固化温度对浇注PBX固化应力的影响

为改进固化工艺,确保浇注高聚物粘结炸药(PBX)的发射安全性,采用自制的间接应力感应器测试了浇注PBX药浆从液态到固态转变过程中应力的变化。研究了固化温度对浇注PBX固化应力的影响。结果表明:热固性浇注PBX固化过程包括从常温到固化温度的快速热膨胀,恒温固化阶段的热膨胀与交联收缩及固化降温时的冷缩变形三个阶段。研究了恒温固化过程中测试瓶的变形。根据变形情况计算了浇注PBX的固化应力。固化温度对PBX变形影响明显。当固化温度为100,90,80,60℃时,浇注PBX在固化过程中的最大热应力分别为2.14,0.72,0.56,0.29 MPa;固化过程的收缩应力分别为0.29,0.25,0.24,0.21 MPa,显示固化温度对恒温阶段固化热应力及收缩应力影响较大,固化温度越高,固化热应力及收缩应力越大。可以根据固化过程的应变-时间曲线,采取前期低温固化以减小固化应力,在固化应力变化平稳的后期升高温度以提高效率的变温固化工艺。     

RDX基PBX药柱烤燃过程的数值模拟

为合理评估炸药的热安全性,采用自主编写的有限元软件—"含能材料动态响应数值模拟软件",对黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)药柱的烤燃过程进行了数值模拟,实现了炸药多步热分解反应的动力学过程。探索了点火区域各组份质量分数随温度的变化规律。结果表明,400 K时,初级热分解反应开始加速,450 K时次级分解反应明显发生,至460 K时,第三步热分解反应开始加速,气体终产物逐渐积累,当气体终产物质量分数为0.006%时,发生点火。此外,随着升温速率增加,炸药点火时间急剧衰减,中心点温度下降。     

浇注PBX固化行为的实验与模拟

采用动态流变学实验对浇注高聚物黏结炸药(PBX)固化过程的宏观性质表现进行了测试。结果表明,PBX的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随固化时间逐渐增大,且G′逐渐接近并超过G″,二者最终趋于稳定。通过分子动力学方法模拟了PBX黏结剂端羟基聚丁二烯(HTPB)与交联剂甲苯二异氰酸酯(TDI)之间固化反应的微观过程,并对体系固化各阶段的力学性能进行了计算。模拟结果与流变实验结果之间具有较高的一致性,说明分子动力学模拟可为PBX的固化行为研究提供微观信息。     

浇注PBX力学性能的研究进展

从材料特性、力学行为特征、本构模型和实验手段四个方面详细论述了浇注高聚物粘结炸药(PBX)力学性能的研究进展,指出动态力学测试及材料本构是目前研究浇注PBX的热点和难点。认为可以通过借鉴粘弹性模型、橡胶超弹性模型及推进剂模型建立浇注PBX的本构模型,并指出需要结合浇注PBX含能敏感、软材料和大变形特性来选择和改进现有的测试技术。对力学性能预测、动态实验技术及数值模拟等方面需要开展的工作提出了一些看法。     

PBX药柱温升过程中的性能变化研究

为全面了解温升过程中PBX药柱温度、应力和尺寸变化情况,利用瞬态-应力耦合有限元法对药柱温升过程进行模拟。结果显示:药柱温升过程中,热量逐渐向内部传递,初始升温阶段应力增大很快,最大达到2.37MPa,随着内外温差的减小而逐渐减小;药柱尺寸增大,密度减小约0.008g.cm-3。通过模拟可以初步确定药柱温升过程内部应力变化规律,预估尺寸和密度变化量,优化设计了一种炸药加热工艺,即将加热分四段进行,尽量降低升温速率,保证至少1800s的恒温时间。     

聚能射流对带壳浇注PBX装药的撞击响应

为研究聚能射流对带壳浇注高聚物粘结炸药(PBX)的引爆特性,利用弹径Ф82 mm的聚能装药形成了一种直径细、速度大于7000 m·s-1的高速射流,以及一直径较粗、速度约5000 m·s-1长杆状射流,分别对覆盖有210,255 mm和165,210 mm两组不同厚度钢板的PBX进行了撞击试验。采用高速摄影观测分析了射流撞击下带壳PBX点火引爆的反应过程。用LS-DYNA软件验证了试验结果,得到了不同射流对PBX的引爆能量值。结果表明:弹径Ф82 mm的聚能装药形成的射流能够可靠引爆覆盖小于255 mm厚钢板的浇注PBX,能满足反导弹战斗部毁伤厚壳体目标的需求。     

