高能炸药晶体尺度的细观力学-点火反应研究

发布时间：2020-12-14 16:22

　　HMX单晶（Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine）和RDX单晶（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）作为复合粘结高能炸药（PBX）的主要成分,其准静态和动态条件下力学性质以及细微观变形机制,极大地影响PBX整体热力化学响应以及点火起爆特性。本文主要从细观尺度出发,进行了含能单晶HMX/RDX的纳米压痕试验和动态冲击加载试验,获得其力学性能参数和理解其力学响应各向异性的同时,标定了力学本构模型参数。基于细观晶体位错滑移的弹粘塑性模型,模拟了单晶及PBX细观力学响应、动态损伤失效过程及点火反应。利用纳米压痕测试技术测定并比较了β-HMX和α-RDX单晶的弹性模量E和硬度H,并分析了其与压深的相关性。利用原子力显微镜（AFM）观测载荷-位移曲线出现的加载突进和卸载突退等单晶细微观破坏特征,确定了压痕周围产生径向或侧向裂纹的临界载荷。采用ABAQUS有限元软件进行纳米压痕数值模拟,通过与试验载荷位移曲线对比确定了损伤本构参数。设计轻气炮平板撞击试验,研究了HMX和RDX不同晶面的动态力学响应... 

【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：193 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 含能晶体HMX和RDX的研究
        1.2.1 细观模型参数
        1.2.2 准静态细微观力学变形机制
        1.2.3 单晶平板撞击实验及变形机理
        1.2.4 各向异性本构模型
        1.2.5 位错点火起爆机制
        1.2.6 化学反应动力学模型
    1.3 粘结剂材料和复合炸药界面研究
    1.4 PBX力学行为及点火机制的研究
        1.4.1 损伤失效机制
        1.4.2 数值模型
        1.4.3 撞击点火及判据
    1.5 本文研究内容
第2章 HMX和RDX单晶纳米压痕试验与数值计算
    2.1 引言
    2.2 纳米压痕试验
        2.2.1 测试原理
        2.2.2 试验设计
    2.3 试验结果分析与讨论
        2.3.1 模量与硬度
        2.3.2 试验结果分析对比
        2.3.3 纳米压痕变形机制
        2.3.4 含能单晶微观破坏机理
    2.4 纳米压痕试验数值模拟
        2.4.1 弹塑性损伤本构
        2.4.2 几何模型的建立
        2.4.3 本构参数的确定
    2.5 计算结果分析与讨论
        2.5.1 载荷位移曲线
        2.5.2 局部力学响应
    2.6 本章小结
第3章 HMX和RDX单晶平板撞击试验研究
    3.1 引言
    3.2 HMX和RDX样品的准备
    3.3 子弹和靶板的准备
    3.4 VISAR和DISAR测速系统
    3.5 轻气炮加载系统
    3.6 试验结果分析
        3.6.1 VISAR和DISAR信号
        3.6.2 HMX冲击各向异性
        3.6.3 RDX冲击各向异性
    3.7 本章小结
第4章 HMX和RDX单晶各向异性本构模型
    4.1 引言
    4.2 材料本构模型
        4.2.1 位错运动学和晶体塑性
        4.2.2 非线性热弹塑性
        4.2.3 数值积分方法
    4.3 模型验证
        4.3.1 HMX单晶
        4.3.2 RDX单晶
        4.3.3 有限元计算模型
    4.4 计算结果与讨论
        4.4.1 本构参数标定
        4.4.2 HMX各向异性力学响应
        4.4.3 RDX各向异性力学响应
    4.5 本章小结
第5章 PBX动态细观损伤机理数值计算
    5.1 引言
    5.2 HMX晶体损伤弹粘塑性模型
        5.2.1 晶体塑性运动学及本构方程
        5.2.2 损伤演化
        5.2.3 参数标定
    5.3 粘弹性损伤本构模型
    5.4 细观计算模型
    5.5 计算结果与讨论
        5.5.1 高应变率单轴压缩数值模拟
        5.5.2 高应变率单轴拉伸数值模拟
    5.6 本章小结
第6章 撞击条件下PBX与GX热力响应分析
    6.1 引言
    6.2 材料本构模型
        6.2.1 含能单晶弹粘塑性模型
        6.2.2 粘结剂粘弹性模型
    6.3 细观计算模型
    6.4 计算结果与讨论
        6.4.1 宏细观应力应变分析
        6.4.2 粒子速度历史
        6.4.3 温度演化
        6.4.4 位错滑移累积剪应变
        6.4.5 点火感度
    6.5 本章小结
第7章 撞击条件下PBX细观热力化学响应分析
    7.1 引言
    7.2 HMX单晶含反应本构模型
        7.2.1 未反应HMX单晶的状态方程
        7.2.2 反应气体产物的状态方程
        7.2.3 化学反应速率
        7.2.4 混合法则
    7.3 粘结剂的粘弹性本构
    7.4 细观计算模型
    7.5 计算结果与讨论
        7.5.1 网格收敛性
        7.5.2 体积平均力-化学响应
        7.5.3 轴向应力
        7.5.4 轴向应变与位错滑移
        7.5.5 温度和化学反应
    7.6 本章小结
结论与展望
参考文献
附录
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]低压长脉冲载荷下β-HMX单晶滑移系的微观物理化学响应[J]. 宋华杰,周婷婷,黄风雷,洪滔.  物理化学学报. 2014(11)
[2]弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型[J]. 温丽晶,段卓平,张震宇,欧卓成,黄风雷.  高压物理学报. 2011(06)
[3]A thermal-mechanical constitutive model for b-HMX single crystal and cohesive interface under dynamic high pressure loading[J]. WU YanQing & HUANG FengLei State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China.  Science China(Physics,Mechanics & Astronomy). 2010(02)
[4]纳米硬度技术的发展和应用[J]. 张泰华,杨业敏.  力学进展. 2002(03)



本文编号：2916658