基于Voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于Voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。Voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。     

基于改进Hashin-Shtrikman方法预测PBX有效弹性模量

高聚物黏结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了80%以上,采用经典的细观力学模型Hashin-Shtrikman界限法获得的PBX有效弹性模量与实验测试值存在较大误差.引入含有炸药密度参数的"界面结合修正系数",得到了一个改进的Hashin-Shtrikman模型.设计了三种密度的以TATB为基的PBX,测定了相应的弹性模量值,并确定了模型的修正系数为0.813(ρ/ρ_0)~(8.64)和0.296(ρ/ρ_0)~(8.68).分别利用经典的和改进的Hashin-Shtrikman模型计算了该型PBX的有效体积模量和有效剪切模量,同时与实验值进行了对比.结果表明:以TATB为基的PBX其有效弹性模量随密度的减小呈指数形式衰减,且体积模量与剪切模量随密度的影响程度几乎一致,其指数约为8.6;改进的Hashin-Shtrikman模型的预测结果与实验值的误差在1%左右;改进后的模型合理,拟合精度高,适合于对双组分PBX有效弹性模量的预测.     

PBX有效弹性性能研究进展

高聚物粘结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了85%以上.在室温和低应变率条件下,炸药晶体与粘结剂两相模量对比可达3～4个数量级,PBX的这两个特点使传统复合材料相关理论不再适用.因此,PBX有效弹性性能的模拟与预测对复合材料力学和细观力学提出了巨大挑战.本文介绍了国内外在PBX有效弹性性能模拟与预测方面所进行的工作,对各种预测方法的优缺点以及应用前景进行了简要的评述,指出了PBX有效性能模拟与预测需要解决的问题以及下一步工作的重点.     

一种高颗粒体积分数PBX细观模型的生成方法

为了从细观尺度上对高聚物黏结炸药(PBX)的力学性能进行模拟,将蒙特卡洛方法中级配的概念引入高体积分数的PBX细观模型,与Voronoi方法相结合,形成了一种可以考虑级配分布的Voronoi多边形颗粒生成方法,通过颗粒修正、收缩、切角和平滑等处理,建立了考虑级配和体积分数达94%及以上的PBX细观结构模型,模型在边界处还可保持周期连续性。采用数值流形(NMM)方法对不同颗粒级配条件下的三组PBX细观模型进行了单轴压缩模拟。将NMM模拟所得等效弹性模量与文献实验结果进行了比较。分析了模拟结果与实验结果之间出现偏差的原因,讨论了PBX细观结构模型生成方法的合理性。结果表明,PBX的等效弹性模量随体积分数的提高而增大,并且体积分数越高,增速越快;同时,当体积分数低于30%及高于85%时,颗粒的级配对等效模量的影响较小,而当30%≤体积分数≤85%时,颗粒级配对等效模量影响显著。     

含界面微裂纹颗粒增强复合材料的有限元分析

界面弧形微裂纹是复合材料在制备和加工过程中产生的一种细观损伤,这种现象普遍存在,不可避免。根据细观力学方法,将陶瓷颗粒、弧形裂纹和基体壳简化为椭球三相胞元置于有效介质氛围中;假设复合材料受单轴拉伸应力作用,基于有效自洽方法对复合材料基体中局部应力应变场进行分析;并应用ANSYS有限元软件对含界面微裂纹复合材料进行单轴拉伸行为模拟,得到与实际情况相符的数值结果。     

含脱粘界面陶瓷颗粒增强金属基复合材料的弹性常数预报

脱粘界面是陶瓷颗粒增强金属基复合材料中存在的细观缺陷,根据细观力学方法将陶瓷颗粒、脱粘界面和基体壳简化为椭球三相胞元,并通过Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法的推导得到颗粒和脱粘界面的等效本征应变,进而对三相胞元的弹性常数进行预报。考虑到三相胞元在复合材料中随机分布,由坐标变换公式和物理方程计算出复合材料的有效弹性常数,并根据数值方法得出弹性常数与颗粒以及脱粘界面含量的关系。     

PBX细观损伤特征及表征方法研究综述

高聚物粘结炸药(PBX)是一种高颗粒填充复合材料。PBX的细观损伤对其本构模型的建立和起爆机理(特别是XDT)的研究具有重要的意义。本文总结了国内外在PBX细观损伤的研究方面所做的工作,对PBX的损伤特性和损伤的表征方法进行了归纳和简要评述。分析了PBX的初始损伤,其压制成型过程同时也是PBX的损伤过程,而损伤的演化随加载方式和加载条件的不同呈现出明显的差异;PBX细观损伤的表征方法可以分为经验型和物理型两类,分析了各自的优缺点,而基于细观损伤的物理型表征方法是PBX力学研究的重要方向。     

颗粒增强钛基复合材料的弹塑性能研究

利用MTS810材料试验机对体积含量为3%的TiC颗粒增强钛基复合材料TP-650及基体钛合金进行了准静态拉伸试验,获得了材料弹塑性变形的应力应变曲线。结果表明,复合材料及基体材料达到屈服后,直至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应。由断口分析可以看出,TP-650断口平齐,无颈缩现象,断口无韧窝,呈明显的脆性断裂特征,颗粒与基体界面有明显的脱粘现象。最后,基于Mori-Tanaka平均场理论和割线模量法讨论了颗粒增强钛基复合材料TP-650的弹塑性性能,理论预测与试验结果基本吻合。     

帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量预测方法研究

提出帘线/橡胶复合材料单层板的精确模量预测方法。首先,给出橡胶材料Mooney-Rivilin模型相关参数计算方法,推导帘线拉伸模量修正公式;其次,基于细观力学,建立帘线/橡胶复合材料数值模型,求解等效模量并进行试验验证;最后,提出帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量的预测公式,将预测公式所得到的等效模量与数值模型计算得到的等效模量进行对比。结果表明:帘线/橡胶复合材料数值模型建立方法是正确的;帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量预测公式能够较好的预测拉伸模量;研究方法能够为帘线/橡胶复合材料单层板的设计提供技术支撑。     

