案例 | 利用Digimat快速评估聚合物炸药的材料性能

综述

      高聚物粘结炸药PBX是现代火箭推进剂及爆破物的主要成分。它是以TATB为主体，加入粘结剂粉末压制成形的复合材料，由于具有优异的力学性能和安全性能而得到广泛应用。通过Digimat-FE可以快速评估组成成分对炸药性能的影响。

主要亮点

应用产品：Digimat-FE
行业：军工领域
具体应用：快速评估材料性能

挑战

      TATB基PBX内部包含着大量不规则、跨尺度的孔隙，研究孔隙对TATB基PBX力学性能的影响规律，对认识炸药的承载能力和结构失效机制均具有重要意义。由于孔隙结构形态复杂且无序分布，再加上目前实验手段的限制，难以从实验上建立孔隙与PBX宏观力学性能的定量关系。以材料微观结构为基础的热力学数值预测模型，用代表体积元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解决这个问题。采用Digimat-FE模块中的RVE建模方法，建立了填充相、基体相和气孔相三相有限元计算模型。

Digimat-FE 示意图

具体操作流程

      首先对材料特性进行设定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作为夹杂项的设定，和气泡作为夹杂相的设定。在Digimat-FE中可以直接在geometry当中生成几何模型PBX代表体单元模型，其中TATB体积分数设定为70%，孔隙度设定为5%，红色为TATB，灰色为空穴，基材为粘结剂，可以从生成的下表中看出实际生成的TATB体积分数为0.692509，空穴的体积分数为0.0500096，与设定误差非常小。

材料组成及RVE微结构设置生成

RVE单元各相体积分数比

      然后利用内置前处理划分网格。20秒钟后，系统自动几何网格，并划分合适的网格。

      接下来需要划分设定载荷，FE当中支持内部设定载荷，可以设定轴向，双轴，剪切等载荷类型。这里我们设置沿x轴拉伸。加载类型为应变加载，峰值为0.3。

      然后就可以得到分析的结果，例如应力分布，位移分布云图等必要信息：

      如果需要计算它的工程常数，亦无需通过结果进行手算推导，在Digimat-FE下我们可以在载荷加载时做如下设定，选择automatic properties evaluation，这里我们还可以快速计算计算E1，nu12，nu23，然后提交计算，我们可以获得以下工程常数。