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

In den festen Kernen von Raketen und den schweren Ladungen von Hochsprengstoffen verbirgt sich ein Material, das wie ein dichter, felsiger Kuchen aussieht, sich aber wie ein komplexes, lebendiges Gewebe verhält. Dies sind polymergebundene Sprengstoffe und feste Treibstoffe, die Arbeitspferde der Verteidigungs- und Luftfahrttechnik. Sie sind keine einheitlichen Metallblöcke oder einfachen Kunststoffen; sie sind überfüllte Mischungen aus harten, energetischen Kristallen oder Oxidationskörnern, die durch einen klebrigen, gummiartigen Binder zusammengehalten werden. Diese Architektur ist es, die sie funktionsfähig macht, aber sie ist auch ihre größte Schwäche. Wenn diese Materialien der Belastung durch Lagerung, dem Schock des Transports oder der Hitze der Verbrennung ausgesetzt sind, können sich die winzigen Lücken zwischen den harten Körnern und dem weichen Binder öffnen. Diese mikroskopischen Trennungen, oder das Ablösen (Debonding), können zu Rissen heranwachsen, welche die strukturelle Integrität des gesamten Bauteils gefährden. In den schlimmsten Fällen können die durch diese Risse erzeugte Reibung und Hitze eine vorzeitige Explosion oder eine Fehlzündung auslösen. Da das Testen dieser Materialien gefährlich ist und oft die Probe zerstört, verlassen sich Wissenschaftler auf Computermodelle, um vorherzusagen, wie sie versagen werden. Die interne Welt dieser Materialien ist jedoch so chaotisch und vielschichtig, dass kein einzelnes Computerprogramm in der Lage war, die ganze Geschichte zu erfassen, und obwohl Hybridstrategien eine potenzielle Lösung bieten, befindet sich ihre Anwendung auf diese Materialien noch in einem frühen Stadium.

Ein Team von Forschern aus China hat eine umfassende Übersicht über die verschiedenen digitalen Werkzeuge durchgeführt, die diesen Bruchprozess simulieren. Sie haben keine neue Maschine erfunden oder ein einziges Experiment durchgeführt; stattdin agierten sie als Kartografen, die die Stärken und Schwächen von fünf verschiedenen computergestützten Ansätzen kartografieren, die Wissenschaftler nutzen, um vorherzusagen, wie diese energetischen Materialien brechen. Die Forscher untersuchten Methoden, die das Material als kontinuierlichen Festkörper behandeln, Methoden, die sich auf die spezifischen Oberflächen konzentrieren, an denen sich die Körner voneinander lösen, und Methoden, die das Material in einzelne Partikel zerlegen. Durch den Vergleich, wie jedes Werkzeug mit den spezifischen Herausforderungen dieser überfüllten, kristallreichen Mischungen umgeht, identifizierte das Team, welcher Ansatz am besten für welchen spezifischen Typ des Versagens geeignet ist, wobei die Einträge eher auf mechanismusabhängige Tendenzen als auf eine universelle Rangfolge hinweisen. Ihre Arbeit verdeutlicht, dass es kein einzelnes „perfektes“ Modell gibt. Stattdessen hängt die Wahl des Werkzeugs ganz davon ab, was der Wissenschaftler vorherzusagen versucht: ob es sich um einen einzelnen, scharfen Riss handelt, der von einem Defekt ausgeht, ein weitverzweigtes Netzwerk winziger Trennungen oder das chaotische Zerbrechen des Materials in Fragmente.

