(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211087054.7 (22)申请日 2022.09.07 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正 街174号 (72)发明人 周银　温彤　游国强　张龙柱　 郑宇　杨帆　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 王埜雪 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数 值模拟方法 (57)摘要 本发明提供了一种考虑非均匀材料特性的 PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 目的在于建立 完整的PBX炸药巴西劈裂非均质模型， 以准确再 现劈裂过程中的裂纹扩展 过程及最终形貌， 为实 际开裂机理分析提供切实可行的理论指导； 所述 非均质方法通过有限元软件ABAQUS并结合自编 Python脚本建模实现： 首先建立不规则形态炸 药 颗粒的二维巴西劈裂完整基体模 型， 然后将每一 个炸药颗粒逐项赋予一定范围内的随机线弹性 材料参数， 将炸药颗粒之间的零厚度界面赋予 Cohesive双线性本构参数， 最后设置边界条件、 网格划分和分析步， 完成PBX巴西劈裂非均质整 体模型的建立； 本发明的有益效果是： 模型在现 有技术基础之上， 进一步考虑了炸药颗粒的材料 属性差异， 充分反映了PBX的材料 非均质性， 可以 再现PBX巴西劈 裂的完整断裂过程及最终形貌 。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 115376633 A 2022.11.22 CN 115376633 A 1.一种考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 其特征在于， 所述方法 实现步骤如下： 步骤1)： 在ABAQUS中的CAE界面建立 二维圆形模型， 所述模型表示巴西劈裂圆基 体； 步骤2)： 利用Python脚本在ABAQUS中构建随机泰森多边形， 多边形数量为正整数N， 通 过多边形的边 来切割圆形基 体； 步骤3)： 利用Python脚本在ABAQUS中将步骤2)中的N个多边形设立为N个集合Set1、 Set2、…SetN， 所述N个集合描述为实际具有不规则形状的 “炸药颗粒 ”， 所有多边形的边设立 为集合SetC,所述集合SetC描述为“炸药颗粒 ”之间的“粘接剂”； 步骤4)： 将所述N个 “炸药颗粒 ”逐项赋予N个线弹性材料属性Material1、 Material2、… MaterialN； 将所述“粘接剂”赋予Cohesive 材料属性； 步骤5)： 设置边界条件、 分析步， 进行网格划分， 完成PB X巴西劈裂非均质整体模型的构 建。 2.根据权利要求1所述的考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 其特 征在于， 所述 步骤1)中， 二维巴西劈裂圆形基 体模型设定为平面应力模式。 3.根据权利要求1所述的考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 其特 征在于， 所述步骤2)中， 泰森多边形的平均粒径依据实际炸药颗粒的平均粒径尺度构建， 具 体构建方式是： 结合圆形基 体的总面积， 通过Pytho n脚本来调节多边形 数量N。 4.根据权利要求1所述的考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 其特 征在于， 所述步骤4)中， 所述N个线弹性材料属性中的弹性模量E1、 E2、…EN满足正态分布 概率 密度函数 所述Cohesive 材料属性采用双线性本构模型。 5.根据权利要求1所述的考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方法， 其特 征在于， 所述步骤5)中， 边界条件以0.05mm/ s的速度压制； 分析步目标时间增量进行缩放至 6x10‑8， 平均网格尺寸 为所述多边形平均粒径的十分之一， 网格 类型为四边形。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115376633 A 2考虑非均匀材料 特性的PBX巴西劈裂实验数值模拟方 法 技术领域 [0001]本发明属于炸药产品生产领域， 具体涉及一种考虑非均匀材料特性的PBX巴西劈 裂实验数值模拟方法。 背景技术 [0002]单向拉伸实验是最常用的材料力学性能测量方法， 但对于混凝土、 岩石等脆性材 料， 很难按照单向拉伸实验的要求进 行制样， 而且由于材料断裂应变很小， 也很难准确测量 试样变形。 巴西劈裂实验(B razilian  Splitting  Test)也称巴西实验、 间接拉伸实验， 是将 试样做成圆盘形状并沿其直径方向施加对向的压缩载荷， 使得试样内部因出现诱导横向拉 力而产生开裂破坏， 可用来间接测量混凝土等脆性材料的拉伸强度， 且试样制备简单、 所需 材料少， 实验快捷方便、 成本低， 因此在建筑、 地质以及制造等领域有着较多的应用。 [0003]高聚物黏结炸药(PBX， Polymer  bonded explosive)是由以单质炸药为主要成分， 加入各种能改善其加工性能和使用性能的添加剂， 在一定温度、 压力作用下制成的固体高 能炸药。 在外部载荷作用下， PBX内部可能产生炸药颗粒脱粘、 微裂纹演化等宏观或细观损 伤， 使其性能劣化， 因此对其损伤断裂性能的准确把控至关重要。 由于制备PBX单向拉伸实 验的试样工艺复杂、 所需药量大、 周期长， 因此借助巴西劈裂实验研究PBX的力学性能逐渐 得到重视 【庞海燕， 李明， 等.不同加载形式的PBX炸药巴西试验.含能材料.2012， 20(2)： 205‑209】 。 但通过物理实验 能够得到的材料内部变形与断裂信息比较有限， 也难以依据试 样的内部受力状态分析其损伤机理及开裂原因， 而数值模拟可以获得材料变形与开裂过程 的详细信息， 有助于深入理解和认识材料 的动态力学响应和断裂行为， 因此一些学者开始 通过巴西实验的数值模拟分析PBX损伤破坏行为 【戴开达， 李生涛， 陈鹏万.基于XFEM的PBX 炸药巴西实验断裂行为研究.北京理工大 学学报.2018,38(2):1 11‑117】 等。 [0004]目前， 模拟PBX巴西劈裂实验的损伤断裂行为有宏观和细观两种做法。 其中， 宏观 层面的数值模拟包括扩展有限元法、 无网格法以及基于内聚裂纹模型 的有限元法等， 可以 在一定程度上再现PBX圆盘的裂纹萌生及扩展过程。 但PBX材料由随机分布的炸药颗粒(含 量通常大于95％)和粘接剂组成， 因此具有明显的非均质性， 而 上述数值模拟方法难以体现 PBX细观层面的非均质特点， 模拟所得到巴西 劈裂实验的裂纹形貌呈近直线 型， 与实际实验 的不规则裂纹相差较大。 [0005]通过细观层 面的模型来反映材料实际结构并体现非均质特点， 目前主要有两种建 模方法。 一种是离散元法(Discrete  Element Method)， 例如首先随机生成给定尺寸范围的 颗粒并随机重叠、 聚合， 体现炸药颗粒 的不规则性； 再生成细小的颗粒并布满空隙区域， 以 作为粘接剂； 最后给炸药颗粒、 粘接剂赋予相应的材料属性并设置接触 关系。 这类模型接近 PBX炸药的实际物理结构， 但建模过程繁琐， 颗粒接触 关系的处理难度大， 计算效率低。 另一 种是将炸药颗粒等效为随机分布的不规则多边形， 忽略粘接剂的实际含量(通常小于5～ 10％)， 将多边形颗粒之 间的零厚度界面视为 “粘接剂”； 然后为炸药颗粒赋予线弹性或粘弹 性材料属性， 为 “粘接剂”赋予Cohesive材料属性， 以此建立具有非均质特点的PBX炸药巴西说　明　书 1/4 页 3 CN 115376633 A 3