TATB基PBX双曲Drucker-Prager强度准则适用性分析

为准确建立三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘接炸药(PBX)材料的强度准则,通过自主研制的主动围压试验机获取了不同温度(22.5,35,50℃),不同围压(0～10 MPa)下材料的强度;根据单轴拉伸、单轴压缩以及围压压缩实验数据,采用传统Drucker-Prager(D-P)以及双曲D-P强度准则分别建立了不同温度下TATB基PBX材料的强度模型,并分析了其对于强度实验数据的预测精度。结果表明,双曲D-P强度准则对于22.5,35,50℃下强度实验数据的预测相对误差最大分别为2.41%,3.46%,5.22%,均方根误差分别为0.42,0.38,0.44 MPa,优于传统D-P强度准则结果;对于间接三轴拉伸和压缩破坏应力状态的预测,其相对误差分别为4.93%和12.14%,总体上均优于传统D-P、Mohr-Column、双剪以及单轴强度准则。考虑中主应力影响且处处正则的双曲D-P强度准则能准确预测不同温度下TATB基PBX材料的强度特性。     

基于SVM算法的TATB基PBX单轴准静态应力应变关系

以1,3,5?三氨基?2,4,6?三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)材料为研究对象,在-40～75℃下开展了准静态的单轴拉伸、压缩试验,获得了预设17个温度点下的应力应变关系数据;以温度、应变为自变量,应力为因变量,基于支持向量机(SVM)算法对拉伸压缩条件下的应力应变关系进行了描述,并对构建的关系式进行了误差分析。结果表明,在-40～75℃内,材料的拉伸强度和压缩强度均随温度的升高而劣化,应力应变曲线的非线性和拉压非对称性特征变化明显;同时,采用一组参数基于SVM算法实现了不同温度下TATB基PBX拉伸压缩应力应变关系的描述,解决了模型参数常随温度变化的问题,构建的关系式平均绝对百分比误差不超过7.77%,相关系数均大于0.998,表现出了良好的适用性。     

基于三种强度准则的PBX Ⅰ型裂纹尖端失效区研究

为了描述高聚物粘结炸药(PBX)裂纹尖端失效区域,采用Mohr-Coulomb、Twin-shear和Drucker-Prager强度准则,对PBXⅠ型裂纹尖端失效区进行研究,得到了描述PBX拉压不对称的裂纹尖端失效区表达式。研究表明,Drucker-Prager强度准则综合考虑了材料拉压比、平均应力及偏应力等因素,求解的裂纹尖端失效区相对最大。材料拉压比对裂纹尖端失效区有着显著影响,拉压比越小,材料拉压不对称越严重,裂纹尖端失效区越大。温度对PBX材料综合力学性能影响很大,60℃下裂纹尖端失效区较20℃下显著增大。     

TATB基PBX的单轴主特征破坏参数识别研究

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)的主特征破坏参数识别是强度准则建立和结构强度评估的基础。以TATB基PBX为研究对象,基于单轴拉伸和单轴压缩两种加载方式,考虑20℃、35℃及50℃三个温度点,设计了系列的直接破坏和不同初始应力水平的蠕变后破坏试验。依据获得的破坏参数数据,对比分析了环境温度、初始应力水平对破坏应力/破坏应变这两个典型破坏参数的影响。结果表明,不论是直接破坏还是蠕变后破坏,破坏应力随环境温度的升高而降低,破坏应变体现为拉伸时的增大和压缩时的减小;相同的环境温度下,初始应力水平的增加会导致破坏应力的降低和破坏应变的增大。进一步分析表明,破坏应力受环境温度、初始应力水平的影响较大,且无临界值,不宜作为主特征破坏参数;破坏应变作为主特征破坏参数则较为简便,可认为当一点应变达到临界应变时破坏,而不论该应变是载荷直接引起的还是时温诱发蠕变引起的,直接破坏的破坏应变可作为该温度点的临界破坏应变,20℃、35℃及50℃单轴拉伸临界破坏应变分别为0.1330%、0.1452%和0.1675%,单轴压缩时临界破坏应变分别为-1.4206%、-1.4159%和-1.1731%。     

热弹性环境下HMX基PBX厚壁结构件失效破坏分析

针对高聚物粘结炸药(PBX)厚壁球结构件引入稳态温度场,并展开了热弹性变形分析,讨论了热应力作用下构件的失效破坏状况。采用包括最大拉应力准则、von-Mises准则、Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则等强度准则来分析了厚壁球结构件的承受温差能力与最先破坏点位置,并通过无量纲分析分离出与结构形状尺寸相关的参数因子,从而获得PBX普通结构件的承受温差能力规律。结果表明:Drucker-Prager准则能够较为准确描述PBX厚壁球结构件的失效破坏状况;PBX结构件失效破坏状况与材料特性、结构尺寸等因素相关,提高材料抗拉强度和降低材料弹性模量、优化结构尺寸及形状能提高其承受温差能力。室温下,PBX结构件承受温差能力可以认为由拉伸破坏应变决定,提高PBX炸药的拉伸破坏应变,可以提高其承受温差能力。比较了热环境下三种PBX炸药PBX-A、PBX-E和PBX-C相同结构件下的材料性能,PBX-A的承受温差能力是PBX-C的5.6倍,PBX-E的承受温差能力是PBX-C的4.4倍。     