Das erste Werkzeug, das die Forscher untersuchten, ist eine Technik, die es einem Computer ermöglicht, einen scharfen Riss durch ein Gitter von Elementen zu zeichnen, ohne das Gitter jedes Mal neu zeichnen zu müssen, wenn sich der Riss bewegt. Dies ist nützlich, wenn ein Material eine bekannte Schwachstelle hat, wie etwa ein kleines Loch oder einen bereits vorhandenen Kratzer, und das Ziel darin besteht, zu sehen, wie ein einzelner Riss von diesem Punkt aus wandert. Die Untersuchung ergab, dass diese Methode gut geeignet ist, um den Pfad eines dominanten Risses in einem festen Treibstoffkorn oder einem spezifischen Sprengstoffexemplar vorherzusagen. Sie stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn das Versagen nicht eine einzelne Linie ist, sondern eine verstreute Wolke aus tausenden winziger Brüche, die gleichzeitig auftreten. Wenn das Material an vielen Stellen gleichzeitig auseinanderbricht, wird diese Methode zu langsam und umständlich, um praktisch anwendbar zu sein.

Für Situationen, in denen das Versagen entlang der Grenzflächen zwischen den harten Körnern und dem weichen Binder stattfindet, untersuchten die Forscher einen zweiten Ansatz, der diese Grenzflächen wie einen speziellen, brechbaren Klebstoff behandelt. Diese Methode eignet sich hervorragend zur Simulation des allmählichen Ablösens der Körner vom Binder, eines Prozesses, der als Entnetzung (Dewetting) bekannt ist und eine häufige Ursache für das Versagen fester Treibstoffe darstellt. Der Computer kann genau verfolgen, wie viel Kraft benötigt wird, um die Körner auseinanderzuziehen, und wie viel Energie dabei verloren geht. Dennoch hat diese Methode eine Einschränkung: Sie erfordert, dass der Wissenschaftler genau weiß, wo die Risse beginnen werden. Wenn das Material auf eine Weise versagt, die im Modell nicht vorab geplant war, oder wenn die Risse innerhalb der Körner selbst entstehen statt nur an den Kanten, kann dieses Werkzeug dies nicht vorhersagen.

Wenn das Versagen unvorhersehbar ist, mit Rissen, die sich in komplexen, baumartigen Mustern verzweigen oder an vielen Stellen gleichzeitig auftreten, wandten sich die Forscher einer dritten Methode zu, die die scharfe Linie eines Risses durch eine diffuse, sich ausbreitende Schadenszone ersetzt. Dieser Ansatz ist leistungsstark, weil er nicht vorgegeben bekommt, wohin der Riss gehen soll; der Computer ermittelt dies basierend auf der Spannung im Material. Er ist besonders gut darin zu zeigen, wie ein einzelner Riss sich in zwei aufspalten kann oder wie sich ein Netzwerk von Rissen vereinigen kann. Die Untersuchung merkte jedoch an, dass diese Methode rechenintensiv ist, insbesondere wenn man versucht, das Material in drei Dimensionen zu modellieren. Zudem erfordert sie eine sorgfältige Kalibrierung, um sicherzustellen, dass die „Diffusität“ der Schadenszone der tatsächlichen physikalischen Größe des Schadens im realen Material entspricht.

Um die gewaltsamsten Szenarien zu handhaben, bei denen das Material in viele Teile zersplittert und diese Teile gegeneinander prallen und reiben, bewerteten die Forscher zwei weitere fortgeschrittene Techniken. Eine davon behandelt das Material nicht als festen Block, sondern als eine Sammlung von Punkten, die mit ihren Nachbarn über eine kurze Distanz interagieren. Dies ermöglicht es dem Material, sich natürlich aufzubrechen, ohne dass eine spezielle Regel angewendet werden muss, die angibt, wo es zu spalten ist. Dies ist äußerst effektiv bei der Simulation der schnellen Fragmentierung, wie sie bei Hochgeschwindigkeitsaufprallen auftritt. Die andere Technik geht noch weiter und modellert das Material als eine Sammlung einzelner, distinkter Partikel, die sich bewegen, rotieren und kollidieren können. Dies ist der detaillierteste Ansatz, der in der Lage ist, zu zeigen, wie sich die Körner nach dem Versagen des Binders neu anordnen. Während dies ein sehr klares Bild des chaotischen Nachspiels eines Bruchs liefert, ist es unglaublich langsam und erfordert enorme Rechenleistung, was die Anwendung auf große, reale Strukturen schwierig macht.

