Горячие точки — это крошечные области высокой температуры, которые образуются в местах микроструктурных дефектов, например, пор, в мощных взрывчатых веществах. Они появляются при воздействии резких ударных волн, таких как взрыв или сильный механический удар. Именно горячие точки играют ключевую роль в определении того, инициируется ли взрыв и приведёт ли он к полной детонации. Понимание природы горячих точек необходимо для построения точных предсказательных моделей безопасности и эффективности взрывчатых веществ, используемых в оборонной промышленности, горном деле и других отраслях.
Компьютерное моделирование горячих точек применяется с 1960-х годов, но до недавнего времени детализированные атомистические симуляции были возможны только для очень маленьких пор, что ограничивало масштаб исследований. Эта проблема была решена командой учёных из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) под руководством Мэтта Крунблаута. Используя суперкомпьютер Sierra, исследователи провели крупнейшие в истории молекулярно-динамические (MD) симуляции взрывчатых веществ, сосредоточив внимание на веществах на основе TATB (1,3,5-триамино-2,4,6-тринитробензол).
В ходе работы был смоделирован процесс формирования горячей точки в многомикронной области с порой диаметром 300 нанометров. В расчётах участвовало до 600 миллионов атомов — это рекорд для MD-симуляций взрывчатки. Такой масштаб позволил впервые наблюдать детали формирования горячих точек при схлопывании пор под ударной волной почти без физических приближений, что резко снижает вероятность ошибок при переносе результатов на реальные материалы.
Молекулярно-динамические симуляции позволяют напрямую проследить сложнейшее взаимодействие механики материала, теплопереноса, фазовых переходов и химии, которые определяют формирование горячих точек. Однако для расширения анализа на ещё большие поры исследователи применили также континуальные симуляции с помощью кода ALE3D — мультифизического метода конечных элементов, позволяющего независимо задавать свойства материалов.
Сравнение результатов MD и ALE3D выявило неожиданный масштабный эффект: горячие точки, возникающие в порах размером более 20 нанометров, обладают одинаковыми температурными распределениями и структурными признаками вне зависимости от размера поры. Такой эффект масштабной инвариантности оказался связан с механическими свойствами TATB: при ультрабыстрых скоростях деформации (характерных для схлопывания поры под ударом) напряжённо-деформационный отклик TATB не зависит от скорости деформации. ALE3D-симуляции подтвердили, что именно эта особенность объясняет масштабную инвариантность, наблюдаемую в MD-расчётах.
Открытие масштабной инвариантности значительно упрощает моделирование горячих точек в взрывчатых веществах и повышает уверенность в переносимости атомистических выводов на крупномасштабные модели. Это открывает новые возможности для разработки универсальных мультиуровневых моделей для нечуствительных взрывчатых веществ и может стать основой для создания новых материалов с повышенной безопасностью и эффективностью. Как отметил Мэтт Крунблауд: «Такая работа делает молекулярно-динамические симуляции фундаментом для разработки более общих многомасштабных моделей нечуствительных взрывчатых веществ и может привести к созданию новых взрывчатых материалов с улучшенными характеристиками безопасности и производительности».
Изображение носит иллюстративный характер
Компьютерное моделирование горячих точек применяется с 1960-х годов, но до недавнего времени детализированные атомистические симуляции были возможны только для очень маленьких пор, что ограничивало масштаб исследований. Эта проблема была решена командой учёных из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) под руководством Мэтта Крунблаута. Используя суперкомпьютер Sierra, исследователи провели крупнейшие в истории молекулярно-динамические (MD) симуляции взрывчатых веществ, сосредоточив внимание на веществах на основе TATB (1,3,5-триамино-2,4,6-тринитробензол).
В ходе работы был смоделирован процесс формирования горячей точки в многомикронной области с порой диаметром 300 нанометров. В расчётах участвовало до 600 миллионов атомов — это рекорд для MD-симуляций взрывчатки. Такой масштаб позволил впервые наблюдать детали формирования горячих точек при схлопывании пор под ударной волной почти без физических приближений, что резко снижает вероятность ошибок при переносе результатов на реальные материалы.
Молекулярно-динамические симуляции позволяют напрямую проследить сложнейшее взаимодействие механики материала, теплопереноса, фазовых переходов и химии, которые определяют формирование горячих точек. Однако для расширения анализа на ещё большие поры исследователи применили также континуальные симуляции с помощью кода ALE3D — мультифизического метода конечных элементов, позволяющего независимо задавать свойства материалов.
Сравнение результатов MD и ALE3D выявило неожиданный масштабный эффект: горячие точки, возникающие в порах размером более 20 нанометров, обладают одинаковыми температурными распределениями и структурными признаками вне зависимости от размера поры. Такой эффект масштабной инвариантности оказался связан с механическими свойствами TATB: при ультрабыстрых скоростях деформации (характерных для схлопывания поры под ударом) напряжённо-деформационный отклик TATB не зависит от скорости деформации. ALE3D-симуляции подтвердили, что именно эта особенность объясняет масштабную инвариантность, наблюдаемую в MD-расчётах.
Открытие масштабной инвариантности значительно упрощает моделирование горячих точек в взрывчатых веществах и повышает уверенность в переносимости атомистических выводов на крупномасштабные модели. Это открывает новые возможности для разработки универсальных мультиуровневых моделей для нечуствительных взрывчатых веществ и может стать основой для создания новых материалов с повышенной безопасностью и эффективностью. Как отметил Мэтт Крунблауд: «Такая работа делает молекулярно-динамические симуляции фундаментом для разработки более общих многомасштабных моделей нечуствительных взрывчатых веществ и может привести к созданию новых взрывчатых материалов с улучшенными характеристиками безопасности и производительности».
