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PBX炸药装药的力学性能及损伤破坏研究

作　者: 李俊玲
导　师: 卢芳云
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: PBX炸药动态力学响应损伤断裂裂纹离散元
分类号: TQ560.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着现代高性能武器系统的飞速发展，弹药的安全性问题日益突出，新型常规武器对炸药装药的起爆性能提出了更高的要求。高聚物粘结炸药（PBX）是一类具有较高能量密度、优良机械性能和较高安全性能等的高能复合材料，在国防和国民经济等领域广为使用。然而，即便是PBX这类钝感炸药，意外爆炸事件也时有发生。为适应高性能武器装备发展的需要，研究钝感高能炸药的各项性能就显得尤为重要。PBX炸药本身结构复杂，加之其在发挥效能前的服役过程中所受力学环境复杂，研究PBX炸药的力学性能，特别是动态力学性能是目前研究炸药安全性的一个重要课题。本文旨在研究PBX炸药的动态力学响应和损伤的产生和发展规律。采用霍普金森压杆（SHPB）作为主要的实验平台，研究PBX炸药的动态压缩和拉伸力学特性，并观察PBX炸药受动态加载后的细观损伤形貌，最终建立含细观损伤的本构关系，为研究含能材料的安全性提供一定的理论支撑。本文主要有三个部分，第一部分为PBX炸药力学性能的基础研究，从宏观层次观察了损伤的发展及其在应力应变曲线上的反映。从实验结果看PBX炸药这类材料具有典型的力学脆性，脆性材料的损伤模式一般以微裂纹的产生和发展为主，要研究其损伤特性就需要观察内部细观裂纹的发展变化。因此，第二部分采用巴西实验为主要加载方式对PBX炸药的细观损伤演化过程进行了实验和数值模拟研究。在获得了PBX炸药的损伤特性之后，需要对其发展规律进行数学描述。在本文的最后一部分，采用微裂纹扩展区损伤本构模型来描述PBX炸药内部微裂纹演化发展对宏观应力应变曲线的影响。详细的研究内容如下：第一部分的内容主要为PBX炸药的宏观动态力学响应研究。首先针对PBX炸药这类破坏应变很小的脆性材料，改进传统的SHPB测试方法以获得更为准确的实验结果。采用半导体和石英晶体联合测试技术提高实验信号的信噪比；采用不同脉冲和不同波形整形器进行加载研究PBX炸药的宏观损伤力学特性，发现PBX炸药的损伤发展对冲击加载比较敏感，且极限加载应变率很低。根据PBX炸药的一维压缩应力应变曲线特点，建立了对PBX炸药单轴压缩下的唯象本构描述，能较好地反映PBX炸药从加载到破坏后卸载过程中的应力应变关系。为精确标定半导体的灵敏度系数和石英晶体的压电系数，将改进的激光微位移速度干涉系统用于SHPB系统杆中质点速度的测试。结果表明，激光干涉方法标定的系数比传统方法标定的系数要小10%左右。由于激光微位移速度干涉仪可采用多点同时测量，本文尝试直接测量SHPB实验中试样两端的速度历史，获得材料的应力应变响应并拓展到中应变率实验的测试。为研究PBX炸药的组成结构对其力学性能的影响，对三种PBX炸药的力学性能进行了对比研究，获得了三种炸药各力学参数随温度的变化情况，分析了PBX炸药中各成分对力学量的贡献。结果表明，各材料的动态模量、强度随温度的升高而减小，而破坏应变基本保持不变。三种PBX炸药中，PBX3具有较特殊的破坏模式，力学性能相对稳定。TATB的加入对HMX有很明显的钝感作用，对PBX炸药的整体宏观力学性能有很大的改善。第二部分的主要内容为PBX炸药的细观损伤发展的实验研究和数值模拟研究。采用准静态和动态巴西实验对磨抛后的PBX炸药进行加载，回收试样观测PBX炸药的细观损伤发展情况。结果表明，PBX炸药中裂纹是主要的损伤形式。静态加载时，微观裂纹主要为界面脱粘裂纹，宏观裂纹主要为穿晶断裂裂纹；界面脱粘裂纹在加载早期即可形成，但不影响材料对外界的承载能力；穿晶断裂可能是试样破坏的主要原因。动态加载时，观察到的微裂纹和宏观裂纹均为穿晶断裂。采用离散元数值方法模拟PBX炸药在巴西实验过程中的裂纹扩展过程。为验证该方法的有效性，用HMX炸药晶体的参数作为均匀材料的基本参数，模拟均匀材料在巴西实验过程中的应变场分布，符合巴西实验的理论分析结果。建立能反映PBX炸药细观结构的模型，并模拟了PBX炸药圆盘试样受巴西实验加载后的响应情况。模拟结果表明：沿晶断裂先于穿晶断裂出现；带有沿晶裂纹的试样依然能承受加载；晶体出现断裂后试样内部结构失稳，表现为宏观失效；颗粒尺寸小的试样抗拉性能增强，在微裂纹形成后的很长一段时间还能承受加载，直到穿晶裂纹出现。第三部分为PBX炸药的含细观损伤本构关系研究。采用裂纹的张开，闭合裂纹的摩擦滑移以及翼型裂纹的弯折扩展等机制来描述PBX炸药的本构行为。考虑单轴压缩加载的计算结果表明，采用裂纹扩展区概念发展的含细观损伤本构关系能反映PBX炸药的应力应变曲线的基本形状。最后，对该模型进行了理论改进以用于描述动态加载时材料的响应。在今后的工作中将发展该模型用于LS-DYNA模拟中，为武器效应评估提供理论支撑。

