PBX炸药的动态力学性能及冲击损伤行为研究

发布时间：2020-09-18 21:00

　　高聚物粘结剂炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)广泛的应用于国防、航天等工程领域,例如武器弹药、火箭推进剂等。由于在运输、制造和发射等过程中,均处于不同加载速率、应力状态和温度环境,并且会产生孔洞和微裂纹等各种形式的损伤,所以PBX炸药的抗过载特性决定了装药的安定性。另外这些损伤一方面使得PBX炸药的力学性能劣化,另一方面影响了PBX炸药的感度、燃烧甚至爆炸的性质,是PBX炸药发生起爆的源头,严重影响了武器弹药的安全性和可靠性。因此,开展PBX炸药动态力学性能及其冲击损伤行为研究是非常必要的,对于指导PBX炸药配方和结构件设计,以及进行安全性和可靠性评估具有重要的意义。本文以高粘结剂PBX炸药为研究对象。首先基于霍普金森杆技术,系统研究了该类PBX炸药及其聚合物粘结剂的动态压缩和拉伸力学性能的测试,为了得到合理的PBX炸药的动态压缩和拉伸力学性能,利用应力波传播理论对霍普金森实验技术的基本假设和测试过程中的应力均匀性和常应变率做了详尽的研究,得到合理的试件厚度,和适合于该类炸药材料的整形器。获得了该PBX炸药的动态压缩和拉伸力学行为,结果表明,随着应变率的增加PBX炸药的强度逐渐增强。另外,采用铝套筒和PBX炸药,应用SHPB被动围压试验方法,研究了PBX炸药在围压下的动态力学响应,得到了该PBX炸药不同应变率下的多轴力学行为。结果表明,随着应变率的增加,该PBX炸药试样轴向应力和围压应力均提高;围压状态下PBX炸药承受的应力远高于无围压状态,变形由韧性向塑性转变,试样未发生明显的破坏。其次,建立了PBX炸药的宏观本构关系,研究了不同温度下PBX炸药及其聚合物粘结剂的压缩和拉伸应力松弛模量曲线,利用时间-温度等效原理得到了PBX炸药的主松弛模量曲线,拟合得到了PBX炸药的松弛模量参数,利用数值模拟方法,验证了所建立的宏观本构关系的正确性,结果表明,广义Maxwell模型适合预测高粘结剂PBX炸药的动态力学行为,不同应变率对应不同频率的Maxwell单元,在高应变率下主要是高频Maxwell单元响应。再次,研究了PBX炸药动态力学行为的粘弹性细观力学问题,建立了PBX炸药的细观力学模型,通过利用时间-温度等效原理得到了聚合物粘结剂的主松弛模量曲线,利用基于Prony级数的数据拟合法得到粘结剂的松弛模量参数,利Mori-Tanaka模型,通过Laplace变换,将问题线性化,预报了PBX炸药在高应变率下的力学性能,研究表明,PBX炸药的粘弹性能主要取决于聚合物粘结剂的粘弹性能,与夹杂形状、体积分数和应变率密切相关,夹杂含能颗粒起到了增强PBX炸药动态力学性能的特性。然后,提出了PBX炸药冲击损伤观测和表征方法,基于一级轻气炮装置,利用单轴和三轴加载冲击对PBX炸药的宏细观损伤进行研究,设计了一种可回收PBX炸药试件的三轴冲击加载装置,对照了单轴和三轴冲击加载条件下损伤形式和机制,结合SEM电子显微镜,分析了PBX炸药在单轴和三轴加载条件下的主要的损伤形式,进一步认识了PBX炸药的主要细观损伤机理。研究表明,在单轴冲击加载下,PBX炸药的主要损伤形式为沿晶断裂和大颗粒破碎;在三轴冲击加载下,PBX炸药的主要损伤形式为颗粒破碎和脱湿,PBX炸药的主要损伤形式为微裂纹的扩展,随着冲击载荷的增加,PBX炸药的裂纹半径愈长。最后,建立了PBX炸药的损伤本构模型,利用广义能量释放率建立了微裂纹的稳定扩展准则和失稳扩展准则。假设微裂纹的平均半径的增长率基本上依赖于应力强度,结合动态断裂理论中微裂纹扩展的速度公式建立了微裂纹的损伤演化方程。最后通过利用应变率叠加原理,将广义Maxwell模型和微裂纹体串联耦合起来,建立了PBX炸药的广义粘弹性统计损伤本构模型。利用有限元ABAQUS中VUMAT模块,基于建立的损伤本构模型,开发了子程序,模拟了PBX炸药的SHPB动态压缩和三轴冲击损伤试验,验证了所建立的损伤本构模型的有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ560.1
【部分图文】：

Hopkinson原始装置

实验装置,振动传播,拉伸波,剪切波

图 1-2 Davies 提出的实验装置简图[12]Fig. 1-2 Schematic diagram of the apparatus如图 1-3 所示，①(a)给出了 cp和 c0的比值与 a/λ 的变化关系，①~③ 1~3 模数振动传播速度随着 a/λ 的变化，为了有相关的参考，在图中1/0c 、c2/0c 和cs/0c ，其中1c 、2c 和cs分别为纵波、剪切波和瑞利(Ray限介质中的波速，并且212022201(1 )(1 2 )12(1 )cccc λ=cT，a/λ=a/(cT)，也就是说，a/λ 等于一个拉伸波通过杆径所需要的波的周期。进一步，ac/(λc0)等于 a/(λc0)，即如果杆的材料不变，半径，波的周期也增加同样的倍数，则 a/λ 和 c/c0保持不变，ac/(λ0c)仅仅的函数。假定泊松比 υ=0.29，根据 Bancroft 给出的技术方法，取前三

相速度

图 1-3 相速度 c 随 a/λ 的变化关系[12]ig. 1-3 Phase velocity c of extensional waves of wave-length λ in cylindrical bars of radiu1949 年 Kolsky[13]建立了分离式霍普金森压杆。Kolsky 提出了 SHPB 实两个基本假设：一是一维应力波假设；二是应力均匀性假设。所谓一维应假设是指平面应力波在圆柱杆中传播时没有弥散现象，应力脉冲宽度远大的直径，应力波在杆中传播的速度约等于杆中声速(0c E )。所谓应力均是指试件轴向应力和应变在每个横截面上都是均匀的，且没有径向位移产实际问题中，径向应力是沿杆半径线性分布的，只有细长杆时，这个假设立。Kolsky 在以上两个基本假设下，推导出了 SHPB 实验中试件中应力、和应变率的计算公式。Kolsky 发明的 SHPB 实验最大的特点是：试件中的应变处于动态平衡，着对于得到试件在不同应变率下轴向应力应变关系至要。根据该技术可以研究不同材料的动态力学行为，建立材料的一维应力关系。由于 SHPB 实验装置具有结构简单，操作方便、测量方法精巧等特点被的应用于各个领域，例如金属[14]、混泥土等材料[15]。90 年代后，人们扩展

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