含能材料起爆和致鈍機(jī)理多尺度理論研究

運(yùn)用量子力學(xué)（QM）密度泛函理論（DFT）方法，對硝酸酯類和疊氮硝基類多系列含能化合物的分子結(jié)構(gòu)和分解機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的比較研究，以引發(fā)鍵鍵級和鍵離解能關(guān)聯(lián)感度和穩(wěn)定性，設(shè)計出高能且穩(wěn)定的品優(yōu)化合物供合成實(shí)驗(yàn)參考。研究了不同壓力下α-和β-RDX晶體的結(jié)構(gòu)和感度判別，發(fā)現(xiàn)RDX的感度隨其所受的靜水壓力增大而增大。 運(yùn)用從頭算分子動力學(xué)（MD）理論方法，研究了含能晶體引發(fā)分解反應(yīng)。TATB晶體熱引發(fā)壓力效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)該熱引發(fā)是由分子內(nèi)的氫轉(zhuǎn)移引起，壓力影響氫轉(zhuǎn)移的難易程度。通過與多尺度沖擊技術(shù)（MSST）結(jié)合，研究了沖擊加載下HMX、TATB和PETN晶體的分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)隨時間的變化細(xì)節(jié)，以引發(fā)分解（斷鍵）出現(xiàn)的時間和開始出現(xiàn)金屬態(tài)的時間關(guān)聯(lián)了沖擊感度。 運(yùn)用經(jīng)典MD理論方法，研究了含能晶體， HMX、RDX、CL-20、PETN和TNT以及CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶，以其內(nèi)聚能密度和引發(fā)鍵最大鍵長關(guān)聯(lián)感度，并通過波動法計算預(yù)測其力學(xué)性能。研究了含能復(fù)合材料，CL-20/HMX共晶分別與聚氨基甲酸乙酯（Estane 5703）和端羥基聚丁二烯（HTPB）所構(gòu)成的PBX模型，通過結(jié)合能的計算發(fā)現(xiàn)含少量Estane 5703的PBX穩(wěn)定性和相容性更佳。研究CL-20/TNT共晶與含氟高聚物PVDF、F2311 和 F2313粘結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)高聚物粘結(jié)劑分子中H與F、Cl原子比列恰當(dāng)，有助于粘結(jié)劑分子的鋪展，利于致鈍。 運(yùn)用半經(jīng)驗(yàn)QM MD理論方法，研究了含能復(fù)合材料，用基于自洽電荷―密度泛函緊束縛（SCC-DFTB）水平的半經(jīng)驗(yàn)QM MD方法，研究HMX/PEG復(fù)合體系的熱引發(fā)分解；該方法與MSST技術(shù)相結(jié)合，研究它們的沖擊引發(fā)分解。發(fā)現(xiàn)在熱引發(fā)分解條件下，PEG有著延遲引發(fā)分解的作用，即致鈍作用，而在沖擊引發(fā)分解條件下，PEG反而有著加速引發(fā)分解的作用。 運(yùn)用耗散粒子動力學(xué)（DPD）介觀理論方法，模擬計算了5個不同溫度下晶體CL-20、TNT和共晶CL-20/TNT炸藥各自分別與含氟高聚物粘結(jié)劑F2311、F2313、PVDF、和PCTFE組成的12種PBXs體系。發(fā)現(xiàn)溫度升高有利于含氟高分子伸長鋪展，兩種高分子結(jié)構(gòu)單元與兩種炸藥分子的相互作用各不相同。

運(yùn)用量子力學(xué)（QM）、經(jīng)典分子動力學(xué)（MD）、半經(jīng)驗(yàn)量子MD和從頭算MD以及耗散粒子動力學(xué)（DPD）等理論方法，對多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯類）分子、典型含能晶體（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶體）以及多類型含能復(fù)合材料（如以TATB、HMX和RDX為基與多功能高聚物組成的多類高聚物粘結(jié)炸藥），分別地進(jìn)行系統(tǒng)的微觀與介觀尺度的計算和模擬，研究它們在不同溫度和不同強(qiáng)度沖擊波作用下的分解反應(yīng)和起爆機(jī)理；考察組成、結(jié)構(gòu)、相互作用能、力學(xué)性能與感度特性之間的聯(lián)系；探索內(nèi)部和外界條件對含能分子、晶體和復(fù)合材料的致鈍效應(yīng)的影響，揭示致鈍機(jī)理，建議致鈍方法。通過本項(xiàng)目研究，不僅要發(fā)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象和規(guī)律，提高基礎(chǔ)理論學(xué)術(shù)水平；還要為含能材料的安全使用和高能鈍感含能材料的設(shè)計和制備提供參考或指導(dǎo)。

