一种PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法技术领域
本发明涉及PBX炸药计算机模拟技术领域，具体是一种炸药颗粒随机离散填充方
法，特别是在二维介观尺度下PBX炸药压制工艺过程模拟，在计算机数值模拟技术指导PBX
的配方设计、生产工艺以及力学性质研究等领域有广泛地应用。
背景技术
含能材料一般指具有较高性能的炸药，在国防和国民经济领域中有着广泛的应
用。它是以高能炸药晶体颗粒为主要填料，加入高分子聚合物或其他添加剂作为粘结剂，经
过一系列工艺处理而成的混合炸药。高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive，以下简
称PBX)是一种典型的复合材料，其性质受到材料内部组成，如物质形状、体积比例等多种因
素的影响，其配方的改变对材料总体力学性能的影响很大。同时该物质具有爆轰性质，因此
实验研究的成本和风险都很高。因此采用计算机数值模拟技术来指导PBX的配方设计、生产
工艺以及力学性质研究，则可以大幅降低实验成本和风险。
目前在PBX含能材料压制成型工艺计算机数值模拟领域常见的软件(如NairnMPM
和Uintah)都是采用命令驱动而非菜单界面驱动的计算机程序。采用此类软件能够模拟计
算出在PBX含能材料压制成型工程中各种力学参量的变化，得到压制成型过程中数值物理
图像，分析炸药压制过程中介观的力学行为，能够为炸药压制成型工艺和提高炸药元件质
量提供理论依据。
但由于常用PBX压制成型模拟软件是采用命令驱动的，操作复杂，入门上手难，需
要手工输入大量重复的PBX炸药颗粒填充分布，其过程比较繁琐费时。从目前国内外研究情
况来看，如何建立PBX炸药颗粒质点随机离散是含能材料是PBX含能材料压制成型工艺计算
机模拟是否成功、可靠的关键因素所在。具体而言，在PBX压制成型模拟软件中如何高效快
速建立模拟体系中含有各种形状、各种几何半径大小、高填充率的炸药颗粒质点分布是进
行含能材料力学性质研究不得不面临的一个急需解决的问题。正是基于这一点，本发明提
出了一种PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法。
对于PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法的设计，其难点主要有以下几点：(1)如
何控制随机生成的炸药颗粒与颗粒之间不相交。(2)如何提高模拟体系中炸药颗粒的填充
率，减少模拟体系中的空隙。(3)如何控制模拟体系中各个几何半径大小的炸药颗粒所占的
体系质量比例。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高填充率、降低稀疏率、随机
性能好、更加真实接近PBX炸药压制过程的PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法。本发明的
技术方案如下：
一种PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法，其包括以下步骤：
1)、确定PBX炸药颗粒压制实验的二维介观模拟体系边界条件；2)、按照实际炸药
样本输入不同的颗粒几何形状数据；3)、根据输入炸药颗粒几何形状数据的顺序依次随机
生成各种形状的二维炸药颗粒几何数据，并通过C++编译器软件(如Dev-C++等)产生一个用
于NairnMPM物质点法模拟软件计算的脚本文件，将生成二维圆形炸药颗粒几何数据保存到
该脚本文件中；4)、使用NairnMPM物质点法模拟软件计算脚本文件，进行PBX炸药颗粒压制
二维介观尺度模拟实验。
进一步的，所述步骤1)中，对于介观尺度下二维模拟体系的边界条件包括在x轴、y
轴二维平面范围内PBX炸药颗粒可以填充的范围，记为x∈[Xa,Xb],y∈[Yc,Yd]，Xa表示二
维模拟体系X轴边界条件的最小值，Xb表示二维模拟体系X轴边界条件的最大值，Yc表示二
维模拟体系Y轴边界条件的最小值，Yd表示二维模拟体系X轴边界条件的最大值。
进一步的，步骤2)中按照实际炸药样本不同形状炸药颗粒所占体系质量比例从大
到小输入炸药颗粒几何数据具体为：设所有的炸药颗粒最大半径r所组成的集合为R，记为r
∈R，并根据不同形状炸药颗粒所占体系质量比例设计一个数组元素数值比较大的随机生
成颗粒质点尝试次数数组tryCount,最大半径r[i]的尝试次数对应于tryCount[i],且不同
形状炸药颗粒对应的随机尝试次数之比与其所占比例相同。
进一步的，所述步骤3)根据输入炸药颗粒几何形状数据的顺序依次随机生成各种
形状的二维炸药颗粒几何数据包括：对于每一种形状的颗粒r[i],当随机尝试次数tc[i]未
达到tryCount[i]这个大数值时，不断进行r[i]此最大半径下的随机尝试生成过程，具体过
程如下:
(a)当随机尝试次数tc[i]<＝tryCount[i]时，不断进行随机尝试生成炸药颗粒几
何中心坐标(x，y)；当tc[i]>tryCount[i]时结束本半径r[i]的随机尝试过程，进行半径r[i
+1]的随机尝试过程；
(b)对于每次尝试生成的炸药颗粒几何数据中心坐标(x，y),判断随机几何中心
(x,y)是否满足如下边界条件，即判断颗粒几何中心坐标(x，y)是否在可以填充范围内，如
果满足则进行下一步，否则返回(a)重新进行下一次随机尝试过程；
(c)当随机生成的颗粒几何中心坐标满足边界条件，如果当前随机产生的颗粒是
第一个，即合格的颗粒几何数据集合S中还没有一个元素时直接将该随机产生的颗粒几何
数据加入到S中；否则本次尝试失败，进入下一次随机尝试过程。