TATB基高聚物粘结炸药高温力学性能

为分析TATB基高聚物粘结炸药(PBX)在高温状态下的性能变化,对该高聚物粘结炸药在不同温度下的压缩性能、拉伸性能、蠕变性能及泊松比进行了测试,并采用扫描电子显微镜对其高温蠕变断面形貌进行了观察。结果表明,该高聚物粘结炸药的压缩强度、拉伸强度、抗蠕变持久应力及持久时间均随温度升高而降低,其泊松比随温度升高无明显变化; 在高温70 ℃、拉伸应力为3 MPa下,该PBX拉伸蠕变破坏模式主要为炸药颗粒与粘结剂脱粘,而在相同拉伸应力、温度为50 ℃和60 ℃下,其拉伸蠕变破坏模式还表现为炸药颗粒断裂。     

热老化对TATB基高聚物粘结炸药力学性能的影响

对某TATB基高聚粘结炸药(PBX)进行了55～75℃加速老化试验,并对老化前后的样品进行了不同温度下压缩性能、拉伸性能和弯曲蠕变实验,用扫描电子显微镜对老化前后炸药高温拉伸断口形貌进行了观察。结果表明:长期高温贮存后,TATB基高聚物粘结炸药晶体与粘合剂仍具有良好的粘合界面,其模量、破坏强度、破坏应变和稳态蠕变速率等力学性能指标均未发生明显的变化。     

PBX一维动态拉伸性能实验研究

合理选择输入杆、输出杆长度和合适的应变片贴片位置,以实现拉伸应力波.利用PBX压缩强度远大于拉伸强度的性质,不采用承压环,在反射式霍普金森拉杆(SHTB)上对采用与铝杆端面粘接的PBX动态拉伸样品进行动态拉伸性能测试.结果显示,TATB基炸药的动态拉伸强度,在30 s-1应变率下动态拉伸强度达到了 13 MPa,远高于...     

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m~(-1)提高到13.16 W·m~(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。     

TATB基PBX及其改性配方的蠕变性能

为探讨粘结剂组成对TATB基高聚物粘结炸药(PBX)蠕变性能的影响,用电子万能试验机和动态力学分析仪分别研究了TATB基PBX及其改性配方的拉伸、压缩和三点弯曲蠕变行为。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的增强剂苯乙烯共聚物可改善TATB基PBX的抗蠕变性能。改性配方的蠕变应变降低,蠕变破坏时间延长。由50 ℃/3 MPa下拉伸蠕变、70 ℃/10 MPa下压缩蠕变以及70 ℃/6 MPa下三点弯曲蠕变试验所得原配方的破坏时间分别为14,12.7,12 min,而同样条件下,改性配方未发生蠕变破坏。根据时温等效原理,获得TATB基PBX及其改性配方在参考温度60 ℃下的蠕变柔量主曲线。与原配方相比,TATB基PBX改性配方的蠕变柔量主曲线向下偏移,抗蠕变性能提高。     

粘结剂含量对热压TATB基PBX残余应力的影响

为了掌握粘结剂含量对高聚物粘结炸药(PBX)残余应力和宏观力学性能的影响规律,采用基于VKα靶的X射线衍射方法测试了F2314粘结剂含量为0~11%热压成型的TATB基PBX残余应力,采用巴西试验方法测试其宏观力学性能,并采用了TATB晶体-粘结剂包裹结构简化模型进行温度单一因素条件的残余应力数值模拟验证。实验结果表明:不含粘结剂的PBX,其残余应力为拉应力;随着PBX中粘结剂含量增加,残余应力逐渐减小,当粘结剂含量超过5%,其拉伸残余应力递减趋势增强;当粘结剂含量由7%增加到9%时,残余应力由拉应力转变为压应力;PBX力学强度随粘结剂含量增加而增强。残余应力模拟结果与实验结果具有相同变化趋势。     

TATB基PBX的快速烤燃实验与数值模拟

根据TATB基高聚物黏结炸药(TATB基PBX)异常环境安全性特点(例如导弹发射失败),采用固体推进剂作为燃料开展了带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX快速烤燃小尺寸实验,模拟推进剂燃烧时具有一定约束炸药的响应情况,并且利用实验得到的炸药表面热流通量作为边界条件,采用高阶有限元法对炸药样品升温过程进行了数值模拟。实验中测量了炸药表面温度随时间变化情况,利用温度数据和Duhamel叠加原理计算得到炸药表面平均热流通量在其点火前为19.17 kW.m-2,在此平均热流通量条件下,带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX点火反应时间为95 s。研究结果表明,固体推进剂燃烧会在短时间内引起TATB基PBX点火燃烧反应,但不会发生猛烈的爆燃或爆轰现象。     

