Computational fracture modelling of polymer-bonded explosives and solid propellants: A critical review of local and nonlocal continuum formulations and discrete particle approaches

في قلب النوى الصلبة للصواريخ والشحنات الثقيلة للمتفجرات عالية القدرة، تكمن مادة تبدو ككعكة صخرية كثيفة، لكنها تتصرف كنسيج حي معقد. هذه هي المتفجرات المرتبطة بالبوليمر والمواد الدافعة الصلبة، وهي عصب الدفاع والفضاء. إنها ليست كتلًا معدنية موحدة أو بلاستيكات بسيطة؛ بل هي مزيج مزدحم من البلورات الصلبة ذات الطاقة العالية أو حبيبات المؤكسد التي يمسك بها رابط مطاطي لزج. هذا الهيكل هو ما يجعلها تعمل، ولكنه أيضًا نقطة ضعفها الكبرى. فعندما تتعرض هذه المواد لإجهاد التخزين، أو صدمة النقل، أو حرارة الإطلاق، يمكن للفجوات الصغيرة بين الحبيبات الصلبة والرابط الناعم أن تنفتح. هذه الانفصالات المجهرية، أو "الانفصال عن الرابط" (debonding)، يمكن أن تتحول إلى شقوق تخل بالسلامة الهيكلية للجهاز بأكمله. وفي أسوأ الحالات، يمكن للاحتكاك والحرارة المتولدة عن هذه الشقوق أن تؤدي إلى انفجار مبكر أو فشل في الإطلاق. ولأن اختبار هذه المواد أمر خطير وغالبًا ما يؤدي إلى تدمير العينة، يعتمد العلماء على النماذج الحاسوبية للتنبؤ بكيفية فشلها. ومع ذلك، فإن العالم الداخلي لهذه المواد فوضوي ومتعدد الطبقات لدرجة أنه لم يتمكن أي برنامج حاسوبي واحد من استيعاب القصة بأكملها، وبينما تقدم الاستراتيجيات الهجينة حلاً محتملاً، إلا أن تطبيقها على هذه المواد لا يزال في مرحلة مبكرة.

أجرى فريق من الباحثين من الصين مراجعة شاملة للأدوات الرقمية المختلفة المستخدمة لمحاكاة عملية الكسر هذه. لم يخترعوا آلة جديدة أو يجروا تجربة واحدة؛ بل عملوا كرسامي خرائط، حيث رسموا خريطة لنقاط القوة والضعف لخمسة مناهج حوسبية مختلفة يستخدمها العلماء للتنبؤ بكيفية تكسر هذه المواد النشطة. فحص الباحثون الأساليب التي تعامل المادة كجسم صلب مستمر، والأساليب التي تركز على الأسطح المحددة حيث تنفصل الحبيبات، والأساليب التي تفكك المادة إلى جزيئات فردية. ومن خلال مقارنة كيفية تعامل كل أداة مع التحديات الخاصة لهذه المزيجات المزدحمة والمليئة بالبلورات، حدد الفريق النهج الأنسب لكل نوع محدد من الفشل، مشيرين إلى أن المدخلات تشير إلى توجهات تعتمد على الآلية وليس تصنيفًا عالميًا. لقد أوضح عملهم أنه لا يوجد نموذج "مثالي" واحد، بل يعتمد اختيار الأداة تمامًا على ما يحاول العالم التنبؤ به: سواء كان ذلك شقًا واحدًا حادًا ينمو من عيب ما، أو شبكة واسعة من الانفصالات الصغيرة، أو التفتت الفوضوي للمادة إلى شظايا.

