基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态断裂行为研究

对某高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料的动态拉伸断裂行为进行研究。针对该材料开展了基于霍普金森压杆的动态带预制裂纹半圆盘弯曲实验,并结合高速摄像与数字图像相关方法,得到了试样动态破坏过程中的位移场和应变场。基于内聚裂纹模型,对其动态拉伸破坏过程进行了数值模拟。数值模拟与实验结果进行对比后发现,拉伸应力曲线、试样破坏前后变形场等结果符合较好。根据数值模拟结果,分析了PBX试样在动态预制裂纹半圆盘弯曲实验过程中的裂纹扩展演化规律,得到裂纹宽度比实验结果偏小约15%的结论。     

温度对高聚物粘结炸药模拟材料拉伸性能的影响

采用标准巴西实验研究不同温度条件(从室温到90℃)下高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料的准静态力学行为。采用电荷耦合器件相机和数字图像相关方法测量宏观变形场,测得PBX模拟材料的破坏载荷、拉伸强度等参数;采用平台巴西实验测量PBX模拟材料在不同温度下的平面应变断裂韧性,利用扫描电子显微镜观察巴西实验断面形貌。结果发现,拉伸强度和断裂韧性随温度的增加而降低,同时,随着温度的升高,PBX模拟材料脆性降低。其破坏模式主要由穿晶断裂向沿晶破坏转变,是温度产生的热损伤膨胀破坏和应力产生断裂的复合破裂模式。     

基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

利用扩展有限元法(XFEM)分析PBX-9502带孔板状试件在整体压缩下由局部裂纹萌生到裂纹扩展全过程的开裂破坏机理。采用应力状态相关的强度面、非关联流动法则及Cohesive模型,描述了材料在复杂应力状态下的非线性本构行为以及材料的破坏行为。进行了数值模拟结果与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)试验结果的对比。结果表明,含孔洞的平板在整体压应力环境下孔洞周围产生局部拉伸应力,这种拉伸条件导致局部裂纹萌生。数值模拟的裂纹发展趋势与试验结果相吻合,包括裂纹时程的整体走势和拐点、启裂时刻、裂纹初期扩展速度等。基于扩展有限元方法和内聚模型法,可模拟高聚物粘结炸药(PBX)含能材料的裂纹萌生、扩展。     

三种PBX炸药的动态拉伸力学性能

为了获得几种PBX炸药的动态拉伸力学性能,结合平台巴西盘实验和霍普金森加载技术建立了动态拉伸实验测试系统,分别通过石英晶体片和数字图像相关方法来测量应力和应变信号,得到了PBX炸药在应变率102s-1附近间接拉伸条件下的应力应变曲线,并建立了对应的动态拉伸本构关系模型.结果表明,PBX炸药的拉伸强度、失效应变和拉伸弹性...     

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药（黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)）在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0.075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。     

高聚物粘结炸药模拟材料动态变形破坏的实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行动态拉伸和压缩加载。利用高速摄影装置记录材料动态变形破坏过程,结合数字散斑相关技术,对不同加载条件下的位移场和应变场进行了分析,对PBX模拟材料动态变形破坏现象和机理进行了分析。实验结果和理论分析基本吻合,验证了数字散斑相关方法用于PBX模拟材料动态测量的可行性。     

粘结剂含量对热压TATB基PBX残余应力的影响

为了掌握粘结剂含量对高聚物粘结炸药(PBX)残余应力和宏观力学性能的影响规律,采用基于VKα靶的X射线衍射方法测试了F2314粘结剂含量为0~11%热压成型的TATB基PBX残余应力,采用巴西试验方法测试其宏观力学性能,并采用了TATB晶体-粘结剂包裹结构简化模型进行温度单一因素条件的残余应力数值模拟验证。实验结果表明:不含粘结剂的PBX,其残余应力为拉应力;随着PBX中粘结剂含量增加,残余应力逐渐减小,当粘结剂含量超过5%,其拉伸残余应力递减趋势增强;当粘结剂含量由7%增加到9%时,残余应力由拉应力转变为压应力;PBX力学强度随粘结剂含量增加而增强。残余应力模拟结果与实验结果具有相同变化趋势。     

