《Computational Particle Mechanics》：Numerical study on the ignition/detonation mechanism of explosives and the associated structural failure under thermo-mechanical stimuli
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为了评估弹药在意外刺激下的敏感性，研究人员开发了一个统一的无网格计算框架，将压力相关的点火与增长（IG）模型和温度相关的阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学模型相结合，以模拟冲击诱导和热驱动点火机制的竞争与共存。该研究在热最优传输无网格（HOTM）框架内实现了热-力-化学本构模型的完全耦合，成功复现了慢速烤燃和子弹冲击下复杂的点火、反应和结构失效过程。这项工作为弹药在储存和运输过程中的安全性评估提供了有力工具。
随着武器技术的飞速发展，炸药的威力和能量密度不断提升，但这也带来了一个棘手的“双刃剑”问题：弹药在意外刺激下变得更加敏感，极易引发灾难性的安全事故。无论是战场上的流弹、碎片撞击，还是储存运输过程中的“慢烤”（cook-off）现象，都可能让本应“静若处子”的爆炸物变成一颗不稳定的“定时炸弹”。为了应对这一挑战，各国和国际组织（如美国的MIL-STD-2105C和北约的STANAG 4439）制定了不敏感弹药（Insensitive Munitions, IM）的评估标准，要求弹药在意外情况下具备低易损性。然而，仅凭实验来评估弹药的安全性，不仅成本高昂，而且风险极大。因此，发展高保真的计算模拟方法，以揭示炸药在复杂热-力载荷下的起爆机理和结构失效全过程，成为了保障弹药安全不可或缺的“数字孪生”技术。
传统上，科学家们对炸药在不同刺激下的响应机理有着深刻的微观理解。在热刺激下，点火主要受分子活化能垒的控制，表现为整体或局部的热分解；而在冲击或撞击下，点火则由微结构不均匀性导致的能量局部化主导，例如颗粒间摩擦、孔隙塌缩和剪切带形成的“热点”是引爆的“种子”。然而，当这些微观认识上升到宏观建模层面时，问题变得复杂。现有的宏观模型往往是“各自为政”的：阿伦尼乌斯（Arrhenius）型动力学模型擅长描述温度驱动的反应，而经验性的点火与增长（Ignition and Growth, IG）模型则依赖于压力项来描述冲击起爆，它们都难以全面捕捉热-力载荷共存、竞争时的复杂点火行为。与此同时，一旦炸药被引爆，系统将进入一个高度非线性的、涉及多相混合、反应性爆轰和流固耦合的暴力演化过程，这对传统的网格化数值方法（如有限元法）构成了严峻挑战，如剧烈的网格畸变和拓扑变化。为了克服这些难题，本文的研究人员开展了一项雄心勃勃的研究，旨在建立一个能够统一描述炸药从热/力刺激点火到最终结构失效全生命周期的计算框架。相关研究成果发表在《Computational Particle Mechanics》期刊上。
研究人员采用的核心技术方法包括：1. 将压力相关的点火与增长（IG）模型与温度相关的阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学模型在宏观层面进行耦合，构建了一个全新的热-力-化学本构模型，以统一描述冲击诱导和热驱动点火机制的竞争与共存。2. 将上述本构模型嵌入到热最优传输无网格（Hot Optimal Transportation Meshfree, HOTM）方法框架中。HOTM是一种增量拉格朗日（Lagrangian）无网格框架，基于最优传输无网格（OTM）方法、耗散材料中一般热力耦合过程的变分公式以及本征侵蚀（Eigen-Erosion）方法，能够稳健地处理大变形、相变、多相混合、材料失效、裂纹萌生与扩展、多体接触、破碎等多种强非线性热-力-多物理场耦合问题。3. 采用本征侵蚀（Eigen-Erosion）算法进行断裂建模，以捕捉炸药反应产物驱动下的金属壳体大变形、相变和结构断裂。
