TATB基PBX双曲Drucker-Prager强度准则适用性分析

为准确建立三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘接炸药(PBX)材料的强度准则,通过自主研制的主动围压试验机获取了不同温度(22.5,35,50℃),不同围压(0～10 MPa)下材料的强度;根据单轴拉伸、单轴压缩以及围压压缩实验数据,采用传统Drucker-Prager(D-P)以及双曲D-P强度准则分别建立了不同温度下TATB基PBX材料的强度模型,并分析了其对于强度实验数据的预测精度。结果表明,双曲D-P强度准则对于22.5,35,50℃下强度实验数据的预测相对误差最大分别为2.41%,3.46%,5.22%,均方根误差分别为0.42,0.38,0.44 MPa,优于传统D-P强度准则结果;对于间接三轴拉伸和压缩破坏应力状态的预测,其相对误差分别为4.93%和12.14%,总体上均优于传统D-P、Mohr-Column、双剪以及单轴强度准则。考虑中主应力影响且处处正则的双曲D-P强度准则能准确预测不同温度下TATB基PBX材料的强度特性。     

浇注PBX替代材料的准静态压缩力学行为及本构模型标定

为研究高聚物粘结炸药（PBX）的准静态压缩行为,对两种典型配方（含铝粉与否）的浇注PBX替代材料在不同应变率下进行单轴准静态压缩试验,并对其力学性能进行了对比分析。同时基于朱-王-唐（ZWT）模型提出一种新模型来描述材料的准静态压缩行为,通过遗传算法获取本构模型参数,并使用Fortran语言在Abaqus有限元软件的用户材料子程序（UMAT）接口中进行本构模型的建立。结果表明：浇注PBX替代材料的准静态压缩过程可分为弹性压缩、应力衰减以及失稳破坏3个阶段;准静态压缩力学行为与应变率有明显的相关性,随着应变率的提高,材料的有效压缩应变基本不变,而压缩模量、屈服强度和压缩强度的对数与应变率对数近似呈现出线性关系;铝粉的加入使浇注PBX替代材料压缩模量、屈服强度和压缩强度均有所提升。新构建的本构模型能较好描述浇注PBX替代材料的准静态压缩行为,使用有限元软件对本构模型普适性进行验证,得到仿真计算结果与试验结果间可决系数R2均大于0.98,吻合程度较高。     

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.     

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。     

基于SVM算法的TATB基PBX单轴准静态应力应变关系

以1,3,5?三氨基?2,4,6?三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)材料为研究对象,在-40～75℃下开展了准静态的单轴拉伸、压缩试验,获得了预设17个温度点下的应力应变关系数据;以温度、应变为自变量,应力为因变量,基于支持向量机(SVM)算法对拉伸压缩条件下的应力应变关系进行了描述,并对构建的关系式进行了误差分析。结果表明,在-40～75℃内,材料的拉伸强度和压缩强度均随温度的升高而劣化,应力应变曲线的非线性和拉压非对称性特征变化明显;同时,采用一组参数基于SVM算法实现了不同温度下TATB基PBX拉伸压缩应力应变关系的描述,解决了模型参数常随温度变化的问题,构建的关系式平均绝对百分比误差不超过7.77%,相关系数均大于0.998,表现出了良好的适用性。     

TATB基PBX的准静态拉压非线性本构模型及其应用（英）

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。     

基于修正时间硬化理论的PBX蠕变模型

对比分析了现有的PBX蠕变模型,提出运用基于修正时间硬化理论来模拟机械加工过程中的蠕变行为,该模型有紧凑的数学表达式和较少的待定参数.为验证模型的有效性,选取以奥克托今(HMX)为基的PBX进行常温条件下的压缩蠕变试验并进行了模型研究,确定了全部模型参数.采用有限元软件对圆柱体压缩试样的压缩蠕变实验进行仿真.理论分析以及有限元数值仿真表明该模型用于仿真计算时,其结果与试验获得蠕变数据相当吻合,可以运用于PBX部件加工的形位变化仿真.     

