PBX有效弹性性能研究进展

高聚物粘结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了85%以上.在室温和低应变率条件下,炸药晶体与粘结剂两相模量对比可达3～4个数量级,PBX的这两个特点使传统复合材料相关理论不再适用.因此,PBX有效弹性性能的模拟与预测对复合材料力学和细观力学提出了巨大挑战.本文介绍了国内外在PBX有效弹性性能模拟与预测方面所进行的工作,对各种预测方法的优缺点以及应用前景进行了简要的评述,指出了PBX有效性能模拟与预测需要解决的问题以及下一步工作的重点.     

基于Voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于Voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。Voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。     

不同细观力学方法预测高聚物粘结炸药有效模量的比较

高聚物粘结炸药（PBX）不同于普通颗粒增强复合材料,其颗粒含量超过85%,组分弹性模量相差3~4个数量级,导致其有效模量的细观力学理论预测出现很大偏差。结合有限元细观模拟,对Mori-Tanaka法、自洽法、微分法3种细观力学方法的预测结果进行了比较分析。结果表明：界限法上下界之间有量级上的差异;当颗粒含量小于10%,颗粒间相互作用较小,不同方法计算的有效模量差异不大;含量大于20%时,颗粒间相互作用增强,3种解析法预测的结果逐渐出现差异,而微分法与有限元结果比较接近;当颗粒含量为94.9%,微分法预测的PBX杨氏模量比实测值高3.7%,Mori-Tanaka法和自洽法结果都有量级上的偏差;对于颗粒含量高、组分性能反差大的复合材料,微分法较合理地计及了颗粒间的相互作用,能较准确地预测其有效模量。     

基于改进的距离判别分析法的电火工品感度性能预测方法

为了预测单发电火工品的感度性能,研究了试验数据的处理方法。在方差分析的基础上选取电火工品的温升、升温常数及集总热散失系数等3个热参数作为特征量,采用马氏距离作为相似性度量,基于改进的距离判别分析法,给出了一个新的感度性能指标。结果表明:该感度性能指标预测值高的电火工品感度较高。     

基于纳米压痕方式测定PBX的弹性模量

介绍了纳米压痕方式测定塑料粘结炸药弹性模量的理论和实验方法。选取以HMX的为基的模压塑料粘结炸药(PBX)的柱形(Φ20 mm×4 mm)样品,在其表面进行4×4(间距为10μm)点阵压痕实验,测定出该炸药在16个不同位置的弹性模量值。实验表明该型PBX模量值随着压入深度以及压痕位置发生变化。在压入深度为270~750 nm之间的模量测定值较高,而在压入深度超过750 nm后,模量值趋于稳定,测定值为6 GPa,接近于传统方法的测量值。     

粘弹性材料剪切模量松弛函数的拟合研究

粘弹性材料进行有限元分析时,须有其粘弹性物理模型特征参数。采用数值拟合法,对粘弹材料肋软骨,推导了模型简化下归一化实验曲线与广义Maxwell模型的关系,实现了实验曲线与广义Maxwell模型的拟合,得到了肋软骨材料用于粘弹性有限元分析的Maxwell模型参数。仿真验证表明曲线的拟合度很高。     

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。     

纳米压痕仪测试TNT单晶(100)晶面的模量与硬度

用溶剂蒸发法制备了厘米级TNT大单晶。用X-射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)方法表征了其晶型结构。结果表明,其晶体为单斜晶系,最大显露晶面为(100)。用纳米压痕仪获得TNT(100)晶面上的压入模量、压入硬度分别为(17.40±0.35)GPa和(0.81±0.05)GPa,该模量显著高于熔铸TNT炸药的压缩模量。     

闭锁间隙对回转闭锁接触应力影响数值仿真分析

建立了自动机机头和节套在闭锁阶段的有限元模型,并在模型中引入了实际可能存在的接触和闭锁间隙,通过非线性瞬态有限元软件进行数值计算,获取了机头和节套闭锁面在不同闭锁间隙碰撞下的Von-Mises等效应力云图,分析了闭锁间隙对闭锁面接触应力的影响,并引入接触面压强波动系数和波幅反映了接触应力值波动随闭锁间隙变化的规律,仿真结果可为闭锁机构的强度设计和工作特性分析提供一定依据。     

铝-钢同轴管水封爆炸胀接撞击压力的研究

为了研究水封爆炸胀接管爆轰结束端开裂现象并探究其界面结合形式,首次使用一种可靠的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器对铝-钢同轴管水封爆炸胀接撞击压力进行测试,得到并比较了压力时程曲线。结果表明,沿金属导爆索爆轰波的传递方向,基管与覆管的碰撞压力峰值呈递增趋势,表明引起末端开裂现象的直接原因是压力的增加。计算得到撞击压力峰值的平均值为532.9 MPa。根据爆炸复合中撞击速度与撞击压力之间的关系,在已知撞击压力的情况下得到碰撞速度为52.57 m·s~(-1)。经分析可知,界面碰撞产生的温度并不足以使界面发生熔化。界面的金相照片亦显示其结合方式主要为金属间的直接结合,未出现过渡层和熔化现象,表明采用PVDF压电薄膜传感器测量水封爆炸胀接的撞击压力、利用所得数据来推断界面结合形式可行。     

改性双基推进剂高低应变率下压缩特性试验研究

在室温20 益下,利用分离式霍普金森压杆( SHPB) 和材料万能试验机进行了某改性双基推进剂高低应变率下压缩试验,并对SHPB 试验数据有效性进行了检验,获得了1. 1 伊10 -4 ~4 伊 103 s-1应变率范围内的真实应力-应变曲线。试验结果表明:改性双基推进剂具有明显的应变率相关性。低应变率下,真实应力-应变曲线表现为初始弹性段、屈服及应变强化段和急剧下降阶段, 最后表现为试件沿45毅~55毅斜面发生破坏,且破坏应力和破坏应变均随着应变率增加而增加;高应变率下,真实应力-应变曲线的应变强化阶段消失,表现为应变软化效应。改性双基推进剂的初始弹性模量和屈服应力均随着应变率的增加而增加,且动态相比准静态下增加更加显著。屈服应力为应变率对数的双线性关系,且高应变率下比低应变率下表现出更显著的应变率敏感性。