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.     

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。     

PBX模拟材料内应力激光超声掠面纵波检测方法研究

为了验证激光超声技术检测高聚物粘结炸药(PBX)内应力的可行性,建立了基于激光超声掠面纵波的PBX模拟材料内部应力状态新型高效无损检测方法。搭建了PBX模拟材料试件应力在线激光超声无损检测实验平台。测量了不同加载状态下激光超声掠面纵波信号。结果表明,PBX模拟试件在受到1 MPa以上应力时,超声掠面纵波的传播方向与应力方向平行时声速变化明显。声速相对变化量与应力呈近似线性增加的关系,随着应力的增加,超声掠面纵波的声速随之增加。初步验证了激光超声掠面纵波对于PBX模拟材料内部应力状态检测的可行性。     

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。     

非线性超声技术检测TATB基PBX微损伤

针对高聚物粘结炸药(PBX)初始损伤及疲劳损伤问题,利用自行建立的非线性超声测试装置,对模压成型的两种密度三氨基三硝基苯(TATB)基PBX圆柱形试样及其在压缩疲劳过程中的非线性超声参量进行了测试,用断貌分析和计算机断层扫描(CT)验证了非线性超声检测结果。结果表明,与内部初始损伤程度较低的TATB基PBX试样相比,内部存在明显界面损伤的TATB基PBX试样的非线性超声系数明显偏高,非线性超声系数与TATB基PBX初始损伤程度之间有一定的相关性;在TATB基PBX试样疲劳加载至即将产生微裂纹时,非线性超声系数急剧增加并在产生宏观裂纹时达到极值,显示非线性超声参量可监测TATB基PBX疲劳损伤发展过程;TATB基PBX初始损伤程度不同其疲劳损伤速度和发展过程也不尽相同。     

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）

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。     

温度对RDX基PBX压制成型内部质量的影响

针对黑索今(RDX)基高聚物黏结炸药(PBX)压装成型易出现裂纹损伤的问题,利用X射线、超声和密度检测等手段研究了压制温度、降温速率和升温速率对Φ60mm×60mm RDX基PBX药柱裂纹影响。结果表明:在药柱压制过程中增加保温,控制药柱冷却温度不低于45℃,降温速率和升温速率不超过5℃·h-1,可以有效地减少或消除药柱内部裂纹;提高压制温度,有利于提高药柱加工性能,改善炸药质量。     

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。     

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。     

大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长。为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波（SH波）的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测。建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化。在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证。结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据。     

壳体约束下浇注PBX的温度适应性

为研究壳体约束条件下浇注高聚物黏结炸药(PBX)的温度适应性能,制备了组分为奥克托今(HMX)/端羟基聚丁二烯(HTPB)/2,4-甲基二异氰酸酯(TDI)的炸药,分别装填Ф20 mm×20 mm、Ф15 mm×65 mm、Ф100 mm×200 mm、Ф150 mm×300 mm和Ф200 mm×400 mm五种尺寸的试样,其中后者三种较大尺寸的试样还分为无缺陷和有预制缺陷两种形式。利用-55~70℃温度冲击和温度循环试验,研究了浇注PBX的内部损伤、壳体外部温度和应变以及炸药尺寸、密度和力学性能变化。结果表明,温度冲击和温度循环试验后,浇注PBX没有明显的热损伤,原有缺陷也没有明显扩展;随着试验件尺寸的增大,通过升降温达到温度平衡所需的时间延长,高低温应变变化呈现减小的趋势。试验后炸药密度增大0.001 g·cm~(-3),拉伸强度和压缩强度分别提高了0.12 MPa和0.55 MPa。     

一种HMX基PBX炸药在热与落锤撞击复合作用下的响应特性

为了研究炸药在热与撞击复合作用下的安全性,采用自行设计的试验装置,对Φ20mm×8mm的HMX基PBX进行了20~170℃范围内不同温度下50kg落锤撞击试验。试验中利用压力传感器测试撞击过程中炸药受力变化。利用高速摄影系统拍摄炸药撞击点火过程。获得了PBX炸药在不同温度下的撞击响应特性。结果表明,成型PBX炸药的撞击安全性与温度密切相关,其中82℃时撞击安全性提高,170℃时撞击安全性明显变差。在20~170℃范围内,随温度升高,PBX炸药的撞击感度先降低而后逐渐提高,这与PBX炸药在高温下的力学性能发生变化、热膨胀、热分解导致的损伤以及HMX发生晶型转变等因素有关。     

