[发明专利]含能材料冲击起爆的计算机模拟方法

说明书

本发明请求保护一种含能材料在冲击波引导条件下起爆的高效且相对高精度的量子分子动力学模型。该模型是一种直接动力学模拟方法，即不预先构建势能面，体系的能量和作用于原子核的力采取随用随算模式。原子之间的作用力以及电子结构信息的计算采用电荷自洽的基于紧束缚近似的密度泛函方法(DFTB)，对于冲击波的描述选择多尺度近似方法。模拟结果将输出原子的运动规矩，及物理状态信息，比如温度、体积、压力等。该方法将为现有含能材料的改进，新型含能材料的筛选、设计、优化等提供先期的理论预测和科学依据。

技术领域

本发明属于材料学，计算机科学领域，具体涉及一种含能材料在冲击条件下起爆的计算机模拟算法。

背景技术

随着安全问题在当代含能材料技术中发挥越来越重要的作用，对暴露于极端环境中的固体猛炸药的相对安全性的关注日益增加，冲击波引爆炸药现象的研究是其中一个重要方面。

冲击波通过受体炸药时，炸药承受压缩和绝热加热，引起化学反应，炸药分子分解，释放化学能，同时使得波由降速变为加速，形成高速爆轰波。整个冲击起爆过程发生在皮秒至纳秒时间尺度内，对实验研究提出了非常高的要求，测量系统必须具有极强的快速响应能力和很高分辨率。随着实验技术的发展，科学家虽然可以直接研究爆轰过程中含能材料的化学性质^[1]，但是，这样的实验非常昂贵，且很难真正达到时间尺度范围之内^[2]。理论上常用经典分子动力学(Classical Molecular Dynamics,CMD)模拟方法研究含能材料的性质，包括平衡状态下的热力学、结构和力学性质等^[3]。CMD模拟通过求解经典运动方程得到每一时刻材料中原子的位置和速度，从而使得我们能够在原子水平上直接观察含能材料的许多超快动态性质。由于CMD模拟计算需要预先知道体系中粒子间相互作用的势函数，为研究含能材料的化学性质，国际上已经发展出不同的分子力场来描述有机分子在高温高压时的化学反应性能，影响较大的有反应性经验键级(Reactive Empirical Bond Order,REBO)势函数^[4]和反应性分子力场(Reactive Force Fields,ReaxFF)^[5]。国内外多个研究团队应用这些力场函数研究了RDX、PETN等材料在冲击波作用下的化学反应及爆轰波中能量转换和传递机制^[6-9]。这些研究结果对了解含能材料的化学性质有着重要的作用。