Der zentrale Befund der Übersicht ist, dass die Wahl der Methode von der spezifischen Fragestellung getrieben sein muss. Wenn ein Wissenschaftler wissen möchte, wie ein Riss von einem bekannten Defekt ausgeht, ist eine Methode, die scharfe Risse verfolgt, die richtige Wahl. Wenn das Ziel darin besteht, zu verstehen, wie sich die Körner vom Binder trennen, ist eine Methode, die sich auf Grenzflächen konzentriert, überlegen. Wenn das Material erwartet wird, in eine Wolke aus Trümmern zu zersplittern, ist eine Methode notwendig, die das Material als eine Sammlung von Partikeln oder ein nicht-lokales Netzwerk behandelt. Die Forscher betonten, dass die bloße Wahl des komplexesten Werkzeugs keine bessere Antwort garantiert. Tatsächlich kann die Verwendung eines Werkzeugs, das für das Problem zu detailliert ist, die wahre Physik hinter unnötiger Komplexität verbergen, während die Verwendung eines zu einfachen Werkzeugs dazu führen kann, dass der kritische Versagensmechanismus gänzlich übersehen wird.

Die Übersicht hob auch eine kritische Lücke in der aktuellen Forschung hervor: die Schwierigkeit, das mechanische Brechen des Materials mit der darauf folgenden Hitze und den chemischen Reaktionen zu verknüpfen. Wenn diese energetischen Materialien reißen, erzeugen die Reibung und Verformung Hitze. Wenn diese Hitze in einem kleinen Bereich gefangen bleibt, kann sie den Sprengstoff entzünden. Während einige der Computermodelle in der Lage sind, das Reißen und die Wärmeerzeugung getrennt zu simulieren, haben nur sehr wenige erfolgreich beide kombiniert, um genau vorherzusagen, wann und wo eine Zündung erfolgt. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass diese Modelle, um wirklich zuverlässige Werkzeuge für die Sicherheit zu werden, gegen reale Daten getestet werden müssen, die nicht zuvor zum Aufbau der Modelle verwendet wurden. Sie müssen in der Lage sein, vorherzusagen, wie sich das Material in neuen Situationen verhält, anstatt nur das zu wiederholen, was in den Experimenten geschah, mit denen sie abgestimmt wurden. Bis diese Modelle in der Lage sind, den Übergang von einem einfachen Riss zu einem gefährlichen Hotspot präzise vorherzusagen, bleiben sie mächtige Simulationen statt perfekter Prädiktoren.

Letztendlich liegt der Weg nach vorne in der Kombination dieser verschiedenen Werkzeuge zu Hybridsystemen. Die Forscher schlagen vor, dass der beste Ansatz darin bestehen könnte, ein einfaches, schnelles Modell für die Teile des Materials zu verwenden, die noch intakt sind, und dann zu einem detaillierteren, partikelbasierten Modell zu wechseln, sobald das Material in spezifischen Bereichen bricht. Dies würde es Wissenschaftlern ermöglichen, die komplexen Details des Bruchs zu erfassen, ohne den Computer zu überlasten. Indem man das richtige digitale Werkzeug dem richtigen physikalischen Problem zuordnet und diese Werkzeuge streng gegen unabhängige Experimente testet, kann die wissenschaftliche Gemeinschaft näher zu einem vollständigen Verständnis dessen gelangen, wie sich diese lebenswichtigen, aber fragilen Materialien unter Belastung verhalten. Dieses Verständnis ist entscheidend für das Design sichererer, zuverlässigerer Raketen und Sprengstoffe, die den harten Bedingungen ihres Einsatzlebens standhalten können, ohne unerwartet zu versagen.