復(fù)合材料多尺度漸進(jìn)失效理論方法研究是重要基礎(chǔ)研究方向。然而，多尺度漸進(jìn)失效分析常常遇到應(yīng)變局部化問題，導(dǎo)致微觀胞元模型失去存在的合理性和客觀性，多尺度分析也失去了意義。至今，國內(nèi)外在考慮局部化問題上的復(fù)合材料多尺度力學(xué)性能研究很少。在國家自然科學(xué)基金資助下，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人系統(tǒng)地開展了復(fù)合材料非局部多尺度漸進(jìn)失效理論研究，主要創(chuàng)新工作體現(xiàn)在6個方面：（1）在國際上原創(chuàng)性地提出一個預(yù)測復(fù)合材料層內(nèi)損傷和層間分層的統(tǒng)一非局部理論模型和有限元數(shù)值算法，通過引入并實(shí)現(xiàn)非局部積分理論解決了復(fù)合材料中應(yīng)變局部化帶來的數(shù)值問題，（2）在國際上首次將零厚度3D內(nèi)聚力數(shù)值技術(shù)應(yīng)用于壓縮載荷作用下的復(fù)合材料分層失效研究中，探討了不同內(nèi)聚力形狀、內(nèi)聚力強(qiáng)度對后屈曲與分層相互作用機(jī)理的影響規(guī)律，（3）在國際上原創(chuàng)性地提出了一個內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合的本構(gòu)模型，應(yīng)用于剪切載荷作用下的復(fù)合材料分層失效研究，（4）提出了一個考慮含熱殘余應(yīng)力的復(fù)合材料微觀漸進(jìn)失效有限元模型以及考慮應(yīng)變局部化問題的Mori-Tanaka宏微觀多尺度均勻化方法，（5）在國際上首次開展了濕熱環(huán)境下復(fù)合材料層合板分層失效聲發(fā)射測試技術(shù)研究，（6）發(fā)展了低速沖擊載荷作用下彈性和彈塑性復(fù)合材料層合板動態(tài)層內(nèi)漸進(jìn)損傷和層間分層的理論模型和有限元數(shù)值技術(shù)。負(fù)責(zé)人以第一或通訊作者共發(fā)表SCI論文13篇（JCR工程類1區(qū)論文2篇、2區(qū)論文5篇）、EI論文4篇，申請登記軟件著作權(quán)3項(xiàng)。研究成果對于解決多尺度分析中的應(yīng)變局部化問題，推動和完善復(fù)合材料均勻化理論，揭示復(fù)合材料失效機(jī)理以及剛度、強(qiáng)度性能退化機(jī)理，提升復(fù)合材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究水平與服役性能預(yù)測能力、具有重要理論和應(yīng)用價值。 2100433B

近年長隧道結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，考慮地震動空間非一致性對長隧道地震響應(yīng)具有較大影響，但傳統(tǒng)方法難以真實(shí)反映長隧道的非一致地震響應(yīng)，對實(shí)際存在的多尺度動力問題缺乏研究。本項(xiàng)目以長隧道結(jié)構(gòu)為研究對象，交叉融合隧道動力學(xué)、地震工程學(xué)及多尺度科學(xué)等學(xué)科，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究非一致地震激勵下長隧道多尺度動力分析方法。開展基于并發(fā)多尺度原理構(gòu)造結(jié)構(gòu)多尺度建模方法，提出考慮地震動非一致性的長隧道多尺度模型的有效離散化方法；建立不同尺度域間的約束關(guān)系，推導(dǎo)多尺度動力控制方程；提出長隧道多尺度動力問題的混合時步高效算法，建立與材料非線性等因素相對應(yīng)的計算穩(wěn)定性條件和收斂準(zhǔn)則；采用損傷理論建立混凝土動力損傷本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)考慮損傷劣化特性的非一致地震激勵下長隧道多尺度動力分析。項(xiàng)目研究有助于完善我國地下結(jié)構(gòu)抗震理論和方法，為長隧道結(jié)構(gòu)抗震計算和分析提供科學(xué)依據(jù)。

多智能體系統(tǒng)的一致跟蹤問題是一致性問題中的一個重要研究分支，因其在衛(wèi)星編隊、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。而在實(shí)際工程系統(tǒng)中，多智能體系統(tǒng)中的個體基于物理特性或者任務(wù)分配可能會分成不同的群,每個群中的跟隨者都跟蹤同一群中的領(lǐng)航者。因此，我們有必要研究群一致跟蹤控制問題。與一致跟蹤問題相比，群一致跟蹤控制的研究將更能揭示多智能體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和更符合工程實(shí)際。 本課題擬圍繞連接拓?fù)渥兓?、時延、采樣、噪聲和干擾等問題，研究一階/二階積分系統(tǒng)和高階系統(tǒng)的群一致跟蹤控制問題, 具體研究內(nèi)容包括建立一套規(guī)范的建模理論和方法；圍繞著群一致跟蹤問題的可解性、群一致跟蹤的條件和群一致跟蹤協(xié)議設(shè)計建立群一致跟蹤控制理論；解決系統(tǒng)參數(shù)、時延、采樣周期的計算和優(yōu)化問題；群一致性跟蹤控制理論在機(jī)器人仿真系統(tǒng)中的驗(yàn)證。最終，形成一套完整的多智能體系統(tǒng)群跟蹤控制理論體。