酚醛层压复合材料冲击动力学行为及其在雷管模具中的应用

发布时间：2020-05-13 00:03

【摘要】：酚醛层压复合材料是一种纤维增强复合材料,具有耐冲击、耐磨损、减振吸热等性能,且密度适中,越来越多地应用在导弹、火箭、炮弹等零部件的生产中。为研究酚醛层压复合材料结构在受到爆炸、冲击作用所引起的动态响应和内部损伤,以及评估其爆炸防护性能,本文对该材料的冲击动力学行为、爆炸冲击波在其中的传播特性,及其在雷管模具中的应用进行了研究。首先,对酚醛层压复合材料进行了应变率10~（-3）s-1～103s~（-1）范围内的准静态压缩实验和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,得到了相应的应力-应变曲线。在SHPB实验中,采用波形整形技术将矩形入射脉冲整形为近似幂函数入射脉冲,拉长入射脉冲上升沿,增加梯形波上升时间,减少了弥散效应引起的高频振荡;分析了在SHPB实验中影响试件早期应力平衡的外部因素,给出了早期应力均匀性改善的方法,得到了比较准确的应力-应变曲线。结果表明,酚醛层压复合材料的峰值应力和破坏应变具有强烈的应变率效应,与准静态(1.67×10~（-3）s-1)时相比,动态载荷(7×10~2 s~（-1）)下的材料峰值应力和破坏应变有着明显的变化,峰值应力增加了约10倍,破坏应变减少了约一半;材料随着加载应变率的提高,屈服应力增大,具有应变率硬化效应;屈服应变随着应变率的增大而减小,高速冲击造成材料发生了韧性转化;动态加载条件下的应变率敏感性要高于准静态,具有明显不同的应变率相关性,且有两个主要松弛时间,证明酚醛层压复合材料是一种非线性的粘弹性材料。分析发现,酚醛层压复合材料在准静态载荷下,具有明显的沿试件径向的层状破坏特征;在动态载荷下,具有明显的劈裂状特征,材料自身的特点造成破坏模式的不同。借助具有两个主要松弛时间的朱-王-唐(ZWT)非线性粘弹性本构关系,建立了酚醛层压复合材料的非线性动态本构响应的模型,在不考虑损伤及热软化对材料力学性能影响的情况下,利用2组低应变率实验数据和2组SHPB实验得到的高应变率实验数据,拟合得到了本构方程的7个参量—线弹性模量E_1和E_2,松弛时间间θ1和θ,弹性常数E0、α和β。比较实验结果和本构关系的拟合结果,发现拟合曲线与实验结果吻合较好,说明建立的本构模型能够较好地在大应变率范围内描述酚醛层压复合材料的力学行为。利用ω-Γ公式计算了钝化黑索今(RDX)的爆压和爆速,通过作图法得到了钝化RDX药柱与酚醛层压复合材料隔板界面处的爆炸冲击波初始参数。根据密实介质中冲击波衰减规律,用经验公式计算得到了钝化RDX爆炸冲击波在材料隔板中的衰减规律。根据建立的酚醛层压复合材料本构模型,采用AUTODYN软件对钝化RDX爆炸冲击波在其中的衰减规律及传播轨迹进行了数值模拟,得到爆炸冲击波受到稀疏波以及隔板材料粘性阻尼损耗的影响,冲击波强度随着隔板厚度的增加逐渐下降。采用锰铜压阻传感器实验测量了钝化RDX药柱爆炸冲击波在不同厚度酚醛层压复合材料隔板处的峰值压力,并以此为基础,计算得到不同厚度材料隔板处的冲击波速度、波后质点速度和密度,拟合出了冲击波压力、速度、波后质点速度、密度在隔板材料中的衰减规律。经与经验公式、数值模拟结果比较,表明采用锰铜压阻传感器能够较准确地测量爆炸冲击波在酚醛层压复合材料隔板中传播时不同厚度处的峰值压力。最后,利用压电式石英传感器实验测量了不同数量雷管在酚醛层压复合材料制模具中爆炸冲击波的峰值压力,以及纸盒包装100发雷管爆炸冲击波峰值压力,拟合得到了冲击波压力在空气中衰减规律。根据空气冲击波超压对暴露人员的伤害程度,得到工业雷管生产线传送过程模具中有50发雷管时,避免“中等”、“严重”、“极严重”伤害时的安全防护距离。通过定量分析可知,模具对其中雷管爆炸冲击波有较好的吸收作用,但是,雷管在模具中爆炸,模具自身形成的破片容易造成二次破坏,在设定安全防护距离时应予以考虑。采用升降法得到不同种类盒装100发雷管的殉爆安全距离,并分析了其距离不同的原因,指出生产线上预防整盒雷管殉爆时,不仅要关注雷管爆炸冲击波,还应考虑雷管热爆炸气体的影响。
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万能实验机

试件进行了单轴压缩实验，研宄加载应变率对ＰＭＭＡ对高度为２５ｍｍ填充有聚氨酯发泡剂的玻璃纤维整体，以测量该种材料的静态力学性能，，获得该材料的力寸对材料力学响应可能产生影响，所以在本章中所有的尺寸相同的试件。实验所用试件由３７２３酚醛层压棒为0１３ｍｍｘｌ0ｍｍ，加工时保持试件两个端面间良好的学性能实验逡逑实验在南京理工大学化工学院的ＣＭＴ４２５４万能实验式，加载压缩速率根据试件的高度计算从而进行设置，ｌ0＿２ｓ－、１．６７ＸＨＴＹ１，每个应变率重复５次＾邋ＣＭＴ４２５４、塑料等材料，能做到精确控制加、卸载应变率，实

应变率,准静态压缩,准静态,加载条件

图２－２准静态加载条件下不同应变率的应力－应变曲线逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TQ565.2

【参考文献】