PBX压制过程中细观力学行为的二维数值模拟

应用圆形近似,建立了炸药颗粒随机分布的细观力学模型。进行了基于物质点法的奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)炸药压制过程中力学行为的数值模拟。重点分析了压制过程中体系的应力和温度的变化以及晶体颗粒的变形。模拟结果表明,压制过程可以分为整合和巩固两个阶段。在整合阶段,颗粒受到压力而重新排列,应力产生于颗粒与压缩面的接触部分,并形成了多条的应力链。应力链沿炸药颗粒间的接触面向上和向下传播,体系在受力的过程中温度逐渐升高,体系局部最大温升为10K。体系进入巩固阶段的塑性形变过程后,内部应力梯度减小,同时体系内部明显存在温差,最大温差为20K。     

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。     

基于光纤光栅的PBX声发射监测方法

为解决传统压电传感器(piezoelectric,PZT)不能植入弹药内部监测高聚物粘结炸药(polymer bonded explosives,PBX)损伤问题,利用可调谐窄带光源搭建了基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)微细传感器的PBX声发射监测系统(FBG-AE),开展了PBX单轴拉伸、压缩及断铅实验,对比了FBG与PZT两种传感器的信号特征;同时还开展了FBG方法的环境适应性、信号方向敏感性等研究,以验证该监测系统的基本性能。研究结果表明:虽然试验中FBG信号幅值略低于PZT,但也能产生毫伏级以上输出信号,可以应用于PBX损伤在线监测;在环境温度与变形场分别小于±3℃或±25με范围内时,该FBG-AE系统能够有效监测到PBX上产生的断铅信号;FBG对AE信号方向具有敏感性,在90°和270°方向(即垂直于FBG轴向方向)信号幅值最低,提出并验证了采用弯曲粘贴FBG方法可以减小声发射监测方向敏感性差异,有利于提高PBX损伤定位精度。     

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.     

基于线性Drucker-Prager模型的PBX准静态弹塑性变形分析

根据高聚物粘结炸药(PBX)的力学特性,将线性Drucker-Prager模型引入到PBX材料的弹塑性变形研究中。基于线性Drucker-Prager模型,结合经典塑性理论,分析了PBX准静态弹塑性变形过程。明晰了其后继屈服面的特征,推导了其刚度算法,构造了其弹塑性本构模型。从理论上分析了单轴压缩状态、双轴压缩状态条件下的应力应变关系。利用线性Drucker-Prager模型模拟了PBX材料的单元特性。结果表明,其单轴压缩模拟结果和双轴压缩模拟结果均与理论分析结果、实验数据一致。经对比,双轴压缩的极限强度是单轴的1.16倍,相应塑性应变是其0.5倍。     

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。     

高格尼能钝感浇注PBX设计及性能

通过系列浇注高聚物粘结炸药(PBX)的爆轰性能,拟合得到爆速与HMX含量的线性关系,研究了HMX颗粒特性及钝感剂含量对混合炸药机械感度的影响。结果表明,采用高品质HMX和3%的钝感剂时,混合炸药的安全性最好。在此基础上设计制备了一种组成及性能与B2273A(HMX/丁羟粘结剂90/10)接近的HMX基高固相浇注PBX炸药GO-1(HMX/丁羟粘结剂90/10)。其摩擦感度和撞击感度分别为5%和0,冲击波感度I50为17.7 mm,爆速为8587 m·s-1,格尼系数为2.80,爆轰性能、金属加速能力和安全性能优良,该炸药在枪击试验、烤燃试验中均为燃烧的低反应等级。     

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。     

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。     

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。     

PBX炸药及其模拟材料冲击损伤的试验研究

文中利用轻气炮驱动飞片加载技术对JO-9159炸药及其模拟材料样品进行了冲击加载,使其产生损伤,利用锰铜压阻计测量了试件的冲击压力。通过扫描电镜（SEM）对回收样品进行了显微观察．分析比较了炸药和模拟材料在冲击载荷作用下的损伤破坏模式。结果表明两者都具有脆性材料的损伤破坏特征,相对于PBX炸药模拟材料具有更明显的脆性特征。在细观上,PBX和模拟材料的损伤破坏模式是以微裂纹为主的脆性损伤,模拟材料的破坏主要表现为造型粉颗粒的破裂、破碎形成裂纹,而PBX炸药主要表现为颗粒之间的脱粘,并伴有颗粒的破碎。