一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法和装置，属于含能结构材料技术领域。所述方法基于一维冲击压缩理论建立了考虑化学反应的冲击压缩反应模型。基于单组分材料的静态参数数据库，以相关材料参数为输入，通过改进Gruneisen方程、Carrol

【技术实现步骤摘要】
一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法和装置


[0001]本专利技术涉及一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法和装置，属于含能结构材料


技术介绍

[0002]含能结构材料是多种金属材料按一定的工艺方法制备形成的复合材料。含能结构材料在冲击压缩条件下会发生化学反应，不同冲击条件下反应温度是含能结构材料毁伤性能的重要指标之一。传统的含能结构材料反应温度预测依赖于力
‑
热
‑
化学耦合的多动力学场材料本构模型的有限元计算方法。飞片冲击试验可以探究含能结构材料反应阈值压力，二次撞击试验可以探究含能结构材料释能效率，但是，暂无试验可直接测得含能结构材料反应温度。因此，有限元计算方法所得的反应温度无法验证其合理性。为了佐证有限元仿真结果，并深入理解含能结构材料冲击压缩特性与反应行为，需要发展出一种简单、快速、实用性强的理论预测方法。
[0003]史安顺等报道了多功能含能结构材料冲击压缩特性及其反应行为研究(史安顺.多功能含能结构材料冲击压缩特性及其反应行为研究[D].江苏:南京理工大学，2013.)，所述方法首先结合零温混合物冷能叠加原理、Born
‑
Meyer势由密实材料冲击物态方程，对密实态混合物物态方程进行了计算；其次基于Wu
‑
Jing模型、Carroll
‑
Holt
’
s模型，并结热力学关系，利用等压线法由密实态混合物物态方程计算了疏松态混合物物态方程；最后利用等压线法和等容线法,对冲击温升进行了分析计算。但是，所述方法没有考虑到含能结构材料在冲击压缩下反应产物的比容对波后状态的影响，导致反应温度的预测不准确。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法和装置，所述方法和装置的核心在于考虑到含能结构材料在冲击压缩条件下生成物的比容对波后状态的影响，预测得到包含反应热的反应温度，结果更加真实准确。
[0005]为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案。
[0006]一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：计算冲击压缩反应过程中反应物的比容和生成物的比容；利用热力学“等压线法”，在考虑自由电子项影响下，分别计算得到反应物的冲击温度T和生成物的冲击温度T*；
[0008]步骤二：将反应物的冲击温度T代入阿伦尼乌斯反应速率理论计算得出反应程度y；
[0009]步骤三：基于MCQueen混合法则，将反应物的反应程度y和冲击温度T与生成物的冲击温度T
*
进行融合，得到反应物与生成物混合状态下的冲击温度T0；
[0010]步骤四：将冲击温度T0回代到阿伦尼乌斯反应速率理论中重新计算反应程度Y1，并
根据McQueen混合法则得到对应的反应物与生成物混合状态下的冲击温度T1；利用T1进行步骤四的循环至计算得到的反应程度收敛，得到反应物与生成物混合状态下的最终冲击温度T
real
和冲击波波速U
real
；由最终冲击温度T
real
得到包含反应热的反应温度T
reaction
，即：T
reaction
＝T
real
+Y
n
ΔH/C
p
；
[0011]其中，
△
H为单位质量反应物完全反应所释放出的能量，T
real
为最终冲击温度，Y
n
为收敛时的化学反应程度，C
p
为反应物的定压比热容。
[0012]进一步地，步骤一中，所述反应物和生成物的比容的获取方式为：
[0013](1)当反应物和生成物的孔隙度等于1时，所述反应物和生成物为混合密实态材料；反应物比容(V
s
)和生成物的比容(V
s*
)和冲击波波速(U
s
)通过基于Rankine
‑
Hugoniot能量方程和Gruneisen物态方程建立的混合密实物态方程计算得出；
[0014]所述混合密实物态方程为：
[0015][0016]其中，V0为复合密实材料的初始密实态比容；V
s
为复合密实材料在冲击波后的比容；E
c
为冷能，P
c
为冷压，γ为Gruneisen系数，E0为初始比内能；
[0017]具体地，将由Born
‑
Mayer势得到的冷能(E
c
)和冷压(P
c
)表达式(式2～3)、Dugdale
‑
MacDonald表达式(4)得到的Gruneisen系数(γ)以及初始比内能(E0)表达式(5)带入Gruneisen物态方程中，建立复合密实材料物态方程(式9)；
[0018]以下表达式(2)～(4)中，E
c
和P
c
