基于瑞利表面波的曲面PBX表面裂纹深度检测的数值模拟（英文）

聚合物黏结炸药(PBXs)在生产、运输和储存的阶段可能会出现裂纹等损伤。炸药的表面裂纹对其物理属性和轰爆性能有重要的影响。表面裂纹深度的定量检测对于加工去除其表面裂纹有重要意义。为了研究利用超声表面波对PBX的表面裂纹进行裂纹深度的检测和表征的可行性,采用有限元数值模拟的方式对超声波在曲面PBX中的传播和散射规律进行研究。对不同频率的瑞利表面波在柱面和球面PBX上传播的运动规律、表面波与不同深度裂纹相互作用的反射和透射规律,以及根据表面波与裂纹的相互作用进行裂纹深度反演进行了研究。有限元数值模拟结果表明曲面PBX上的表面裂纹深度可以通过瑞利表面波的反射波和透射波的幅值变化模式进行推导。     

曲面PBX构件内部裂纹小角度斜入射超声检测数值模拟

为探究裂纹分布、形态等复杂性对高聚物黏结炸药(PBX)曲面构件中超声传播特殊性的影响,优化水浸超声斜入射检测参数,基于有限元方法和典型检测工况,建立了曲面PBX构件超声无损检测的数值计算模型,利用COMSOL商用软件计算分析了表面瞬态位移激励下曲面PBX构件内部声场传播规律,模拟计算了不同角度及裂纹的超声检测信号,研究了入射角度等参数对曲面PBX构件裂纹水浸超声小角度斜入射检测结果的影响.数值仿真结果表明,声束与裂纹夹角为8°～10°时,小角度斜入射超声检测方法对PBX构件的内部裂纹缺陷的检测性能最优,且不受裂纹深度的影响.同时,设计制作了曲面PBX模拟试件,搭建了小角度超声检测实验系统,开展了不同入射角度、裂纹参数下的超声检测实验,实验所得最优检测角度(8°)与仿真结果(8°～10°)吻合,验证了数值模拟结果的合理性和小角度超声检测的有效性.     

超声端点反射法检测PBX表面裂纹深度

炸药件表面裂纹对其力学性能及爆轰性能具有重要影响,能否通过加工余量去除表面裂纹,关键在于裂纹深度的准确定量。本研究基于超声波端点反射基本原理,建立了奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)表面裂纹深度定量检测方法。设计制作了不同深度裂纹的模拟试块,校验了超声端点反射法裂纹深度定量精度。发现实验测量重复性好,实测深度与真实深度之间的差值小于1.0 mm。对比了含自然裂纹的炸药件超声检测和微焦点CT成像技术检测结果。其裂纹深度结果一致性好,表明端点反射法测量裂纹深度是可靠的。分析了超声检测误差来源。结果表明,超声端点反射法检测的裂纹深度与其裂纹实际深度较接近,误差在±1.0 mm之内。     

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。     

PBX内部裂纹水浸超声全聚焦成像方法研究

高聚物粘结炸药（PBX）的内部裂纹检测对其使用安全性和结构完整性评价具有重要意义和工程应用价值。为了提高PBX内部裂纹缺陷的成像检测精度和图像质量,研究了曲面修正水浸超声全聚焦成像方法,并在此基础上进一步结合了延迟乘和波束形成（DMAS）技术,通过水浸法对Φ100.0 mm的半圆柱PBX的底部裂纹缺陷进行了超声成像检测研究,实现了对曲面构形PBX底部裂纹缺陷的高精度成像表征。实验结果表明,传统全聚焦成像算法的裂纹缺陷高度测量误差为12.0%,图像信噪比为1.37 dB;曲面修正后的裂纹缺陷高度测量误差为3.6%,图像信噪比为2.13 dB;而曲面修正结合DMAS算法成像的裂纹缺陷高度测量误差仅为0.4%,图像信噪比为5.32 dB。     

TATB基PBX炸药冲击波感度数值模拟研究

为研究TATB基PBX炸药的冲击波感度,采用显式动力学有限元程序——AUTODYN软件对某TATB基PBX炸药在冲击波作用下的临界起爆特性进行数值模拟。通过小隔板试验和冲击波在有机玻璃隔板中衰减模型的理论计算验证了数值模拟的可靠性,数值模拟中,通过3D模型的计算可以直观地看到在爆炸过程中冲击波传播的运动轨迹,模拟计算出某TATB基PBX炸药临界隔板值在5.5～5.7mm之间,临界起爆压力在3.19～3.44GPa之间,数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