الأداة الأولى التي فحصها الباحثون هي تقنية تسمح للحاسوب برسم شق حاد عبر شبكة من العناصر دون الحاجة إلى إعادة رسم الشبكة في كل مرة يتحرك فيها الشق. وهذا مفيد عندما تحتوي المادة على نقطة ضعف معروفة، مثل ثقب صغير أو خدش موجود مسبقًا، ويكون الهدف هو رؤية كيف سينتقل شق واحد من تلك النقطة. ووجدت المراجعة أن هذه الطريقة تعمل جيدًا للتنبؤ بمسار شق مهيمن في حبة وقود دافع صلب أو عينة متفجرة محددة. ومع ذلك، فإنها تعاني عندما لا يكون الفشل عبارة عن خط واحد، بل سحابة منتشرة من آلاف الكسور الصغيرة التي تحدث في وقت واحد. فإذا كانت المادة تتفكك في أماكن عديدة في آن واحد، تصبح هذه الطزة بطيئة ومرهقة لدرجة تجعلها غير عملية.

بالنسبة للحالات التي يحدث فيها الفشل على طول الحدود بين الحبيبات الصلبة والرابط الناعم، نظر الباحثون في نهج ثانٍ يعامل هذه الواجهات كغراء خاص قابل للكسر. هذه الطريقة ممتازة لمحاكاة الانفصال التدريجي للحبيبات عن الرابط، وهي عملية تُعرف باسم "الانسحاب من الرابط" (dewetting)، والتي تعد سببًا شائعًا للفشل في المواد الدافعة الصلبة. يمكن للحاسوب تتبع مقدار القوة المطلوبة لسحب الحبيبات بعيدًا ومقدار الطاقة المفقودة في العملية. ومع ذلك، فإن لهذه الطريقة قيدًا: فهي تتطلب من العالم معرفة مكان بدء الشقوق بدقة. فإذا فشلت المادة بطريقة لم تكن مخططة مسبقًا في النموذج، أو إذا تكونت الشقوق داخل الحبيبات نفسها بد لا أن تقتصر على الحواف فقط، فإن هذه الأداة لا يمكنها التنبؤ بذلك.

وعندما يكون الفشل غير متوقع، مع تشعب الشقوق في أنماط معقدة تشبه الأشجار أو ظهورها في أماكن متعددة في آن واحد، لجأ الباحثون إلى طريقة ثالثة تستبدل الخط الحاد للشق بمنطقة ضرر ضبابية ومتوسعة. هذا النهج قوي لأنه لا يحتاج إلى إخباره بمكان ذهاب الشق؛ إذ يستنتج الحاسوب ذلك بناءً على الإجهاد في المادة. وهو جيد بشكل خاص في إظهار كيف يمكن لشق واحد أن ينقسم إلى اثنين أو كيف يمكن لشبكة من الشقوق أن تندمج معًا. ومع ذلك، أشارت المراجعة إلى أن هذه الطريقة مكلفة حاسوبيًا، خاصة عند محاولة نمذجة المادة في ثلاثة أبعاد. كما أنها تتطلب معايرة دقيقة لضمان أن "ضبابية" منطقة الشق تتطابق مع الحجم الفعلي للضرر في المادة الحقيقية.

وللتعامل مع السيناريوهات الأكثر عنفًا، حيث تتفتت المادة إلى قطع كثيرة وتتصادم وتتحرك ضد بعضها البعض، قيم الباحثون تقنيتين أكثر تقدمًا. إحداهما لا تعامل المادة ككتلة صلبة، بل كمجموعة من النقاط التي تتفاعل مع جيرانها عبر مسافة قصيرة. هذا يسمح للمادة بالتفكك بشكل طبيعي دون الحاجة إلى قاعدة خاصة تخبرها بمكان الانقسام. وهي فعالة للغاية في محاكاة التفتت السريع المشاهد في الاصطدامات عالية السرعة. أما التقنية الأخرى فتذهب إلى أبعد من ذلك، حيث تصنف المادة كمجموعة من الجسيمات الفردية والمتميزة التي يمكنها التحرك والدوران والتصادم. هذا هو النهج الأكثر تفصيلًا، وهو قادر على إظهار كيفية إعادة ترتيب الحبيبات لنفسها بعد فشل الرابط. وبينما يوفر هذا صورة واضحة جدًا لما يحدث من فوضى بعد الكسر، إلا أنه بطيء للغاية ويتطلب قدرة حوسبية هائلة، مما يجعل استخدامه صعبًا في الهياكل الكبيرة الواقعية.

