[发明专利]一种指定晶体含量的PBX材料细观结构建模方法

说明书

一种指定晶体含量的PBX材料细观结构建模方法，包括如下步骤：步骤1：确定PBX细观结构的二维模型边界范围，在此范围内，随机生成N个离散点，自动构建三角网，形成传统的Voronoi模型，获取每个晶粒的顶点；步骤2：定义偏移函数，给定粘结剂的初始宽度，调整晶粒顶点，将其向中心点偏移，获取偏移顶点后的细观结构模型；步骤3：计算晶体含量，及其与目标晶体含量的偏差；步骤4：获取指定晶体含量PBX材料晶粒及其顶点坐标，确定最终的数值，在有限元软件中建立指定晶体含量的PBX炸药细观结构模型。该方法可以快速生成指定晶体含量的PBX材料的模型，描述PBX材料晶粒间的粘结剂成分，同时可以构建与真实PBX形貌相一致的细观结构，为后续进行PBX细观结构分析提供模型输入。

(一)技术领域：

本发明涉及一种指定晶体含量的PBX材料细观结构建模方法，属于复合材料细观结构建模技术领域。

(二)背景技术：

高分子粘结炸药(PBX)，又称塑性粘结炸药，是一种将爆炸性粉末用合成高分子聚合物粘结在一起的爆炸性复合材料。由于其具有良好的爆轰性能，广泛用于军事和民用工业中。 PBX中含有大量随机分布的晶粒，增强了基体的物理力学性能,晶粒的性质、粒径、形状、分级、体积分数等决定材料整体的力学性能，而晶粒之间的粘结剂，在一定程度上影响着材料整体的力学性能。

PBX在细观尺度上是一种典型的随机异质材料，该材料细观结构的特点既涵盖细观尺度结构的复杂性与随机性，又需要考虑如何将其应用到连续介质计算中。 PBX是由含能颗粒夹杂于聚合物粘结剂中，聚合物粘结剂由塑化剂、固化催化剂、反应物、铝粉等组成。粘结剂使得PBX相对于传统炸药爆炸反应更加迅速。而且 PBX颗粒是典型的不规则多面体，它的微观结构会直接影响断裂行为，建立与真实结构相一致的PBX模型，对研究其力学行为十分重要。

目前，PBX的细观几何模型主要为：二维的圆形颗粒与六边形颗粒分布、三维的圆形颗粒分布，这些模型并不能反映PBX颗粒特征。传统的Voronoi建模方法虽然考虑了多晶材料的颗粒分布，但无法描述粘结剂的占比，且难以给出指定晶体含量的PBX细观结构模型。

从SEM扫描的PBX细观结构图中能够看到PBX呈多层状，不规则分布于聚合物中，本发明提出了基于传统Voronoi模型的晶界平移算法，针对目标晶体含量，构建了满足特定偏差要求的PBX材料细观建模流程，形成了一种指定晶体含量的 PBX材料细观结构建模方法，构建了与真实PBX相一致的细观结构，为后续进行 PBX细观结构分析提供模型输入。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的在于：提出一种指定晶体含量的PBX材料细观结构建模方法，不仅可以生成指定晶体含量的PBX材料的模型，同时也可以构建与真实PBX形貌相一致的细观结构。

2、技术方案：基于传统Voronoi模型，建立PBX材料的晶界平移算法，通过调整粘结剂的尺寸l_c，生成指定晶体含量的PBX材料细观结构，该方法可以描述PBX材料晶粒间的粘结剂成分，为后续进行PBX细观结构分析提供模型输入。它包括如下步骤：

步骤1：确定PBX细观结构的二维模型边界范围，设PBX材料细观结构在x轴、y轴的范围，x∈[X₀,X₁]，y∈[Y₀,Y₁]，其中X₀为该结构的左边界，X₁为该结构的右边界，Y₀为该结构的下边界，Y₁为该结构上边界。在此范围内，随机生成N个离散点，其中N为PBX材料中的晶粒数量。由这些离散点自动构建三角网，计算每个三角形的外接圆圆心，寻找与三角形三边共边的相邻三角形，若存在，则把该三角形的外心与相邻三角形的外心连接，否则取最外边的中垂线射线作为晶粒边界，形成传统的Voronoi模型并提取每个晶粒的顶点。

步骤2：定义偏移函数，设晶粒某一顶点为A，相邻两个顶点分别为B和C；

①向量表示：