全文目录

摘要  11-13
Abstract  13-16
第一章绪论  16-32
  1.1 研究背景  16-17
  1.2 国内外研究进展  17-30
    1.2.1 PBX 炸药的力学性能实验研究  17-19
    1.2.2 含损伤的本构模型研究进展  19-27
    1.2.3 PBX 炸药细观损伤的数值模拟  27-30
  1.3 本文研究内容  30-32
第二章 PBX 炸药的 SHPB 实验测试技术改进及应用  32-56
  2.1 PBX 炸药在单轴压缩下的动态力学性能研究  32-44
    2.1.1 炸药 PBX1 的动态力学响应  33-36
    2.1.2 不同脉宽加载下炸药 PBX1 的压缩力学响应研究  36-40
    2.1.3 不同整形器作用下炸药 PBX1 的压缩力学响应  40-42
    2.1.4 某含铝 PBX 炸药的围压实验  42-44
  2.2 激光微位移速度干涉仪在 SHPB 实验系统中的应用  44-54
    2.2.1 激光干涉仪的作用原理  45-49
    2.2.2 激光微位移干涉仪用于 SHPB 实验系统的可行性分析  49-50
    2.2.3 激光微位移干涉仪用于标定半导体应变片和石英晶体的系数  50-52
    2.2.4 激光微位移干涉仪测试 PBX 炸药力学性能  52-54
  2.3 小结  54-56
第三章不同温度条件下三种 PBX 炸药的力学性能研究  56-74
  3.1 PBX 炸药的高温 SHPB 实验  56-60
    3.1.1 高温实现  56-58
    3.1.2 应变率设计  58-59
    3.1.3 材料选择  59-60
  3.2 三种 PBX 炸药在不同温度下的单轴压缩力学响应  60-69
    3.2.1 三种 PBX 炸药在不同温度下的实验结果曲线  60-63
    3.2.2 应变率效应及温度效应分析  63-67
    3.2.3 破坏模式分析  67-69
  3.3 PBX 炸药含温度响应的唯象本构描述  69-73
    3.3.1 含温度的 Sargin 模型修正  69-70
    3.3.2 三种炸药在单轴压缩加载下含温度的唯象本构描述  70-73
  3.4 小结  73-74
第四章 PBX 炸药细观损伤机理的实验研究  74-88
  4.1 PBX 炸药的巴西实验  74-82
    4.1.1 PBX 炸药试样的光学制备  75-76
    4.1.2 数字散斑方法介绍  76-78
    4.1.3 炸药 PBX1 的准静态巴西实验  78-80
    4.1.4 炸药 PBX1 的动态巴西实验  80-82
  4.2 炸药 PBX1 的细观损伤形貌  82-86
    4.2.1 炸药 PBX1 受准静态加载后的细观损伤形貌  82-84
    4.2.2 炸药 PBX1 受动态加载后的细观损伤形貌  84-86
  4.3 炸药 PBX1 细观断裂临界应力的预估分析  86-87
    4.3.1 穿晶断裂  86
    4.3.2 脱粘断裂  86-87
  4.4 小结  87-88
第五章 PBX 炸药细观损伤的数值模拟  88-104
  5.1 离散元数值方法的发展史简介  88
  5.2 离散元数值方法的理论介绍  88-95
    5.2.1 离散元方法的基本思想  88-89
    5.2.2 单元间相互作用力  89-91
    5.2.3 能量耗散和温升  91-92
    5.2.4 应力和应变的表达  92
    5.2.5 参数的确定和编程  92-95
  5.3 PBX 炸药细观损伤机理的离散元数值方法模拟  95-102
    5.3.1 模拟动态巴西实验的有效性验证  95-97
    5.3.2 PBX 炸药的几何模型  97-99
    5.3.3 模拟 PBX 炸药的动态巴西实验中裂纹演化过程  99-102
  5.4 小结  102-104
第六章 PBX 炸药细观损伤力学分析  104-122
  6.1 PBX 炸药本构关系的三个阶段  104-105
  6.2 PBX 炸药承压时的微裂纹扩展模型  105-114
    6.2.1 单个张开的币状微裂纹引起的柔度张量计算模型  105-107
    6.2.2 微裂纹的闭合和摩擦滑移引起的柔度张量  107-109
    6.2.3 微裂纹的弯折扩展引起的柔度张量  109-111
    6.2.4 线弹性阶段和非线性强化阶段的本构关系  111-112
    6.2.5 微裂纹弯折扩展失稳后的应变软化  112-114
  6.3 单轴压缩应力条件下的损伤本构关系研究  114-118
  6.4 动态加载情况下的细观损伤力学分析  118-120
  6.5 小结  120-122
第七章结论与展望  122-126
  7.1 总结  122-123
  7.2 本文的主要创新点  123-124
  7.3 展望  124-126
致谢  126-128
参考文献  128-138
作者在学期间取得的学术成果  138-139

PBX炸药装药的力学性能及损伤破坏研究

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