压缩剪切作用下PBX的响应特性

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)在压缩剪切作用下的响应特性,采用设计的压缩剪切试验装置,对Φ20 mm×40 mm的PBX-932和PBX-C43在22~57 m·s-1撞击速度范围内进行了响应试验。试验中采用压力计测试了压力变化过程,通过高速录像照片分析了撞击过程,采用冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压,分析了两种炸药的响应特性。结果表明,随着撞击速度增加,两种PBX炸药的损伤度增加。在压力160~400 MPa,脉宽1.5 ms的压缩剪切作用下,PBX-C43和PBX-932的撞击速度阈值分别为25.5~27.7 m·s-1和22.7~24.4 m·s-1。两种炸药的反应程度基本一致。     

PBX炸药药片的摩擦感度响应特性

为研究高聚物粘结炸药(PBX)在摩擦作用下的响应特性,采用药片摩擦感度试验装置分别对PBX-923和PBX-2炸药进行了试验,采用冲击波超压传感器测量了样品的反应超压,根据回收样品分析了两种炸药的响应特性,计算了摩擦作用下PBX发生点火的摩擦功阈值和摩擦功率,分析了药片摩擦感度试验中炸药的点火机制。结果表明,炸药与光滑的钢板摩擦时PBX-923炸药和PBX-2炸药的反应摩擦功分别大于515.9 J和583.2 J,摩擦功率分别大于10.12 k W和11.44 k W,而PBX-923炸药与砂靶摩擦时对应的反应摩擦功阈值为294.7~368.3 J,摩擦功率为7.80~9.75 k W,PBX-2炸药与砂靶摩擦时反应摩擦功阈值为147.3~191.5 J、摩擦功率为3.90~5.07 k W,表明摩擦作用难以整体均匀加热PBX发生点火,炸药与砂靶摩擦的点火主导机制是摩擦引发的剪切作用点火。     

初始裂纹对高聚物粘结炸药低速撞击点火影响数值模拟研究

应用Visco-SCRAM模型和热点模型研究初始裂纹对奥克托今基(Octogen,HMX)高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)炸药低速撞击点火的影响,主要针对标准低速撞击Steven试验进行模拟,分析初始裂纹尺寸和初始裂纹非均匀分布对PBX炸药内部温升及热点形成的影响。计算结果表明,随着初始裂纹尺寸的增加,HMX基PBX炸药内部裂纹表面的摩擦生热增强,导致其内部温升明显,更容易形成热点。当初始裂纹尺寸从1 mm增加到3 mm时,点火速度阈值从45 m·s~(-1)降低到38 m·s~(-1)。考虑初始裂纹非均匀性影响,在低速撞击过程中,PBX炸药内部温升区域发生明显的改变。而且,初始裂纹非均匀性有利于PBX炸药低速撞击过程热点形成,并导致点火速度阈值降低。当初始裂纹尺寸服从均匀分布U(0.8,1.2)时,点火速度阈值为36 m·s~(-1)。当初始裂纹服从正态分布N(1,0.115)时,点火速度阈值为31 m·s~(-1)。     

药片剪切试验中PBX-2炸药的响应特性

采用ANSYS/LS-DYNA有限元计算程序模拟设计了药片剪切试验装置,研究了Φ20 mm×5 mm和Φ20 mm×9 mm两种厚度的PBX-2药片在剪切试验中的响应特性。采用锰铜压力计测试样品中压力的变化过程,通过高速录像照片分析了撞击点火反应过程,用冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压,综合分析了PBX-2炸药在药片剪切试验中的响应规律。结果初步表明,药片剪切试验中PBX-2炸药厚度由5 mm变化至9 mm,其反应落高阈值由3.5～3.7 m降低为3.0～3.1 m,即随着该炸药厚度增加,其反应落高阈值略有降低。     