含缺口PBX药柱热冲击响应的数值模拟及试验

针对脆性高聚物黏结炸药(polymer bonded explosive,PBX)的热应力破坏问题,开展了缺口药柱热冲击响应的数值模拟和实验研究.采用温度相关的热弹塑性模型对PBX药柱在50℃平衡温度、10℃·min-1条件下的热传导和热应力进行了二维轴对称仿真分析,并利用温度-应变-声发射监测技术,在温度箱风冷试验中进行了验证.数值模拟结果表明,降温温度冲击过程中,受热近表面存在一种温度边界层,使内外表面产生较大温差,并在药柱柱面中心产生超过PBX拉伸强度的轴向拉应力;位于柱面中部的缺口使热应力放大,并加剧试样破坏的进程,其中R2的缺口圆柱的应力梯度变化最明显,应力集中系数超过1.6.实验结果表明,PBX药柱热冲击破坏方式为表面拉伸热应力超过材料拉伸强度导致的脆性断裂破坏,热冲击破坏时的信号特征表现为应变发生突变并产生高幅值声发射信号.数值模拟得到的缺口药柱、无缺口药柱的临界断裂温差分别为8.3℃和12.6℃,试验数值分别为9.2℃和12.5℃,二者吻合良好.     

金属材料动态剪切测试方法

材料的动态剪切性能参数是进行弹箭及装甲防护系统设计的重要基础。由于目前所采用的拉伸剪切试样在应力均匀性及受力状态方面仍存在问题，给测试结果的准确性带来影响。采用数值模拟对5种常见拉伸剪切试样进行了对比分析，并针对现有问题设计出一种新型拉伸剪切试样。该试样在准静态、动态加载下应力分布均匀而且接近纯剪切的应力状态，适合在大应变率、大应变范围内对材料的剪切力学性能进行准确测试。通过与压缩加载下双剪切试样的测试结果进行对比，发现两种试样获得的应力-应变曲线吻合较好，而且新型试样具有更长的塑性流动段。采用有限元软件对TC4钛合金试样的变形及断裂过程进行了模拟，并通过与高速摄影结果进行对比发现两者剪切区的变形及裂纹扩展情况相互吻合，从而验证了试样设计及数值模拟结果的有效性。     

TATB基PBX的准静态拉压非线性本构模型及其应用（英文）

高聚物粘结炸药(PBX)的应力应变曲线普遍存在非线性显著和对称性较差的特点,本构模型构建困难是炸药材料力学性能研究中的一个难题。以PBX‐901为研究对象,开展了不同温度下的单轴拉伸和单轴压缩试验,根据获得的S型应力应变曲线,基于Boltzmann函数分别推导建立了一种四参数本构模型和一种双参数本构模型。结果表明:较之于四参数本构模型,双参数本构模型的参数确定不需要参数拟合,仅采用压缩强度和初始段弹性模量解析求解的方式获取即可,描述精度误差低于5%。最后采用ANSYS软件的二次开发模块,实现了双参数本构模型在巴西圆盘试验中的数值模拟应用,试验结果和数值模拟结果的对比分析显示二者的相对误差仅5.11%,表明所建立的双参数本构模型的描述精度满足工程需要。     

含预制缺陷PBX炸药裂纹扩展过程的试验研究

以典型HMX基PBX炸药为研究对象,采用圆弧巴西试验和数字散斑方法,通过预制缺陷的方式研究了不同缺陷条件下炸药裂纹的扩展过程.研究表明,不同缺陷下炸药裂纹扩展过程的差异较大,当缺陷位于加载轴向时,主裂纹完整贯穿试样中心,而当缺陷与加载方向存在夹角时,主裂纹从缺陷两端附近向加载面扩展,且不再通过试样中心.     

