含能材料是国家武器装备和空天发动机中的重要组成部分,且广泛应用于现代工业。因此,含能材料的安全性不仅是武器安全的保障、关系到国家安全,还涉及航空航天作业的正常安全运转,涉及危险品的安全生产及存储运输,重大爆炸、火灾事故分析和反恐,关系到人民生命财产的安全。

含能材料的安全性评估涉及到含能材料极端条件下的物性计算,化学反应动力学进程的模拟与简化,产物状态方程的预测,弹药在复杂刺激环境下的响应等级与安全性评估,以及新型含能材料设计。炸药从点火、燃烧到爆轰会经历不同的反应阶段,不同的外界刺激炸药的响应机理完全不同,炸药能否起爆、发生爆轰以及是否熄爆与炸药本身和外界环境都有关系。由于凝聚相炸药的化学反应区厚度极窄,相比于宏观弹体的实际尺寸相差三个数量级;化学反应的时间尺度约为10-7秒,相比爆轰完成的时间相差两个数量级。因此,弹药不同约束条件下的的数值模拟是一个跨多个时间、空间尺度的多物理耦合难题。

要实现含能材料的安全性数值模拟和新型含能材料设计需要克服的关键技术问题包括:范德华相互作用的精确模拟,极端条件下含能材料物性的高精度大规模第一原理快速计算,含能材料分子的基因解码和重组,热-力-化有效耦合,流固耦合,及反应等级的数值评估。国外虽有一些用于解决这些问题的软件(如CHEETA,ALE3D等),但其对中国禁运,因此我们有必要自主研发含能材料的安全评估数值软件体系。近年来,含能材料团队全力发展炸药安全性的核心能力建设,同时还积极筹备在航空航天与国家重大工业需求领域的推广应用,发展固体推进剂性能模拟设计能力和配方设计专家系统,以实现化学反应模块支撑发动机模拟的燃料燃烧部分。

 

目前,我们已建立了含能材料安全性评估数值模拟软件平台SESEM(Safety Evaluation numerical Simulation package for Energetic Materials),包括含两个软件和一个数据库。分别为含能材料高精度原子模拟软件包 HASEM( High Accuracy atomistic Simulation package for Energetic Materials),含能材料动态响应数值模拟软件包 DESEM( Dynamic rEsponse numerical Simulation package for Energetic Materials)及含能材料基因组数据库GDB-EM( Genome DataBase for Energetic Materials)。基于此平台,我团队的主要研究方向包括:

(1) 分子间弱相互作用的精确描述;

(2) 稀疏矩阵特征求解的大规模并行技术;

(3) 研发极端条件下系综的有效控制方案和晶格动力学自洽计算方法;

(4) 挖掘含能材料基因编码策略;

(5) 开发晶体结构预测技术;

(6) 基于简化反应模型和基元反应模型建立爆轰全过程的控制方程;

(7) 建立适用于一般状态方程的黎曼求解器和振荡限制器;

(8) 开发界面捕捉方法;

(9) 建立失效准则库以及常用材料的参数库;

(10)建立基于细观模型的破坏准则等。