PBX模拟材料压剪应力状态下的幂函数M-C强度准则与失效特性

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)在压剪复合应力状态下的强度特性,采用变角剪切加载方法进行了0°,15°,30°,45°,60°,75°以及90°的压剪实验研究;建立了PBX模拟材料的幂函数Mohr-Coulomb(M-C)准则,并对其围压强度进行了预测;利用SEM对压剪加载下的细观失效特性进行了分析。结果表明,PBX模拟材料在加载角度θ为0°,15°,30°,45°时主要表现为沿压剪面剪切的破坏模式,在θ为60°,75°,90°时表现为剪切和张裂的混合破坏模式;在剪切破坏模式下,随着压应力的增加,PBX模拟材料剪切强度呈非线性增加的趋势,细观损伤会从颗粒剪断、破碎逐步发展到次生裂纹的形成与贯通。分析发现,幂函数M-C模型适用于描述PBX模拟材料剪切强度的非线性变化规律,拟合得到的强度准则能较为准确地预测不同围压下的轴向压缩强度;压应力增加引起的内摩擦阻力增大和颗粒破碎、次生裂纹等引起的内摩擦系数降低是导致PBX模拟材料剪切破坏强度随压应力增加而非线性增加的重要原因。     

SHPB实验加载方式对PBX炸药力学响应的影响研究

高聚物粘结剂炸药(PBX)炸药的损伤本构关系是炸药安全性研究的重要基础课题之一。研究PBX炸药的损伤本构关系需要建立在准确获取和认识PBX炸药的动态力学响应基础之上。为此,针对某PBX炸药的SHPB实验,详细探讨加载方式的细节设计对PBX炸药力学响应的影响。通过采用不同应变加速度、不同加载脉宽以及重复加载等方法,分析了不同加载条件对PBX炸药力学响应的影响,并获得了一系列不同加载脉宽、不同加载应变率的应力应变曲线。采用扫描电镜观察回收试样最终损伤形态,分析了PBX炸药动态单轴压缩下的损伤发展过程及其在应力应变关系上的表现。结果表明:应变加速度过大仍会对PBX炸药形成一定的冲击加载,造成额外损伤;经历动态单轴压缩后破坏的试样表现为晶体多次穿晶断裂甚至碎裂;典型PBX炸药的损伤本构关系可从微裂纹的产生、稳定扩展,穿越晶界失稳扩展来描述。     

炸药冲击损伤的实验研究

采用低速气炮对B炸药和PBXN—5高聚物粘结炸药进行冲击损伤加载。通过控制弹速对试样进行不同程度的损伤，同时记录冲击加载过程中应力变化过程。对冲击损伤形貌进行显微观察，同时对冲击损伤前后试样密度和声衰减进行测量。结果表明，B炸药和PBXN—5炸药均表现出脆性材料的损伤特征，但其材料组成上的不同也导致了二者损伤特征有所差异。     

落锤冲击加载下炸药基体内不同粒度AP颗粒破碎特征

为研究炸药基体内不同粒度高氯酸铵(AP)颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征,用中粒径为6~8,130,300μm的AP制备了三种AP/HTPB样品,用落锤冲击加载损毁样品。回收冲击试验后样品,用扫描电镜(SEM)研究AP颗粒的破碎特征。分析炸药基体内不同粒度AP颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征。结果表明,冲击加载后,三种样品内的AP颗粒均发生脆性破裂,部分晶体上清晰可见剪切带现象,且粒度越大颗粒破碎越严重。破碎后AP颗粒尺寸均在10~100μm,最小颗粒小于10μm。结合材料剪切理论、AP颗粒破碎特征和破碎尺度,可推断:在落锤冲击下AP颗粒由于样品内部的剪切作用发生脆性断裂,且AP颗粒破碎尺度特征与材料剪切现象中的剪切带尺寸特征相类似。     

基于X射线显微CT的PBX热冲击损伤特征

为研究小尺寸高聚物黏结炸药（polymer bonded explosive,PBX）半球的热冲击损伤特征,针对Φ10 mm TATB基和HNS基PBX半球样品开展了0～100℃水浴温度冲击实验,利用X射线显微层析成像（Micro-computed tomography,μCT）技术研究了样品损伤的三维形态和分布特征,并采用热弹塑性二维轴对称模型对样品温度冲击过程的热传导和热应力进行了模拟分析。CT结果表明温度冲击后2种样品均由边角起裂,其中TATB基PBX半球沿边部环向扩展,形态曲折,具有撕裂和脆断特征;HNS基PBX半球沿轴向基本贯穿,形态平直,具有脆断特征。数字模拟结果表明温度冲击过程中TATB基PBX半球内部产生较强的拉应力,由边角区域至中心区域拉应力先后超过其拉伸强度,导致主裂纹由半球边角区域萌生并向内扩展。样品损伤形态与温度冲击作用下的应力分布特征、黏结剂温度特性吻合。本研究为TATB基和HNS基PBX温度冲击损伤机理分析奠定了基础。     

