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

在火箭的固体核心和高能炸药的沉重装药中，蕴含着一种看起来像致密、多岩石蛋糕，行为却像复杂生命组织的材料。这些是聚合物粘结炸药（PBX）和固体推进剂，是国防与航空航天领域的骨干力量。它们并非均匀的金属块或简单的塑料，而是由坚硬的能量晶体或氧化剂颗粒与粘性、橡胶状的粘结剂紧密混合而成的拥挤混合物。这种架构正是其发挥作用的原因，但也是其最大的弱点。当这些材料承受存储压力、运输冲击或点火热量时，坚硬颗粒与柔软粘结剂之间的微小间隙可能会张开。这些微观层面的分离（或称脱粘）会演变成裂纹，从而破坏整个装置的结构完整性。在最严重的情况下，这些裂纹产生的摩擦和热量可能会引发过早爆炸或哑火。由于测试这些材料具有危险性且往往会破坏样本，科学家们依赖计算机模型来预测它们将如何失效。然而，这些材料的内部世界如此混乱且具有多层结构，以至于没有任何单一的计算机程序能够捕捉到全貌；虽然混合策略提供了一种潜在的解决方案，但其在这些材料上的应用仍处于早期阶段。

来自中国的一个研究小组对用于模拟这一断裂过程的各种数字化工具进行了全面的综述。他们并没有发明一台新机器或进行单次实验；相反，他们扮演了制图师的角色，绘制出了科学家用来预测这些高能材料如何破碎的五种不同计算方法的优缺点。研究人员检查了将材料视为连续固体的模型、关注颗粒剥离特定表面的模型，以及将材料分解为单个颗粒的模型。通过比较每种工具如何处理这些拥挤、充满晶体的混合物的特定挑战，该团队确定了哪种方法最适合哪种特定类型的失效，并指出这些条目反映的是基于机制的倾向性，而非通用的排名。他们的工作阐明了并不存在单一的“完美”模型。相反，工具的选择完全取决于科学家想要预测什么：是一个从缺陷处生长出的单一尖锐裂纹，是一个广泛分布的微小分离网络，还是材料破碎成碎片的混沌过程。

研究人员检查的第一种工具是一种技术，它允许计算机在不重新绘制网格的情况下，在元素网格中绘制出一条尖锐的裂缝。这在材料具有已知薄弱点（如小孔或预先存在的划痕）且目标是观察单条裂纹如何从该点传播时非常有用。研究发现，这种方法在预测固体推进剂颗粒或特定炸药试样的优势裂纹路径方面表现良好。然而，当失效不是表现为一条线，而是表现为同时发生的数千个微小断裂形成的散射云团时，该方法就会显得力不从心。如果材料在许多地方同时破碎，这种方法会变得过于缓慢且难以操作。

对于失效发生在硬颗粒与软粘结剂边界之间的情况，研究人员研究了第二种方法，该方法将这些界面视为一种特殊的、可断裂的胶水。这种方法非常擅长模拟颗粒从粘结剂中逐渐剥离的过程，这种过程被称为“脱湿”（dewetting），是固体推进剂失效的常见原因。计算机可以精确追踪拉开颗粒所需的力以及在此过程中损失了多少能量。然而，这种方法有一个局限性：它要求科学家准确知道裂纹将从哪里开始。如果材料以模型中未预先规划的方式失效，或者如果裂纹是在颗粒内部而非仅仅在边缘形成，那么这个工具就无法进行预测。

当失效难以预测，即裂纹呈现出复杂的树状分支模式或在多处同时出现时，研究人员转向了第三种方法，该方法用一个模糊的、扩散的损伤区取代了尖锐的裂纹线。这种方法非常强大，因为它不需要被告知裂纹的走向；计算机根据材料中的应力自动计算出结果。它特别擅长展示单条裂纹如何分裂成两条，或者裂纹网络如何合并在一起。然而，综述指出，这种方法在尝试对三维材料进行建模时，计算成本非常高。此外，它还需要仔细的校准，以确保“模糊”的裂纹区与实际材料中的损伤物理尺寸相匹配。

为了处理最剧烈的场景，即材料破碎成许多碎片并相互碰撞、摩擦，研究人员评估了另外两种更先进的技术。其中一种方法不将材料视为一个固体块，而是将其视为一组在短距离内与其邻居发生相互作用的点集。这使得材料能够自然地破碎，而不需要专门的规则来告诉它在哪里分裂。它在模拟高速冲击下的快速碎裂方面非常有效。另一种技术则更进一步，将材料建模为一系列独立的、可移动、可旋转且可碰撞的个体颗粒。这是最详细的方法，能够展示颗粒在粘结剂失效后如何重新排列。虽然这能提供关于破碎后混沌状态的清晰图像，但它运行速度极慢，且需要巨大的计算能力，因此很难用于大型现实结构。

该综述的核心发现是，方法的选择必须由所提出的具体问题驱动。如果科学家想知道裂纹如何从已知缺陷处生长，那么追踪尖锐裂纹的方法是正确的选择。如果目标是理解颗粒如何从粘结剂中分离，那么专注于界面的方法更为优越。如果预期材料会破碎成碎片云，那么将材料视为粒子集合或非局部网络的方法则是必要的。研究人员强调，仅仅选择最复杂的工具并不保证能得到更好的答案。事实上，使用对于该问题而言过于复杂的工具可能会掩盖真实的物理机制，而使用过于简单的工具则可能忽略关键的失效机制。

综述还强调了当前研究中的一个关键空白：即将材料的机械断裂与随之发生的产热及化学反应联系起来的难度。当这些高能材料产生裂纹时，摩擦和变形会产生热量。如果热量被困在一个微小的区域内，可能会引发爆炸。虽然一些计算机模型可以分别模拟裂联过程和热量产生，但很少有模型能成功地将两者结合起来，以预测何时以及何处会发生点火。研究人员得出结论，要使这些模型成为真正可靠的安全工具，必须通过未使用于构建模型的真实世界数据来进行测试。它们需要能够预测材料在全新情况下的行为，而不仅仅是重复用于调整它们的实验过程。直到这些模型能够准确预测从简单裂纹到危险热点的转变，它们仍然只是强大的模拟工具，而非完美的预测器。

最终，前进的道路在于将这些不同的工具整合为混合系统。研究人员建议，最好的方法可能是对仍然完整的材料部分使用简单、快速的模型，然后在材料发生破碎的具体区域切换到更详细的基于粒子的模型。这将允许科学家在捕捉复杂的断裂细节的同时，不会让计算机负荷过重。通过将正确的数字工具与正确的物理问题相匹配，并通过使用独立的实验对这些工具进行严格测试，科学界可以更接近于全面理解这些在压力下如何表现的至关重要且脆弱的材料。这种理解对于设计更安全、更可靠，且能在服役期间恶劣条件下承受压力而不发生意外失效的火箭和炸药至关重要。