PBX裂纹扩展的细观及宏细观耦合数值模拟研究

发布时间：2020-07-08 00:59

【摘要】：高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosives,PBX)是武器杀伤,破坏和动力能源的关键性材料,现代武器系统发展迅速,PBX作为其重要组成部分,其安全性问题十分重要,PBX的损伤、断裂等力学性能的研究也越来越受到重视,需要从多角度出发,综合运用理论,试验,数值模拟的方式进行相关研究,而宏细观耦合数值模拟是连接材料宏观响应和细观机理的有效手段,因此本文关于高聚物粘结炸药的细观及宏细观耦合裂纹扩展的研究对其力学特性的探索具有重要意义。本文的主要研究对象为PBX炸药。本文首先研究PBX炸药的本构关系以及裂纹扩展准则,并确定了利用扩展有限单元法来对PBX构件进行裂纹扩展数值模拟,根据PBX材料在光学显微镜下的实际细观结构,通过matlab平台编写程序建立Voronoi模型以及随机颗粒模型,然后通过Python语言导入有限元软件中生成结构的细观有限元模型。其次,使用前述所建立的PBX材料细观有限元模型对炸药裂纹扩展行为进行数值模拟,分析不同细观结构、载荷形式、颗粒含量等对PBX材料力学性能的影响,得到PBX细观模型的裂纹扩展规律。最后,通过建立PBX炸药三点弯曲梁,三点弯曲拱,巴西圆盘的宏观及宏细观耦合模型,利用扩展有限单元法对模型变形过程中裂纹扩展行为进行数值模拟,得到PBX宏观及宏细观耦合模型的裂纹扩展规律以及断裂失效的临界载荷,对比分析两类模型的断裂特性,进一步阐明细观结构对PBX炸药宏观性能的重要意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

动态应力应变曲线

图 1-1 LosAlamos 使用的模型rdenhagen[17]等采用界面脱粘算法和摩擦接触模拟了形，同时研究分析了炸药颗粒随机分布时，由于材料现象。Chidester[18]等设计了多种不同形状的弹头，包头，研究了弹丸的弹头形状对炸药低速撞击起爆的影anerjee[19]等用递归法（RCM）对不同组分体积分数，炸药进行了模拟，Rae[20]对 PBX9501 炸药内部微结构了研究，使用高分辨率莫尔干涉仪来观察到裂纹扩展长直边运行，避免通过了细填料和粘合剂区域，爆炸播或内部缺陷而断裂。nfschiling[21]从细观力学角度对 PBX 炸药进行了数值拉伸载荷作用下的界面脱粘现象，研究表明脱粘炸药PBX 宏观力学性能与试验大致相符。Grantham[22]等果，提取 PBX 圆盘试样中心点从初始状态到最终劈拟合得到了中心点的应力应变曲线关系，如图 1-2 所实验，拟合得到的圆盘中心应力应变曲线吻合较好。

模型图,界面脱粘,模型,细观损伤模型

哈尔滨工业大学硕士学位论文 Tan[23]采用改进型数字图像相关方法和紧凑型拉伸实验来粘过程，得到了宏观裂纹尖端的应力场和位移场，同时通过，将炸药细观界面脱粘现象和宏观拉伸试验结果联系起来，提粘细观损伤模型，如图 1-3 所示，此模型可较为真实的反映炸发生的过程。

示意图,准则,裂纹扩展,示意图

哈尔滨工业大学硕士学位论文表 2-2 粘结剂粘弹性材料参数035187 0.054498 0.082487 0.116515 0.016084 0.21202450E-15 1.50E-14 1.50E-13 1.50E-12 1.50E-11 1.50E-10103845 0.024344 0.005975 0.012144 2.20E-04 1.03E-0450E-08 1.50E-07 1.50E-06 1.50E-05 1.50E-04 1.50E-0359E-05 5.36E-05 4.13E-05 3.14E-06 1.76E-05 7.35E-0650E-011.50E+001.50E+011.50E+021.50E+031.50E+04裂纹扩展准则采用裂尖最大周向拉应力准则，t 表示粘度，fG 表示断裂能，sW 表示临界张开位移。

【参考文献】