高聚物粘结炸药动态损伤破坏的数值刻画

高聚物粘结炸药(PBX)安全性评估离不开对其力学响应和损伤破坏的刻画。为了准确捕捉PBX炸药的力学行为,以Karagozian & Case模型框架为基础,开展了PBX炸药力学行为数值刻画的研究。修改Karagozian & Case模型中的损伤演化方式,考虑PBX炸药模量、损伤演化模式等压力依赖特性。结合法国原子能委员会Picart等给出的一系列试验数据,修正Karagozian & Case模型中的应变率效应,分析不同压力下PBX炸药拉压子午线之比的取值,处理结构损伤破坏过程中变形局部化的问题,提出数值计算中拉伸失效单元的处理方法。得到的模型很好地刻画了Steven 试验中炸药试件的成坑形貌,并成功捕捉到了炸药试件中的拉伸、剪切破坏图像。     

基于线性Drucker-Prager模型的PBX准静态弹塑性变形分析

根据高聚物粘结炸药(PBX)的力学特性,将线性Drucker-Prager模型引入到PBX材料的弹塑性变形研究中。基于线性Drucker-Prager模型,结合经典塑性理论,分析了PBX准静态弹塑性变形过程。明晰了其后继屈服面的特征,推导了其刚度算法,构造了其弹塑性本构模型。从理论上分析了单轴压缩状态、双轴压缩状态条件下的应力应变关系。利用线性Drucker-Prager模型模拟了PBX材料的单元特性。结果表明,其单轴压缩模拟结果和双轴压缩模拟结果均与理论分析结果、实验数据一致。经对比,双轴压缩的极限强度是单轴的1.16倍,相应塑性应变是其0.5倍。     

SHPB实验加载方式对PBX炸药力学响应的影响研究

高聚物粘结剂炸药(PBX)炸药的损伤本构关系是炸药安全性研究的重要基础课题之一。研究PBX炸药的损伤本构关系需要建立在准确获取和认识PBX炸药的动态力学响应基础之上。为此,针对某PBX炸药的SHPB实验,详细探讨加载方式的细节设计对PBX炸药力学响应的影响。通过采用不同应变加速度、不同加载脉宽以及重复加载等方法,分析了不同加载条件对PBX炸药力学响应的影响,并获得了一系列不同加载脉宽、不同加载应变率的应力应变曲线。采用扫描电镜观察回收试样最终损伤形态,分析了PBX炸药动态单轴压缩下的损伤发展过程及其在应力应变关系上的表现。结果表明:应变加速度过大仍会对PBX炸药形成一定的冲击加载,造成额外损伤;经历动态单轴压缩后破坏的试样表现为晶体多次穿晶断裂甚至碎裂;典型PBX炸药的损伤本构关系可从微裂纹的产生、稳定扩展,穿越晶界失稳扩展来描述。     

液压致裂法在PBX炸药拉伸强度测试中的适用性

为解决高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)拉伸强度测试中哑铃直拉法(GJB772A-1997)测试效率不高以及巴西试验测试精度欠佳的问题,基于液压致裂原理自主搭建了测试平台,发展了拉伸强度液压致裂测试方法,实现了PBX炸药的拉伸强度的准确测试。为验证该测试方法的有效性,以某PBX模拟材料哑铃试样为研究对象,在同一发试样中先后进行了标准直拉法和液压致裂法拉伸强度测试实验,并将测试结果进行对比。结果表明,液压致裂法测得的拉伸强度((9.49±0.24)MPa)与直拉法测得的拉伸强度((9.24±0.43)MPa)相对误差仅为2.70%,具有很好的测试精度。液压致裂法可在单发哑铃的残样上获得至少四个有效的拉伸强度数据,相较于直拉法具有测试用量少、测试效率高的特点,且测试稳定性良好,表明该测试方法兼具了哑铃直拉法的高精度和巴西试验的低用量高效率,同时可作为一种原位测试手段广泛运用于配方研制以及结构件不同位置的拉伸强度测试。     

孔隙对TATB基高聚物粘结炸药有效弹性模量的影响

采用代表体积单元(RVE)建模方法,建立了与实际TATB基高聚物粘结炸药(PBX)微观结构近似的有限元计算模型,该模型可以生成炸药颗粒和孔隙随机分布、填充率和孔隙率任意调整的二维RVE。并采用该模型研究了孔隙大小、空间分布和孔隙率对TATB基PBX有效弹性模量的影响。结果表明:粘结剂内孔隙使得TATB基PBX在外载荷作用下易于变形,TATB基PBX的有效弹性模量显著减小,随着孔隙率增加,有效弹性模量呈指数减小;孔隙的空间分布对TATB基PBX有效弹性模量影响较大,当孔隙分布在粘结剂与炸药晶体之间界面时,容易造成粘结界面破裂而导致有效弹性模量显著下降,下降幅度超过50%;但孔隙的大小对TATB基PBX有效弹性模量影响不大。     

TATB、石蜡、石墨钝感作用的讨论

研究TATB、石蜡、石墨在落锤撞击试验条件下的变化及试样的撞击加速度-时间曲线,探讨了这些钝感剂对HMX、RDX等炸药的钝感机理及产生不同钝感效果的原因。对一些高聚物粘结炸药落锤试验、苏珊试验的结果进行了分析讨论。