含预制缺陷PBX模拟材料损伤演变的原位CT研究

为研究初始损伤对高聚物粘结炸药(PBX)在外力作用下结构变化与损伤行为的影响,采用预制缺陷的方式模拟了初始损伤,制备了不含预制缺陷、含斜45°非贯通缺陷以及含斜45°贯通缺陷的3组PBX模拟材料样品,利用经改进的圆弧压头巴西试验加载方式,在X射线CT系统上开展原位研究。通过数字图像处理技术获得了裂纹及孔隙的三维形态、尺寸及空间分布信息。利用ABAQUS软件对试验进行了有限元模拟。结果表明,预制缺陷与巴西试验加载方向呈45°角时,预制缺陷会破坏其加载方式的对称性,样品的损伤行为也会相应发生改变;非贯通缺陷与贯通缺陷对样品的损伤行为的影响有很大区别;含非贯通缺陷的样品会发生分层现象,即表层缺陷对样品损伤行为的影响范围主要集中在含有缺陷的部分;模拟的结果与试验结果吻合较好,在一定程度上解释了试验现象。     

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。     

不同加载形式的PBX炸药巴西试验

为了探讨加载方式对高聚物粘结炸药(PBX)巴西试验结果的影响,对某PBX炸药分别进行了传统巴西试验、30°圆弧巴西试验和橡胶垫巴西试验,得到的间接拉伸强度分别为3.57,5.22,5.48 MPa,与此PBX炸药的直接拉伸试验强度值5.50 MPa相比,只有橡胶垫巴西试验结果与直接拉伸强度最接近。传统巴西试验和30°圆弧加载试验曲线为无效加载曲线,而橡胶垫加载巴西试验曲线为有效加载曲线。在传统巴西试验和圆弧加载巴西试验样品的加载区域除了主裂纹以外还存在一条或多条裂纹,而橡胶垫加载巴西试验样品只有一条主裂纹,没有其它次裂纹。表明,橡胶垫巴西试验方法更适合于测试PBX炸药的拉伸强度。     

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。     

炸药晶粒包覆结构对PBX动态损伤影响的近场动力学模拟

为了研究包覆结构对高聚物粘结炸药(PBX)动态损伤的影响,基于非局域近场动力学理论(Peridynamics, PD),结合Voronoi方法构建了含单层或双层包覆结构的高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive, PBX)的PD计算模型,模拟了不同加载条件下PBX的损伤响应。模拟结果显示,采用粘接剂1包覆时,相比于单层包覆而言,当加载速度分别为20,40 m·s^-1和60 m·s^-1时,双层包覆结构使HMX晶粒的损伤分别降低了42.8%,87.2%和46.8%,明显降低了PBX中HMX晶粒的损伤。HMX晶粒采用单层包覆结构时,损伤模式主要表现为穿晶损伤,采用双层包覆结构时,损伤模式转变为沿晶损伤。研究还得到了双层包覆结构下不同包覆材料对HMX损伤影响的定量结果,并据此得到了不同包覆结构的性能排序。同时发现包覆结构能够影响HMX晶粒内应力状态,从而影响HMX损伤程度。     

压装HMX基PBX老化损伤及力学环境适应性

研究弹药装药的长贮老化损伤及力学环境适应性,用计算机断层成像(CT扫描)观察了贮存4,8,12a的压制奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)装药的宏观结构缺陷。采用扫描电子显微镜(SEM)分析了贮存4,12a装药的细观损伤。运用冲击、振动实验考核了贮存12a装药的力学环境适应性。结果表明,长贮后出现PBX装药缺陷,表现为较为平直的沿径向贯穿、沿周向分布较为均匀的裂纹,裂纹数量随贮存年限增加而增加。装药缺陷的细观损伤模式为界面脱粘及基体开裂。带缺陷PBX装药弹药经受一定的冲击及振动载荷后,虽然增加了两处径向裂纹,但能够保证安全。     

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。     

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。     

基于三种强度准则的PBX Ⅰ型裂纹尖端失效区研究

为了描述高聚物粘结炸药(PBX)裂纹尖端失效区域,采用Mohr-Coulomb、Twin-shear和Drucker-Prager强度准则,对PBXⅠ型裂纹尖端失效区进行研究,得到了描述PBX拉压不对称的裂纹尖端失效区表达式。研究表明,Drucker-Prager强度准则综合考虑了材料拉压比、平均应力及偏应力等因素,求解的裂纹尖端失效区相对最大。材料拉压比对裂纹尖端失效区有着显著影响,拉压比越小,材料拉压不对称越严重,裂纹尖端失效区越大。温度对PBX材料综合力学性能影响很大,60℃下裂纹尖端失效区较20℃下显著增大。     

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。