步骤包括：26、s31、对分子位置、速度及加速度相关参数进行初始化及边界条件设置；27、s32、根据当前时刻的分子位型与势能函数，计算分子间作用力，得到分子加速度；28、s33、对运动方程进行积分，得到新时刻的分子速度和位置；29、s34、对分子信息进行采样，统计感兴趣的物理量；30、s35、判断物理量是否达到指定时刻，若否，则重复步骤s32～s35，若是，则输出统计结果。31、优选的，在所述步骤s4中，获取的分子温度通过下式计算：32、33、ndof＝ndim natoms-ndim-nfixdofs34、其中，kb是玻尔兹曼常数，取值为1.380649×10-23m2kg/s2k，ekin为体系所有原子的动能之和，ndof为体系整体的自由度。35、优选的，在所述步骤s4中，获取的分子应力由分子动能和维里贡献项相加得到，通过下式计算：36、sab＝-mvavb-wab37、38、其中，维里贡献第一项是两两原子成对能量贡献之和，np为成对原子的数目，r1和r2是两个原子在成对相互作用中的位置，f1和f2是由成对相互作用产生的力；第二项是类似形式的成键贡献，nb为成键数；后面三项均为相似的贡献项，na为键角贡献项，νd为二面角贡献先，ni为反常相互作用项；最后一项表示远程库仑相互作用的kspace贡献。39、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：40、(1)本发明提供了一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，基于最小结构单元原子，评估准确性较高，可代替目前常用的安全性评估实验手段，显著降低评估成本，推动新型炸药的设计和应用。41、(2)本发明采用搭建的基于粘结剂炸药真实微观结构安全性计算方法可评估目前已应用和有应用潜力的绝大多数炸药，极大的推动了新型炸药的应用，将给弹药安全工程人员带来极大便利。技术特征：1.一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s1中，使用原位透射电子显微镜获取粘结剂炸药的微观结构图像，所述粘结剂的微观结构图像包括但不限于含能材料晶体大小、内部裂纹、孔洞、位错及粘结剂的尺寸和分布位置。3.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s2中，建立最小单元为原子的粘结剂炸药模型包括：4.根据权利要求3所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，所述包含微观结构的粘结剂炸药模型通过material studio建模软件，并以炸药分子和粘结剂分子为基础进行构建。5.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s3中，向所建立的粘结剂炸药模型施加的冲击载荷为200m/s～2000m/s，并以200m/s为单位增加冲击速度。6.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s3中，通过分子动力学求解器计算所得演化结果，需结合力场文件reaxff，其中，reaxff力场文件的能量函数如下：7.根据权利要求6所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，reaxff键级包括σ键π键和ππ键通过下式计算：8.根据权利要求6所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，所述分子动力学求解器的求解步骤包括：9.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s4中，获取的分子温度通过下式计算：10.根据权利要求1所述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，其特征在于，在所述步骤s4中，获取的分子应力由分子动能和维里贡献项相加得到，通过下式计算：技术总结本发明提供了一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，属于炸药安全性评估技术领域，包括以下步骤：S1、获取粘结剂炸药的微观结构图像；S2、基于所述微观结构图像，建立最小单元为原子的粘结剂炸药模型；S3、向所建立的粘结剂炸药模型施加极端外界环境载荷，并通过分子动力学求解器，得到炸药受载荷作用下的演化结果；S4、对所得演算结果进行处理分析，得到分子温度、应力、化学和物理现象，以预测评估炸药起爆热点的形成。本发明采用上述的一种炸药起爆热点形成快速预测评估方法，基于最小结构单元原子，预测评估准确性较高，可代替现有技术中的安全性评估实验手段，显著降低预测评估成本，推动新型炸药的设计和应用。技术研发人员：李营,李玮洁,魏纪元受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/15