进一步的，所述步骤b)中判断随机几何中心(x,y)的边界条件为：
x-r[i]>＝Xa&&x+r[i]<＝Xb；
y-r[i]>＝Yc&&y+r[i]<＝Yd；。
进一步的，步骤(c)中随机生成的颗粒几何中心坐标满足边界条件包括以下情况：
当随机产生的颗粒为圆形，而与之比较的S集合中颗粒形状也为圆形；
当随机产生的颗粒为方形，与之比较的S集合中颗粒形状也为圆；
当随机产生的颗粒为方形与之比较的S集合中颗粒形状也为方形；
如果(x,y)与S集合中所有颗粒几何中心坐标都满足约束条件，则表明当前随机产
生的各种形状的炸药颗粒与S集合中每一个颗粒都不相交，将炸药颗粒加入到合格的炸药
颗粒数据集合S中。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)可以很好地控制各种几何半径炸药颗粒质量比，在随机生成炸药颗粒阶段，可
以通过控制不同几何半径炸药颗粒尝试生成次数来控制不同几何半径大小的炸药颗粒在
整个模拟体系中所占质量比。
(2)良好的填充率，在随机生成炸药颗粒阶段，由于本发明是按几何半径从大到小
的顺序进行尝试生成的，当几何半径较大的炸药颗粒生成完成或者无法再继续生成的时候
将进行下一个几何半径相对较小的炸药颗粒生成，从而保证的填充率比较高，使得整个模
拟体系中空隙比较少。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例PBX炸药颗粒质点随机理算填充方法流程图。
图2采用该方法在二维介观尺度下只有圆形颗粒随机填充效果图；
图3是采用该方法在二维介观尺度下含有圆形和方形颗粒随机填充效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详
细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明的技术方案如下：
一种PBX炸药颗粒质点随机离散填充方法,包括以下步骤：
步骤一、根据模拟的目标输入二维介观模拟体系边界条件，即在x轴、y轴确定的xy
平面中炸药颗粒可以填充的范围，记为x∈[Xa,Xb],y∈[Yc,Yd]。
步骤二、按照实际炸药样本不同形状炸药颗粒所占比例从大到小输入炸药颗粒几
何数据，设所有的炸药颗粒最大半径r所组成的集合为R，记为r∈R，并根据不同形状炸药颗
粒所占比例设计一个数组元素数值比较大的随机生成颗粒质点尝试次数数组tryCount,最
大半径r[i]的尝试次数对应于tryCount[i],且不同形状炸药颗粒对应的随机尝试次数之
比与其所占比例相同。
步骤三、对于每一种形状的颗粒r[i],当随机尝试次数tc[i]未达到tryCount[i]
这个大数值时，不断进行r[i]此最大半径下的随机尝试生成过程。
具体过程如下:
(a)当随机尝试次数tc[i]<＝tryCount[i]时，不断进行随机尝试生成炸药颗粒几
何中心坐标(x，y)；当tc[i]>tryCount[i]时结束本半径r[i]的随机尝试过程，进行半径r[i
+1]的随机尝试过程。
(b)对于每次尝试生成的炸药颗粒几何数据中心坐标(x，y),判断随机几何中心
(x,y)是否满足如下边界条件，
x-r[i]>＝Xa&&x+r[i]<＝Xb；
y-r[i]>＝Yc&&y+r[i]<＝Yd；[1]
即判断颗粒几何中心坐标(x，y)是否在可以填充范围内。如果满足则进行下一步，
否则返回(a)重新进行下一次随机尝试过程。
(c)当随机随机生成的颗粒几何中心坐标满足边界条件，如果当前随机产生的颗
粒是第一个，即合格的颗粒几何数据集合S中还没有一个元素时直接将该随机产生的颗粒
几何数据加入到S中。
如果当前随机产生的颗粒不是第一个，则当前随机产生的炸药颗粒必须保证与S
集合中每一个颗粒不相交，对于不同形状的颗粒需要判断颗粒几何中心坐标(x,y)与最大
半径r满足不同的约束条件，具体如下：
当随机产生的颗粒为圆形(几何中心坐标为(x,y)，最大半径为r[i],形状类型为
type＝1)，而与之比较的S集合中颗粒形状也为圆形(几何中心坐标为(sx[j],sy[j])，最大
半径为sr[j],形状类型为type＝1)
(x-sx[j])*(x-sx[j])+(y-sy[j])*(y-sy[j])>＝r[i]+sr[j]
当随机产生的颗粒为方形(几何中心坐标为(x,y)，最大半径为r[i],形状类型为
type＝2)，而与之比较的S集合中颗粒形状也为圆(几何中心坐标为(sx[j],sy[j])，最大半
径为sr[j],形状类型为type＝1)
![]()
当随机产生的颗粒为方形(几何中心坐标为(x,y)，最大半径为r[i],形状类型为
type＝2)，而与之比较的S集合中颗粒形状也为方形(sx[j],sy[j])，最大半径为sr[j],形
状类型为type＝2)
(x-sx[j])*(x-sx[j])+(y-sy[j])*(y-sy[j])>＝r[i]+sr[j]
如果(x,y)与S集合中所有颗粒几何中心坐标都满足约束条件，则表明当前随机产
生的各种形状的炸药颗粒与S集合中每一个颗粒都不相交，将炸药颗粒加入到合格的炸药
颗粒数据集合S中。
否则本次尝试失败，进入下一次随机尝试过程。
步骤四、使用NairnMPM物质点法模拟软件计算脚本文件，进行PBX炸药颗粒压制二
维介观尺度模拟实验。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在
阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变
化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。