PBX炸药损伤本构模型及其工程运用

为了对高聚物黏结炸药(PBX)在动态冲击载荷下可能产生的损伤进行研究,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验装置获得了PBX炸药材料在不同应变率条件下出现力学损伤的本构曲线,并基于含损伤变量的Z?W?T本构模型对本构曲线进行了分段拟合.然后基于拟合结果、有限元理论、弹塑性力学与ABAQUS/VUMAT语法编写了PBX炸药...     

PBX内部缺陷激光超声无损检测数值模拟

为提高高聚物粘结炸药(PBX)材料超声检测效率,保证最终产品的可靠性与安全性,研究了一种基于激光超声技术的PBX内部缺陷非接触无损检测方法。基于热弹机制,建立了PBX材料激光超声的有限元数值计算方法和模型。得到了脉冲激光照射下PBX材料内部瞬态温度场和声场分布。模拟了激光超声与PBX内部气孔和裂纹缺陷之间的相互作用。数值结果表明,采用5激光束同时激励,可在保证PBX安全温度范围内大幅度提高激光超声对内部缺陷的检测能力,可实现长度大于0.5 mm裂纹,直径大于0.2 mm孔洞的检测。初步验证了激光超声对于PBX材料内部缺陷检测的可行性。     

热弹性环境下HMX基PBX厚壁结构件失效破坏分析

针对高聚物粘结炸药(PBX)厚壁球结构件引入稳态温度场,并展开了热弹性变形分析,讨论了热应力作用下构件的失效破坏状况。采用包括最大拉应力准则、von-Mises准则、Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则等强度准则来分析了厚壁球结构件的承受温差能力与最先破坏点位置,并通过无量纲分析分离出与结构形状尺寸相关的参数因子,从而获得PBX普通结构件的承受温差能力规律。结果表明:Drucker-Prager准则能够较为准确描述PBX厚壁球结构件的失效破坏状况;PBX结构件失效破坏状况与材料特性、结构尺寸等因素相关,提高材料抗拉强度和降低材料弹性模量、优化结构尺寸及形状能提高其承受温差能力。室温下,PBX结构件承受温差能力可以认为由拉伸破坏应变决定,提高PBX炸药的拉伸破坏应变,可以提高其承受温差能力。比较了热环境下三种PBX炸药PBX-A、PBX-E和PBX-C相同结构件下的材料性能,PBX-A的承受温差能力是PBX-C的5.6倍,PBX-E的承受温差能力是PBX-C的4.4倍。     

PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行高应变率(1763~2650 s-1)动态压缩实验,采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯(PVDF)压力传感器监测试件两端的应力状态,高速相机拍摄试件的变形和破坏过程,激光位移计测量试件的轴向应变,采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明,PBX模拟材料具有应变率相关性;结合界面脱粘和晶体断裂理论,认为晶粒与粘结剂的分离,晶粒脆性断裂是该PBX模拟材料的主要细观损伤模式。     

高聚物粘结炸药动态损伤破坏的数值刻画

高聚物粘结炸药(PBX)安全性评估离不开对其力学响应和损伤破坏的刻画。为了准确捕捉PBX炸药的力学行为,以Karagozian & Case模型框架为基础,开展了PBX炸药力学行为数值刻画的研究。修改Karagozian & Case模型中的损伤演化方式,考虑PBX炸药模量、损伤演化模式等压力依赖特性。结合法国原子能委员会Picart等给出的一系列试验数据,修正Karagozian & Case模型中的应变率效应,分析不同压力下PBX炸药拉压子午线之比的取值,处理结构损伤破坏过程中变形局部化的问题,提出数值计算中拉伸失效单元的处理方法。得到的模型很好地刻画了Steven 试验中炸药试件的成坑形貌,并成功捕捉到了炸药试件中的拉伸、剪切破坏图像。