分别为冷能和冷压，Q和q为材料参数，γ为Gruneisen系数，δ为所述反应物在0K时的压缩度，计算公式为：
[0019]δ＝p
s
/p
0K
＝V
0K
/V
s
；其中，V
s
和p
s
分别为材料在冲击波后的比容和密度；
[0020]表达式(5)中，E0为反应物在常温常压下的比内能，C
p
和C
v
分别是定压比热容与定容比热容，M为摩尔质量，R
g
为气体常数，取8.31J/mol/K；T0为室温，取300K；ΘD为德拜特征温度；
[0021][0022][0023][0024][0025](2)当反应物和生成物的孔隙度大于1时，所述反应物和生成物为混合疏松态材料；反应物比容(V
p
)和生成物比容(V
p*
)和冲击波波速(U
p
)通过在步骤(1)所述混合密实物态方程基础上，利用Wu
‑
Jing模型和P
‑
α模型进一步建立的混合疏松物态方程(式11)计算得出；
[0026][0027]其中，V0、V
s
、V
c
、E0和E
c
为复合密实材料的初始比容、冲击波后比容、零温比容、初始比内能和冷能；
[0028]V
00
、V
p
、V
c
’
、E
00
、、E
c
’
为复合疏松材料的初始比容、冲击波后比容、零温比容、初始比内能和冷能；
[0029]具体地，根据(2)式可以计算得到E
c
，忽略孔隙表面能量，E
c
’
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：计算冲击压缩反应过程中反应物的比容和生成物的比容；利用热力学“等压线法”，在考虑自由电子项影响下，分别计算得到反应物的冲击温度T和生成物的冲击温度T*；步骤二：将反应物的冲击温度T代入阿伦尼乌斯反应速率理论计算得出反应程度y；步骤三：基于MCQueen混合法则，将反应物的反应程度y和冲击温度T与生成物的冲击温度T
*
进行融合，得到反应物与生成物混合状态下的冲击温度T0；步骤四：将冲击温度T0回代到阿伦尼乌斯反应速率理论中重新计算反应程度Y1，并根据McQueen混合法则得到对应的反应物与生成物混合状态下的冲击温度T1；利用T1进行步骤四的循环至计算得到的反应程度收敛，得到反应物与生成物混合状态下的最终冲击温度T
real
和冲击波波速U
real
；由最终冲击温度T
real
得到包含反应热的反应温度T
reaction
，即：T
reaction
＝T
real
+Y
n
ΔH/C
p
；其中，
△
H为单位质量反应物完全反应所释放出的能量，T
real
为最终冲击温度，Y
n
为收敛时的化学反应程度，C
p
为反应物的定压比热容。2.根据权利要求1所述一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法，其特征在于：所述反应物和生成物的比容的获取方式为：(1)当反应物和生成物的孔隙度等于1时，所述反应物和生成物为混合密实态材料；反应物和生成物的比容和冲击波波速通过基于Rankine
‑
Hugoniot能量方程和Gruneisen物态方程建立的混合密实物态方程计算得出；所述混合密实物态方程为：其中，V0为复合密实材料的初始密实态比容；V
s
为复合密实材料在冲击波后的比容；E
c
为冷能，P
c
为冷压，γ为Gruneisen系数，E0为初始比内能；(2)当反应物和生成物的孔隙度大于1时，所述反应物和生成物为混合疏松态材料；反应物和生成物的比容和冲击波波速通过在步骤(1)所述混合密实物态方程基础上，利用Wu
‑
Jing模型和P
‑
α模型进一步建立的混合疏松物态方程计算得出；所述混合疏松物态方程为：其中，V0、V
s
、V
c
、E0和E
c
为复合密实材料的初始比容、冲击波后比容、零温比容、初始比内能和冷能。3.根据权利要求2所述的一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法，其特征在于：所述步骤一中，反应物和生成物的冲击温度的获取方式为：(1)在考虑自由电子项影响下，根据热力学关系式中“等压线法”得到计算冲击温度的微分方程：
其中，V
p
’
为考虑自由电子项影响的复合疏松材料比容，R
s
为Wu
‑
Jing参数，V
00
为复合疏松材料的初始比容；(2)用欧拉法对步骤(1)所述微分方程进行离散化处理，并分别代入计算得到的冲击压缩反应过程中反应物的比容和生成物的比容，得到反应物的冲击温度T和生成物的冲击温度T*。4.根据权利要求2所述一种含能结构材料冲击压缩反应温度的预测方法，其特征在于：根据质量平均法则，计算反应物的组合静态参数和生成物的组合静态参数；再将反应物的组合静态参数和生成物的组合静态参数分别代入复合密实材料物态方程或复合疏松材料物态方程中，得到反应物的比容和生成物的比容；所述静态参数包括摩尔质量M、定压比热容C
p
、德拜特征温度Θ
D
、初始零温比容V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿，陈鹏万，王坤宇，郭岩松，胡启文，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：