两种塑料粘结炸药的Steven试验及撞击感度研究

采用2kg钢质弹丸对PBX2、PBX1炸药进行了Steven试验,试验中采用锰铜压力计测试了样品中的压力变化过程,通过高速录像照片估算了点火反应的延迟时间,通过冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压。结果表明PBX1炸药和PBX2炸药的点火反应阈值速度分别约为35.0～35.5m·s-1、40～46m·s-1,在同样撞击速度下PBX1炸药的点火延迟时间明显小于PBX2炸药,这表明PBX2炸药较PBX1炸药钝感。     

PBX炸药在滑道试验中的响应

介绍了钝感炸药滑道试验方法,对4种PBX炸药进行了滑道试验,利用高速相机观测炸药发生点火以及点火增长或熄灭的过程,利用超压传感器和加速度传感器测试了炸药反应超压和撞击加速度;试验结果表明PBX-1和PBX-2两种以TATB为基的炸药在落高为6.1 m、撞击角度14°的滑道试验中,表现比较钝感,符合钝感炸药的要求,而另外两种HMX基的PBX炸药则发生了点火,甚至发生了剧烈反应;在滑道试验中,热点的温度不仅与摩擦系数相关,而且与材料的力学性能和热物理性能有密切关系。     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英文）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5~75℃)的冲击起爆压力成长过程。基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着温度升高(5~75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G_1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略。     

Steven试验中不同形状弹头撞击下炸药响应规律研究

采用2 kg小钝头弹丸、针状弹丸和平头弹丸分别对PBX-2炸药进行了Steven试验,试验中采用锰铜压力计和聚偏二氟乙烯(PVDF)压电式压力传感器测试了样品中的压力变化过程,通过高速录像照片分析了点火反应过程; 通过冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压,分析了Steven试验中不同形状弹头撞击的影响规律.结果初步表明,Steven试验中由于平面撞击产生的强剪切带作用使得炸药反应更剧烈,平头弹丸撞击时PBX-2炸药反应程度更高.     

含能毁伤元冲击引爆模拟战斗部试验研究

为提高战斗部的毁伤效能,对氟聚物基含能反应材料进行了研究。对氟聚物基含能材料配方改进并制备了一种Φ26mm×60mm的含能毁伤元。将含能毁伤元装入特定结构壳体后进行了冲击引爆模拟战斗部试验。采用高速录像观察含能毁伤元冲击侵彻模拟战斗部后的爆炸情况并测试爆炸后空气冲击波超压。考察了含能毁伤元不同速度下对B炸药和PBX-9404炸药的引燃引爆能力。设置了B炸药模拟战斗部静爆试验作为对比。在试验的基础上,通过测量爆炸后空气冲击波超压进行了TNT当量等效对比分析。试验研究表明,在735m·s~(-1)的侵彻速度下,氟聚物基含能毁伤元可冲击引爆B炸药模拟战斗部。在962m·s~(-1)的侵彻速度下,能引发PBX-9404炸药模拟战斗部爆燃反应。     

不同机械约束下压装PBX炸药反应演化行为

为研究机械约束下炸药反应演化行为,加深对武器装药意外点火后反应烈度演化影响因素及机制的认识,对压装PBX炸药反应演化过程进行实验研究。设计一种机械约束装药点火实验装置,采用激光干涉仪和压力传感器分别测量壳体膨胀速度和内部压力,分析不同约束下两种HMX基压装PBX炸药装药的反应演化行为;结合空气冲击波超压测试结果和装置、炸药残骸回收分析,表征装药的反应烈度。研究结果表明：2 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药反应最高压力不超过200 MPa,壳体膨胀速度在70 m/s左右,装药反应烈度为爆燃;50 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药在百微秒甚至几十微秒内压力超过1 GPa,壳体膨胀速度达到500 m/s,装药发生爆炸反应;不同炸药的力学性能会造成装药反应演化过程存在一定差异,但机械约束影响更明显,新装置2 MPa和50 MPa机械约束装药反应压力和约束壳体速度相差接近1个数量级。     