准静态加载下HMX基PBX断裂行为的温度效应

为了研究温度对准静态加载下奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)断裂行为的影响规律,利用半圆盘弯曲(Semi-circular Bending, SCB)准静态断裂试验,采用数字图像相关法(Digital Image Correlation Method, DICM)和基于裂纹扩展计(Crack Propagation Gauge, CPG)的裂纹扩展速率测试系统,研究了25,35,45,55,60℃和65℃下HMX基PBX的断裂特征、断裂阻力、损伤容限和裂纹失稳扩展速率。结果表明,随着温度升高,HMX基PBX断裂特征从脆性断裂逐渐转变为韧性断裂,表征裂纹起裂阻力的断裂韧度显著降低,损伤容限有一定的增强。半圆盘准静态弯曲脆性断裂条件下,裂纹失稳扩展速率在扩展路径上呈现出慢-快-慢的规律,最高速率约370 m·s^-1,温度升高导致裂纹失稳扩展速率有一定程度的降低。     

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...     

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。     

基于分形方法的高聚物粘接炸药热导率预测模型

采用颗粒随机填充模型和分形理论,提出了基于分形维数的高聚物粘结炸药(PBX)热导率计算模型,利用该模型对填充率为20%、40%、50%、60%、80%、90%和95%的TATB基PBX的热导率进行了计算,使用闪光法对相应填充率下PBX的热导率进行了实验验证。结果表明,在20%的填充率下,本研究的热导率模型计算值与实测值的误差为20.2%,40%的填充率时达到32.8%,随着填充率进一步增加,预测误差趋于减小,在填充率为95%时误差为15.0%;PBX的热导率随着T AT B填充率的增加而升高,且本研究模型的预测结果优于半经验Hamilton-Crosser模型。     

基于间接三轴拉伸破坏试验的某TATB基PBX强度准则适应性分析

强度问题关系炸药部件的结构完整性和服役安全性,是炸药部件结构强度评估的基础。基于单轴加载技术,设计了圆柱试件的端部约束拉溃试验,研究了三轴间接拉伸破坏时某TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的强度特性。依据试验边界条件,利用有限元方法定量分析了临界载荷下试件内部的应力场,最后采用最先破坏位置的三向主应力数据分析了三种典型强度准则(Uniaxialstrength,Mohr-Coulomb,Twin-shear)描述三轴拉伸破坏的适应性。就安全阈度而言,现炸药工程中使用的Uniaxial-strength准则,三轴压缩时安全阈度最高,达43.77%,但也不能安全预测三轴拉伸应力下该PBX的破坏行为;就描述精度来看,Uniaxial-strength准则最优,Mohr-Coulomb准则次之,Twin-shear准则最差,试验值均比理论值偏大,三者依次为16.90%、19.62%和24.56%;试验中该TATB基PBX三轴拉伸应力下的强度为单轴拉伸强度的0.831倍,Mohr-Coulomb准则不能准确描述三轴拉伸应力下强度下限,分析表明静水压力的影响是造成这一结果的关键原因,建立高描述精度的多轴强度准则须考虑静水压力的影响。     

一种浇注PBX固化过程的实验与数值模拟

为研究浇注高聚物粘结炸药(PBX)固化工艺过程中温度场和应力场的变化规律,用布拉格(Bragg)光栅在60℃下测试了其固化过程的温度场。采用有限单元法进行了其固化工艺过程温度场和不同换热系数条件下的应力场的数值模拟。结果表明:固化前期药柱温度高于60℃。其中心部位温度可达65℃。温度由中心部位到模具内壁呈递减趋势。温度梯度在3.88×105 s时最大。应力集中区域主要分布在药柱下半部分。随着模具和药柱之间换热系数的增大,有效应力集中面积和最大有效应力相应增加。当换热系数为12 W·m-2·K-1时药柱在3.88×105 s有效应力集中区域最大,最大有效应力为6.69kPa。     