PBX炸药模拟材料正交切削的切削力响应规律

为了分析炸药材料切削加工过程中切削力响应规律及加工特性,采用低速正交切削试验的方法,结合显微摄像、三向测力仪和三维表面轮廓仪表征测试,分析高聚物粘结炸药(PBX)炸药模拟材料瞬时切削力特性,研究PBX炸药模拟材料的切削过程中切削力响应规律及其关键影响因素。结果表明,不同的切削深度PBX炸药模拟材料的动态切削力变化规律不同,切深为0.1 mm时的切削力峰值变化主要由颗粒切屑成型引起,切屑呈蜷曲喷射状,切削力曲线呈微细锯齿状动态特征变化,切深为0.3 mm和0.5 mm时的切削力峰值主要由材料脆性断裂裂纹扩展引起,切削力呈周期性的大锯齿特性变化,fz在过切凹坑处降至零。fx标准偏差在0.4 mm切深处产生显著变化,反映了炸药模拟材料切削状态由连续去除到脆性去除的转变。低速正交切削下,切削宽度对切削力影响大于切削速度对切削力的影响,切削速度对切削力的影响较小。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态巴西实验的数值模拟

高聚物粘结炸药(PBX)是战斗部的关键组成部分,其动态力学行为,特别是动态断裂特性关系到战斗部的安全性和使用可靠性。基于内聚裂纹模型,对PBX模拟材料(PBX-M)的动态巴西实验进行数值模拟,对比霍普金森杆实验中测得的拉伸应力曲线,以及高速摄像结合数字图像相关方法得到的试样表面位移场和应变场。对比结果发现,拉伸应力峰值的数值模拟结果比实验结果小约5%,拉应变集中带的数值模拟结果与实验结果的偏差小于15%,验证了内聚裂纹模型的有效性。根据数值模拟结果,探讨了PBX-M试样在动态巴西实验过程中的起裂和裂纹扩展规律,给出了裂纹宽度的定量化信息。     

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。     

PBX炸药含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系

为描述高聚物粘结炸药(PBX)的动态力学性能,将炸药内由微裂纹扩展引起的细观损伤,耦合到宏观粘塑性本构方程中,建立了含微裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系。针对某PBX炸药,开展了单轴压缩及断裂性能实验,研究了材料本构参数及本构关系计算算法,嵌入到ABAQUS软件中,数值模拟了该PBX炸药不同应变率条件下的力学行为。与实验结果对比表明,含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系能够表征PBX炸药动态条件下力学性能变化过程,可用于冲击环境下炸药损伤演化分析研究。     

高聚物黏结炸药CT图像像素级裂纹识别方法研究

为了有效地提高裂纹识别精准度和改进裂纹表征方法,针对奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)CT检测图像存在的暗视野、低对比度、高噪声等问题开展研究。利用裂纹的稀密性和局部方向性,结合非局部均值、拉普拉斯锐化和Gamma校正等方法对CT图像进行预处理,然后运用统计学方法直接提取裂纹特征点集,借助马氏距离对裂纹特征点的局部方向性和裂纹位置、走向及粗细进行判定并推演裂纹的扩展方向,最终通过像素灰度值拷贝实现HMX基PBX的CT图像中完整裂纹的精细识别。在三种PBX热力耦合加载损伤的CT图像上对文中提出的MDCE算法(Mahalanobis distance based crack extraction algorithm)与Canny算法和相位一致性方法开展对比实验研究。结果表明,提出的MDCE算法能清晰准确地提取出多种形态的裂纹,证实了该方法的有效性和高效性,显著提高了裂纹的识别和表征能力。     

两种高聚物粘结炸药的声学特性研究

应用数学超声检测仪研究了ＪＯＢ－９００３和ＪＯ－９１５９两种高聚物粘结炸药的声学特性,确定了超声检测频率、密度、厚度与炸药的超声特性参数的关系,讨论了炸药内部质量特别是裂纹和疏松对炸药声学特性的影响。     

典型PBX基于Boltzmann函数的准静态单轴拉压非线性本构模型（英）

准静态载荷下的拉伸压缩试验中,几乎所有高聚物粘结炸药(PBX)都体现出了明显的非线性本构行为,现常用的本构模型在描述这种非线性时适应性不甚理想.针对五种典型PBX炸药(PBX-X,PBX-9502,LX-17,PBX-9501,EDC-37)应力应变曲线的非线性及非对称性,基于Boltzmann函数推导了一种拉伸和压缩一起考虑的准静态单轴非线性四参数本构模型.在讨论模型待定参数物理意义的基础上,基于文中提出的待定参数初值确定方法,采用该本构模型对五种典型PBX的应力应变曲线进行了拟合.结果表明,该本构模型可较好地描述五种典型PBX炸药不同温度和应变率下的本构行为.基于Boltzmann函数的拉压非线性本构模型,有望作为一种适用于不同PBX的通用准静态本构模型广泛运用.     