基于有限元-离散元结合方法的Steven实验三维数值模拟

针对有限元方法描述断裂与摩擦时存在算法困难，而离散元方法难以描述炸药结构响应的问题，建立了有限元-离散元相结合的三维数值模拟方法与Fortran计算程序。通过有限元模拟炸药外金属壳体变形，离散元模拟炸药内部的裂纹扩展与摩擦升温，采用Arrhenius方程描述炸药热分解反应放热，实现了装药低速撞击非冲击点火的三维模拟。以Steven实验作为算例，开展了脆性炸药PBX-2在钝头弹与平头弹两种撞击条件下装药破坏与点火的模拟，考察了炸药非均匀性的影响，获得了装药受载应力历史、裂纹分布、温升曲线、点火时间与位置、撞击点火速度阈值等，分析了钝头弹与平头弹撞击点火的分布特性。以炸药裂纹摩擦以及自反应放热为点火机制的模拟结果与文献报道的实验结果符合较好。     

炸药冲塞点火的数值模拟

为研究和评价炸药在机械撞击作用下的安全性,采用节点约束-分离的数值计算方法,联合热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程,对PBX-2炸药的冲塞点火过程进行了数值模拟。探讨了网格尺寸对炸药冲塞温升的影响,获得了炸药冲塞过程中的力学破坏物理图像和局部温度时间曲线,计算得到了PBX-2炸药冲塞点火的临界跌落撞击速度。结果与实验值吻合较好,表明该方法可以有效地描述炸药冲塞破坏和热-力-化耦合作用下的点火反应。     

枪击试验中不同尺寸PBX-2炸药响应规律研究

采用改进的枪击试验(12.7 mm机枪)对Φ100 mm×45 mm(1#)、Φ50 mm×100 mm(2#)、Φ75 mm×150 mm(3#)和Φ100 mm×200 mm(4#)四种不同尺寸PBX-2炸药柱进行试验,测试了子弹在样品中的穿行时间和子弹撞击样品后的速度,测量了炸药的反应超压,分析了枪击试验中PBX-2炸药的响应规律。结果初步表明,枪击试验中随着PBX-2炸药长度的增加,其反应程度也随之增强。采用ANSYS/LS-DYNA程序对1#、2#和4#样品的枪击试验进行了数值模拟,计算结果与试验测试结果基本一致。     

不同升温速率热作用下PBX-2炸药的响应规律

采用不同升温速率3,5,10,25,105℃.min-1分别对PBX-2炸药进行了烤燃试验,试验中用热电偶分别测试样品半径处和中心处的温度变化过程,通过冲击波超压测量分析了样品的反应程度,根据热分析和烤燃试验结果宏观上分析了PBX-2炸药在热作用下的响应规律。试验结果初步表明:热作用试验中PBX-2炸药随着升温速率升高反应程度降低。采用Arrhenius模型对PBX-2炸药在热作用下响应进行了数值模拟,模拟的炸药温度变化结果与试验测试结果基本一致。     

Al/PTFE活性材料的动态力学行为和撞击点火特性

为探究铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料在动态载荷下的力学行为及其点火机理,采用分离式霍普金森压杆对不同成型压力下所制备的Al/PTFE试件进行动态压缩试验。试验结果显示,当应变率为2960～5150 s~(-1)时,Al/PTFE试件在动态加载下呈现出典型的弹塑性力学行为,成型压力为50～150 MPa时,Al/PTFE试件的屈服强度和硬化模量并未表现出应变率效应。成型压力30～80 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值随成型压力的增加从28.77 m·s~(-1)缓慢升高到29.22 m·s~(-1),材料的点火延迟时间始终保持在600～700μs。当成型压力达100 MPa时,Al/PTFE试件的速度点火阈值大幅下降至26.60 m·s~(-1),且随着撞击速度的提高,活性材料的点火延迟时间由1000～1100μs降到600～700μs。结合扫描电镜结果可知,成型压力为100～150 MPa时,活性材料内部的局部大尺寸孔洞是材料速度点火阈值下降的重要因素。Al/PTFE活性材料的撞击引发点火特性主要与外部载荷和内部微观形貌有关。     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5～75 ℃)的冲击起爆压力成长过程.基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟.结果表明,随着温度升高(5～75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略.     