إن النتيجة المركزية للمراجعة هي أن اختيار الطريقة يجب أن يكون مدفوعًا بالسؤال المطروح. فإذا أراد العالم معرفة كيف سينمو شق من عيب معروف، فإن الطريقة التي تتبع الشقوق الحادة هي الخيار الصحيح. وإذا كان الهدف هو فهم كيفية انفصال الحبيبات عن الرابط، فإن الطريقة التي تركز على الواجهات هي الأفضل. وإذا كان من المتوقع أن تتفتت المادة إلى سحابة من الحطام، فإن الطريقة التي تعامل المادة كمجموعة من الجسيمات أو شبكة غير موضعية هي الضرورية. وأكد الباحثون أن مجرد اختيار الأداة الأكثر تعقيدًا لا يضمن الحصول على إجابة أفضل. في الواقع، استخدام أداة مفصلة للغاية بالنسبة للمشكلة قد يخفي الفيزياء الحقيقية خلف تعقيد غير ضروري، بينما استخدام أداة بسيطة للغاية قد يؤدي إلى إغفال آلية الفشل الحرجة تمامًا.

كما سلطت المراجة الضوء على فجوة حرجة في الأبحاث الحالية: وهي صعوبة ربط التكسر الميكانيكي للمادة بالتفاعلات الحرارية والكيميائية التي تليها. فعندما تتصدع هذه المواد النشطة، فإن الاحتكاك والتشوه يولدان حرارة. وإذا حُبست هذه الحرارة في بقعة صغيرة، فقد تؤدي إلى اشتعال المتفجرات. وبينما يمكن لبعض النماذج الحاسوبية محاكاة التصدع وتوليد الحرارة بشكل منفصل، فإن القليل منها فقط نجح في الجمع بينهما للتنبؤ بدقة بموعد ومكان حدوث الاشتعال. وخلص الباحثون إلى أنه لكي تصبح هذه النماذج أدوات موثوقة حقًا للسلامة، يجب اختبارها مقابل بيانات من العالم الحقيقي لم تُستخدم في بناء هذه النماذج في المقام الأول. يجب أن تكون قادرة على التنبؤ بكيفية سلوك المادة في مواقف جديدة، وليس فقط تكرار ما حدث في التجارب التي استُخدمت لضبطها. وحتى تتمكن هذه النماذج من التنبؤ بدقة بالانتقال من مجرد شق بسيط إلى بقعة ساخنة خطيرة، ستظل مجرد عمليات محاكاة قوية وليست متنبئات مثالية.

في نهاية المطاف، يكمن الطريق إلى الأمام في دمج هذه الأدوات المختلفة في أنظمة هجينة. ويقترح الباحثون أن النهج الأفضل قد يكون باستخدام نموذج بسيط وسريع للأجزاء التي لا تزال سليمة من المادة، ثم الانتقال إلى نموذج أكثر تفصيلًا يعتمد على الجسيمات فقط في المناطق المحددة التي تتفكك فيها المادة. سيسمح هذا للعلماء بالتقاط التفاصيل المعقدة للكسر دون إثقال كاهل الحاسوب. ومن خلال مطابقة الأداة الرقمية المناسبة للمشكلة الفيزيائية المناسبة، ومن خلال اختبار هذه الأدوات بصرامة مقابل التجارب المستقلة، يمكن للمجتمع العلمي أن يقترب من الفهم الكامل لكيفية سلوك هذه المواد الحيوية، والهشة في آن واحد، تحت الضغط. إن هذا الفهم ضروري لتصميم صواريخ ومتفجرات أكثر أمانًا وموثوقية يمكنها تحمل الظروف القاسية لفترة خدمتها دون فشل غير متوقع.