快中子照相在武器质量检测中的可行性研究

为研究快中子照相技术(FNR)在武器质量检测中的可行性,以公开的武器模型数据建立模拟模型,利用Monte Carlo(MC)方法对快中子照相在武器质量检测中的安全性进行评估,由评估数据得出在14.1 Me V快中子累计照射2×10~8n条件下,铀、钚两种裂变材料损伤极小。同时,参考国外研究模型和预设缺陷,设计加工了类比模型实验样品,通过实验和模拟相结合的方式对武器检测中可能出现的内部狭缝、圆孔和中心位移等问题进行研究。实验结果表明FNR可以识别5 mm钢包裹条件下的1 mm的狭缝缺陷。模拟结果显示FNR可以实现对特定厚度的特殊材料进行中心位移缺陷诊断,模拟评估和实验结果表明快中子照相技术在武器质量检测中具有可行性。     

高致密球形黑索今晶体结构对高聚物粘结炸药安全性能的影响

为探索炸药晶体结构对其安全性能的影响,通过分子动力学模拟和实验相结合的方法开展高致密球形黑索今（RDX）晶体结构对高聚物粘结炸药（PBX）安全性能影响的研究。采用X射线 单晶衍射测试高致密球形RDX的晶体结构,并根据晶体结构数据,通过分子动力学模拟方法对比高致密球形RDX和普通RDX基PBX的安全性能。为验证分子动力学模拟结果的准确性,制备以高致密球形RDX和普通RDX为基的浇注PBX,采用直接起爆法和卡片式隔板法测试浇注PBX的雷管感度和冲击波感度。分子动力学模拟与实验结果表明：高致密球形RDX是内部缺陷少、形状趋于球形的单晶体,晶胞密度较普通RDX提高2.6%;高致密球形RDX基PBX比普通RDX基PBX的结合能提高289.30 kJ/mol,内聚能密度提高0.022 kJ/cm³、引发键最大键长减小0.02 ,高致密球形RDX基PBX的安全性能更好;在配方比例相同条件下,高致密球形RDX基浇注PBX的雷管感度和冲击波感度比普通RDX基PBX确实有所降低,与分子动力学模拟结果相符,验证了模拟计算的准确性。     

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。     

固化温度对PBX炸药结构和力学性能的影响研究

PBX(高聚物粘结炸药)固化后的内部结构直接影响其安全性,影响PBX结构形成的外界因素成为控制PBX安全性的主要条件。本文研究了不同固化温度下PBX的粘结强度、压缩强度和微观结构。结果表明:固化温度从60℃逐渐增加至100℃时,分子量为1 500的HTPB的粘结强度从342k Pa降为280k Pa;分子量为2 800的HTPB的粘结强度从389k Pa降为310k Pa;分子量为3 400的HTPB的粘结强度从399k Pa降为352k Pa;分子量为4 000的HTPB的粘结强度从390k Pa降为354k Pa。在此温度区间内,随着温度的增加,固化后PBX沿径向的压缩强度梯度增加,PBX粘结剂出现鼓包和裂纹及固体颗粒的裸露现象。从PBX内部性能的均匀性和安全性考虑,选取固化温度为60℃的固化工艺。     

浇注炸药PBX-1侵彻安定性试验与数值模拟

为了研究浇注型高聚物黏结炸药(PBX?1)在侵彻过程中的安定性,开展155 mm火炮发射平头试验弹侵彻混凝土靶板试验,获得了该试验条件下装药安定的临界侵彻速度约为490 m·s^-1。基于黏弹性统计裂纹(Visco?SCRAM)模型,采用流固耦合方法模拟了安定性试验中装药的力学响应,计算了装药黏弹性变形和宏观裂纹损伤导致的温升。数值模拟结果与试验结果相一致,试验弹弹体侵彻后无明显的变形和破坏,但浇注PBX炸药在侵彻过载下发生大变形流动,部分装药从尾部缝隙挤出并发生了局部点火反应;侵彻过程中装药尾部会与药室底部发生高速碰撞,形成局部高压区,最高压力超过500 MPa,装药尾部变形和损伤严重,装药尾部在碰撞和挤出时,温度会急剧升高,从而导致意外点火。     

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。