2. HOTM方法概述：本章节详细阐述了热最优传输无网格（HOTM）方法背后的局部热力学模型、控制方程、变分结构以及时空离散化公式。该框架为后续集成炸药的材料模型提供了一个强大、统一的计算基础。其核心在于通过一组内部状态变量描述能量耗散机制，并基于弹-塑性运动学的乘法分解（F = Fe·Fp）和亥姆霍兹（Helmholtz）自由能的分解，来构建能够描述复杂材料行为的本构关系。通过一个变分原理（inf-sup-inf）来求解系统的演化，并利用Wasserstein距离处理惯性项的时间离散化，最终将连续问题转化为一系列的增量优化问题。
3. 综合材料模型：本章节提出了集成的材料模型，包括金属壳体的本构模型和炸药的热-力-化学模型。1. 金属壳体本构：对于金属壳体，采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程来描述其在高应变率、大塑性变形下的力学行为和压力-体积关系。2. 炸药热-力-化学模型：这是本研究的核心创新。模型将点火与增长（IG）模型与阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学相结合。IG模型通过压力相关的项描述冲击引起的反应速率，而Arrhenius模型则通过温度项描述热积累引起的反应速率。通过一个耦合函数，使两者能够同时激活并竞争，从而实现对冲击和热刺激下点火机制的共同描述。模型还详细定义了炸药反应产物的状态方程和反应热的释放。
4. 数值算法：本章节列出了所提公式的数值算法流程。算法在一个时间步内，通过求解一个鞍点（saddle-point）问题来更新系统的位移、温度和内部状态变量。具体步骤包括：根据当前状态预测试弹性变形；计算试应力和热力学力；在材料点局部求解内部变量（如塑性变形、反应度）的更新，满足屈服准则和反应动力学；最后组装全局残差并求解得到全局变量的增量。
5. 数值结果：本章节展示了所提框架在多个问题中的模拟结果，验证了其有效性。1. 炸药爆轰：模拟了高能炸药（如PBX-9502）的冲击起爆过程，再现了从冲击波压缩、热点形成、反应增长到稳定爆轰的完整过程，结果与传统IG模型和实验数据吻合良好。2. 三维弹药冲击载荷模拟：进行了全三维的弹药子弹冲击模拟。模型清晰地再现了子弹撞击壳体、冲击波在炸药中传播并可能诱发点火、以及可能的结构失效（如壳体破裂、炸药泄漏但未爆）的复杂场景。模拟成功区分了导致“燃烧”（燃烧反应但未达到爆轰）和“爆轰”的不同撞击条件，凸显了所提模型在捕捉竞争性点火机制方面的优势。3. 慢速烤燃模拟：模拟了弹药在外部缓慢加热下的响应。模型准确地预测了炸药由于热传导而温度逐渐升高，最终达到热分解临界温度并引发全局点火（燃烧或爆轰）的过程，以及随后反应产物导致壳体破裂的现象。
6. 结论：本文成功开发了一个集成的热-力-化学计算框架，用于评估弹药在意外热-力刺激下的响应。该框架的核心创新在于提出了一个统一的本构模型，将压力依赖的点火与增长（IG）机制和温度依赖的阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学在宏观层面耦合，从而能够同时描述冲击诱导和热驱动的竞争性点火路径。该模型被嵌入到强大的热最优传输无网格（HOTM）方法中，后者能够稳健地处理伴随爆炸和冲击事件的大变形、相变、材料失效和断裂等极端非线性问题。
通过将其应用于慢速烤燃和子弹冲击的模拟，该框架证明了其复现复杂热-力-化学-结构耦合现象的能力。它不仅能够模拟从初始加载、复杂点火/反应增长、爆轰到最终结构退化和失效的完整生命周期，还能够量化不同加载场景下弹药的敏感性和残余易损性。这项工作的重要意义在于，它提供了一种稳健且通用的计算工具，能够作为昂贵且危险的物理实验的重要补充乃至替代方案，为弹药在储存、运输和实战环境中的安全性设计与评估提供了深刻的机理洞察和定量预测能力，对提升弹药的安全性和可靠性具有重要价值。