圆柱形带壳推进剂装药枪击响应特性

为研究某圆柱形带壳推进剂装药的枪击响应特性,设计了一种12.7 mm子弹撞击试验。利用高速摄影机记录带壳装药在子弹撞击下的响应过程,并测试不同距离、方位处的空气超压及壳体破片速度,同时进行带壳装药在理想爆轰条件下的数值计算,得到了带壳装药的能量释放率。一共开展了四次圆柱形带壳装药的枪击试验,前三次装药发生了爆燃反应,第四次几乎无反应。结果表明:子弹撞击位置对圆柱形带壳装药的反应和能量释放率有较大影响,当子弹垂直入射带壳装药轴线后,推进剂发生点火、冒烟、熄火和低压燃烧的时序响应,其相对能量释放率为1.146%;而当子弹撞击位置偏离轴线一定距离时,推进剂几乎无反应,其相对能量释放率仅为0.473%;推进剂的反应对壳体破片有加速效应,带壳装药发生爆燃反应时的破片速度可达428.6 m·s~(-1),而几乎无反应时的最高破片速度仅有70.1 m·s~(-1)。     

慢烤试验中PBX-6炸药件的响应特性（英文）

为了解缓慢加热对炸药件安全性的影响,分别开展了PBX-6粉末炸药样品在压力1 MPa和0.101 MPa、升温速率2℃·min~(-1) 和5℃·min~(-1) 的DSC分析,以及SR50mm PBX-6半球炸药件在55℃、140 d的加速老化试验。设计了Φ100 mm球形炸药件的慢烤试验装置,对球形S-1~#和S-2~#试样进行了升温速率分别为2℃·min~(-1) 和5℃·min~(-1) 的慢烤试验。通过热电偶和温度测试系统记录测量位置的温度变化,结合冲击波超压和试验残余物对比分析试验结果,探讨慢速烤燃行为与热分解特性的关系,综合评估PBX-6炸药件在缓慢加热条件下的安全性。结果表明,升温速率2℃·min~(-1) 时,S-1~#试样的爆燃时间为8373 s,爆响温度为218.5℃,爆燃反应较弱。升温速率5℃·min~(-1) 时,S-2~#试样的爆燃时间为4074 s,爆响温度为224.9℃,冲击波超压为21.8kPa,爆燃程度较大。即升温速率越大,试样的爆响时间越短,爆响温度越高,爆燃程度越大。     

用抛射弹撞击法（Steven试验）研究PBX-2炸药加速老化前后反应能力

采用2kg弹丸对55℃加速老化180天和540天的PBX-2炸药进行了Steven试验,试验中采用锰铜压力计测试了样品中的压力变化过程,通过高速录像照片和压力曲线分析了炸药点火反应的延迟时间,通过冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压。对加速老化前后炸药的试验结果进行了对比,试验结果初步表明加速老化前后的PBX-2炸药在Steven试验中发生反应的反应程度和受力过程并无明显变化。     

典型压装与浇注PBX炸药缝隙挤压损伤-点火响应

为探究动态挤压载荷作用下典型装药结构在壳体裂缝周围的点火响应过程,采用高聚物粘结炸药（Polymer bonded explosives, PBX）微裂纹-微孔洞力热化学耦合细观模型,对缝隙挤压载荷作用下PBX药柱与缝隙结构相互作用、炸药宏观力热化学响应、以及损伤-点火细观机理进行了研究,对比分析了压装PBX-5与浇注GOFL-5两类炸药损伤-点火响应的差异性。结果表明,200 m·s^-1挤压速度下压装PBX-5炸药表现为脆性破坏,60 μs时挤压前沿距缝隙表面3 mm,在缝隙位置处形成应力集中,与挤压位置成45°方向区域内微裂纹发生快速扩展;相同撞击条件下,浇注GOFL-5炸药在缝隙位置处发生快速流动,大量材料被挤入缝隙,60 μs时挤压前沿距缝隙表面9 mm。两种炸药在缝隙周围均形成了潜在点火位置,剪切裂纹热点为压装炸药点火主导机制;局部剪切塑性耗散机制为浇注炸药潜在的点火主导机制。