复合固体推进剂非线性界面脱粘的力学性能研究

复合固体推进剂是高体积分数的颗粒填充材料,因此建立细观力学模型对于研究其力学性能具有十分重要意义.应用细观力学的Mori-Tanaka方法研究了推进剂本构关系,其中推进剂颗粒与基体的界面粘接律采用抛物线型假设.通过算例证明抛物线型粘接律能更好模拟推进剂颗粒与基体的非线性脱粘行为,并且研究表明推进剂中颗粒大小、体积分数以及颗粒基体界面间的最大粘接应力对其力学性能有明显影响.     

高能不敏感PBX炸药非线性优化设计方法

为探索高能不敏感高聚物粘结炸药(PBX)配方设计理论和方法,基于PBX炸药构效关系研究,提出了高能不敏感PBX配方设计多目标非线性优化设计的一般数学模型。针对HMX/TATB//F2314/F2311体系,在实验研究获得感度-组成函数关系的基础上,建立了以圆筒比动能、特性落高、冲击波感度为多目标函数,以能量水平、感度水平以及组分含量范围为约束条件的具体数学模型,据此设计了8种能量水平的10个PBX配方,并给出了相应的能量和冲击波感度预估值。选择了其中4种配方进行实验验证,结果表明,设计模型给出的能量和冲击波感度预估值与实测值偏差分别在5%和6%以内,特性落高预估值与实测结果则在同一水平。     

高聚物粘结炸药的力学行为及变形破坏机理

结合实验研究对高聚物粘结炸药（ＰＢＸ）的力学行为和细观力学现象进行了分析和讨论。认为ＰＢＸ材料量主要的破坏机理是界面脱粘和粘结剂的成穴失效。     

孔隙对TATB基高聚物粘结炸药有效弹性模量的影响

采用代表体积单元(RVE)建模方法,建立了与实际TATB基高聚物粘结炸药(PBX)微观结构近似的有限元计算模型,该模型可以生成炸药颗粒和孔隙随机分布、填充率和孔隙率任意调整的二维RVE。并采用该模型研究了孔隙大小、空间分布和孔隙率对TATB基PBX有效弹性模量的影响。结果表明:粘结剂内孔隙使得TATB基PBX在外载荷作用下易于变形,TATB基PBX的有效弹性模量显著减小,随着孔隙率增加,有效弹性模量呈指数减小;孔隙的空间分布对TATB基PBX有效弹性模量影响较大,当孔隙分布在粘结剂与炸药晶体之间界面时,容易造成粘结界面破裂而导致有效弹性模量显著下降,下降幅度超过50%;但孔隙的大小对TATB基PBX有效弹性模量影响不大。     

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m~(-1)提高到13.16 W·m~(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。     

石墨对TATB基PBX导热性能的影响

为有效调节TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的导热性能,利用闪光导热仪研究了石墨包覆方式(内包和外包)、温度及石墨含量对TATB基PBX导热系数的影响,应用Agari模型分析了TATB基PBX的导热机制。结果表明,添加高导热石墨可改善TATB基PBX的导热性能。常温下,由内包和外包1%(质量分数)石墨改性的TATB基PBX配方的导热系数分别为0.572 W·(m·K)-1和0.697 W·(m·K)-1,显示,外包石墨包覆方式比内包石墨包覆方式更好。与不含石墨的TATB基PBX相比,内包1%和外包1%石墨的TATB基PBX的导热性能分别提高4.76%和27.66%。随温度升高,TATB基PBX及其石墨改性配方的导热性能逐渐降低。随着石墨含量增加,外包石墨改性的TATB基PBX的导热性能升高。外包2%(质量分数)石墨可使TATB基PBX的导热系数提高至0.786 W·(m·K)-1。TATB基PBX及由内包石墨改性的配方的导热机制符合串联模型,而由外包石墨改性的配方的导热机制介于串联模型和并联模型之间。     

粒度级配对HMX基浇注PBX性能的影响

为了研究粒度级配对浇注型HMX基浇注PBX性能的影响,制备出HMX/HTPB粘结体系质量比为88%/12%、200~300μm HMX/5μm HMX级配比分别为3∶1、2∶1及1∶1的3种PBX。对3种PBX进行了形貌表征、固化成型性分析及热分解性能、撞击感度测试。结果表明:级配方式为3∶1与2∶1的PBX在60℃、固化6h的条件下可以固化成型,形貌上无明显缺陷;级配方式为2∶1的PBX的表观活化能为493.59 k J·mol-1,热爆炸临界温度为295.69℃,特性落高H50为55cm,热稳定性与撞击感度均优于其他两种PBX,综合性能最好。     

微纳米RDX颗粒级配对压装PBX性能影响

为了提高高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能,降低其机械感度,采用溶液-水悬浮法,制备了含微纳米RDX不同颗粒级配(100/0,95/5,90/10,80/20)的PBXs。用光学显微镜观测其表观形貌,并测试了机械感度、力学性能以及爆速等性能。结果表明,微纳米RDX颗粒级配的PBX造型粉颗粒偏小、形貌规则、呈类球形。纳微米RDX颗粒级配为5/95的PBX性能最佳,撞击感度由44%降低到12%,摩擦感度由24%降低到4%;抗压强度从5.55 MPa提高到6.57 MPa,抗拉强度由0.66 MPa提高到0.77 MPa,抗剪强度由1.76 MPa提高到1.96 MPa;爆速从8033 m·s~(-1)增加到8186 m·s~(-1)。