热老化对TATB基高聚物粘结炸药力学性能的影响

对某TATB基高聚粘结炸药(PBX)进行了55～75℃加速老化试验,并对老化前后的样品进行了不同温度下压缩性能、拉伸性能和弯曲蠕变实验,用扫描电子显微镜对老化前后炸药高温拉伸断口形貌进行了观察。结果表明:长期高温贮存后,TATB基高聚物粘结炸药晶体与粘合剂仍具有良好的粘合界面,其模量、破坏强度、破坏应变和稳态蠕变速率等力学性能指标均未发生明显的变化。     

TATB基PBX界面热阻研究及导热系数预测

为研究TATB基高聚物粘接炸药(PBX)中炸药晶体与粘结剂之间的界面热阻,采用在TATB单质药片上涂覆氟橡胶层的方法,制备了TATB基PBX单层界面样品,并通过纳米压痕法获得了界面样品氟橡胶层及界面层厚度,利用激光热导仪测得TATB/氟橡胶界面层在293,303,313,323,333 K下的导热系数分别为6.18×10~(-3),6.53×10~(-3),9.87×10~(-3),2.16×10~(-2),7.72×10~(-3)W·m~(-1)·K~(-1)。基于界面导热系数与热阻的关系,建立含界面热阻的PBX导热系数预测模型,获得了某型PBX导热系数理论值,理论计算结果与实测值吻合性较好。     

TATB基PBX界面粘结改善研究进展

对近年来提高和改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)界面粘结的方法进行了综述,从TATB特殊的分子结构出发,讨论了粘结剂的选择以及界面之间相互作用的评估,从理论模拟的角度分析了氟聚合物与TATB间的相互作用。重点阐述了炸药表面改性、偶联剂对界面改善的影响。指出了重点发展的三个方向:粘结剂结构设计、偶联剂加入、新型包覆方法。     

FOX-7基浇注型PBX安全性能

为了提升奥克托今(HMX)为基的浇注型高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)的安全性能,在配方中引入部分1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)替换HMX,研究了FOX-7对配方的热安定性、机械感度、冲击波感度、静电火花感度等安全性能的影响规律。结果表明,在引入FOX-7后,与HMX基浇注型PBX配方GO-1相比,配方GOXL-A的摩擦感度降低;在快速烤燃、慢速烤燃试验中的响应时间分别延长了58.8%、18.5%,并通过了升温速率为3.3℃·h~(-1)的极不敏感物质(EIS)缓慢升温试验考核;其冲击波感度显著降低,隔板厚度(L_(50))较GO-1降低了15.7%,50%临界起爆压力(p_(50))提升了9.5%;其静电火花感度显著降低,50%发火电压(V_(50))与50%发火能量(E_(50))分别提升65.3%和187.5%。     

TATB基高聚物粘结炸药的蠕变特性研究

研究了一种含TATB的高聚物粘结炸药(PBX)的蠕变性能及其蠕变柔量函数形式。不同温度下的压缩破坏实验表明，其力学性能与温度强烈相关，实验中得到一个明显的转变温度区间(40-60℃)。多个温度条件下的压缩蠕变实验表明，高聚物粘结炸药可以视为简单热流变材料，符合时温等效原理。选取55℃作为参考温度，获得长时蠕变主曲线和柔量曲线。利用7级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与试验叠合主曲线能很好地吻合。     

TATB基高聚物粘结炸药高温力学性能

为分析TATB基高聚物粘结炸药(PBX)在高温状态下的性能变化,对该高聚物粘结炸药在不同温度下的压缩性能、拉伸性能、蠕变性能及泊松比进行了测试,并采用扫描电子显微镜对其高温蠕变断面形貌进行了观察。结果表明,该高聚物粘结炸药的压缩强度、拉伸强度、抗蠕变持久应力及持久时间均随温度升高而降低,其泊松比随温度升高无明显变化; 在高温70 ℃、拉伸应力为3 MPa下,该PBX拉伸蠕变破坏模式主要为炸药颗粒与粘结剂脱粘,而在相同拉伸应力、温度为50 ℃和60 ℃下,其拉伸蠕变破坏模式还表现为炸药颗粒断裂。