RDX为基的PBX炸药压制过程损伤形成研究

黑索今(RDX)属于非补强性填料,与黏结剂的结合效果差,当其受到载荷作用时,黏结剂与RDX间的界面结合容易被破坏,黏附失效而导致黏结剂从固体颗粒表面脱离,容易出现产品缺陷,影响产品性能.为深入了解RDX为基的高聚物粘结炸药(PBX)压制过程的损伤形成规律,对以RDX为基的两种炸药配方进行压制实验,研究了压制条件及黏结剂选择等因素对炸药成型性能的影响规律.结果表明:控制降温速率、采取分段保压的方法可有效抑制炸药件内部损伤的形成;选择适当的黏结剂对提高RDX为基的PBX炸药压制件的成型性能具有重要作用,丙烯腈丙烯酸酯黏结剂与RDX之间的黏附性能要比F_(2311)好,该炸药配方压制出的炸药柱各方面性能良好,而以F_(2311)为黏结剂的炸药配方压制出的炸药柱不能满足使用要求,存在较大的质量缺陷.     

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。     

高聚物粘结炸药及涂层表面抗变形与回弹性研究

采用纳米压痕技术测试并比较研究了两种高聚物粘结炸药(P1、P2)及其两种涂层(C1、C2)在"加载-卸载-恢复"过程中各阶段的表面变形情况及回弹性能.结果表明,这四种材料表面抗变形能力从大到小的顺序是: P1>P2>C1>C2,而回弹性从大到小的顺序则是: C2>C1>P2>P1,其中C1与P1、P2力学性能差异较小,而C2与P1、P2具有显著差异.并采用Boltzmann非线性回归函数对这四种材料表面变形及回弹曲线进行拟合,拟合曲线与试验数据吻合较好,相关系数均大于0.99.     

不同机械约束下压装PBX炸药反应演化行为

为研究机械约束下炸药反应演化行为,加深对武器装药意外点火后反应烈度演化影响因素及机制的认识,对压装PBX炸药反应演化过程进行实验研究。设计一种机械约束装药点火实验装置,采用激光干涉仪和压力传感器分别测量壳体膨胀速度和内部压力,分析不同约束下两种HMX基压装PBX炸药装药的反应演化行为;结合空气冲击波超压测试结果和装置、炸药残骸回收分析,表征装药的反应烈度。研究结果表明：2 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药反应最高压力不超过200 MPa,壳体膨胀速度在70 m/s左右,装药反应烈度为爆燃;50 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药在百微秒甚至几十微秒内压力超过1 GPa,壳体膨胀速度达到500 m/s,装药发生爆炸反应;不同炸药的力学性能会造成装药反应演化过程存在一定差异,但机械约束影响更明显,新装置2 MPa和50 MPa机械约束装药反应压力和约束壳体速度相差接近1个数量级。     

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)。     

PBX装药弹体侵彻混凝土薄板的数值模拟

为探究浇注型高聚物粘结炸药(PBX)装药在弹体侵彻过程中的力学响应和损伤分布情况,将孔隙压塌损伤、炸药晶体破碎损伤和粘结剂脱粘三种损伤形式的演化规律引入粘弹性本构模型,拟合了浇注型PBX在不同温度下的低应变率至中高应变率的力学响应,利用动力有限元数值软件模拟了含装药弹体侵彻混凝土靶板中炸药的力学损伤响应,分析了炸药应力波的传播、压力分布和三种损伤分布及演化。结果表明,加载初期炸药装药的头部承受较大的压缩应力,当应力波传播至尾部反射回拉伸波时,由于弹体的惯性作用,装药尾部和壳体内表面发生撞击,迅速形成高压区,压力高至0.25 GPa,因此装药头部和尾部损伤较为严重,应作为重点防护区域。     

聚能射流侵彻隔板形成的前驱冲击波起爆不同温度炸药特性

弹药在聚能射流作用下的反应机制和响应规律,对弹药安全性研究具有重要意义。针对隔板中前驱冲击波起爆炸药机制及炸药温度的影响,开展实验和数值模拟研究。设计大尺寸装药聚能射流侵彻不同厚度隔板,起爆加热炸药的实验装置,采用上下两端加热和侧面保温的方式,实现炸药均匀加热和温度控制。选取黑索今(RDX)含铝(Al)炸药(炸药配方质量比：RDX∶Al∶粘结剂为61%∶30%∶9%)在不同温度和隔板厚度下进行射流侵彻起爆实验,基于脉冲X光高速照相法,观测射流侵彻过程及炸药爆轰波成长。建立考虑炸药温度变化的射流起爆炸药计算模型,对射流侵彻隔板形成的前驱冲击波起爆炸药进行数值模拟。结果表明：射流侵彻厚隔板形成的前驱冲击波,先于射流到达炸药表面,在传入炸药一定深度后起爆炸药。入射压力介于3.1 GPa和5.13 GPa 之间,炸药发生隔板中前驱冲击波起爆,入射压力高于5.13 GPa为直接冲击起爆。RDX含铝炸药温度对前驱冲击波起爆炸药有很大影响,在25~111 ℃时,随着温度升高,炸药受粘结剂软化的影响为主,RDX含铝炸药对冲击波感度降低;但超过一定温度后,在111~150 ℃时,粘结剂的影响减弱,冲击感度主要受RDX炸药感度的影响,冲击感度又会增加。