PBX炸药本构关系的实验研究

在SHPB装置上开展了某典型PBX炸药的单轴压缩、间接拉伸实验。利用入射波整形技术,结合 半导体应变片和石英晶体联合测试的方法,实现了PBX炸药的应力平衡和恒应变率加载,得到了不同应变率 下某PBX炸药的压缩应力应变曲线,初步建立了该炸药的修正Sargin唯象模型;开展了3种PBX炸药的动 态巴西实验,通过高速摄影获得了炸药的破坏过程,结合数字相关技术,获得了试样裂纹附近的应变场分布, 初步建立了描述3种炸药动态拉伸行为的修正Johnson-Cook模型。模型曲线与实验结果符合较好。     

单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应

通过炸药单轴压缩实验,利用高速摄影和高速红外热像仪,对2种典型PBX炸药变形损伤过程和温升效应进行了实时观测。实验结果表明,2种典型PBX炸药的损伤以及温升效应表现出明显差别:低粘结剂含量的炸药表现出明显的脆性特征,材料应力应变曲线中的应变软化阶段是伴随着材料损伤的演化过程,最终的失稳破坏导致样品中贯穿裂纹的形成,非均匀的裂纹分布对应于局部高温带的出现; 高粘结剂含量的炸药表现出明显的韧性特征,材料应力应变曲线未出现应变软化现象,变形损伤分布较均匀,但剪切方向出现网络状的温升分布。     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低,通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效,是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进,在试样两端面加装石英晶体应力计,引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值,提供试样大应变加载,避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题,修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响,提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究,得到了较准确的应力应变曲线。     

A95陶瓷材料的动态压缩测试研究

为了得到陶瓷材料有效的实验结果,必须采用多种改进措施(PulseShaper、高强度和高刚度垫块、直接测试试样应变以及使用较大长径比的试样)来满足SHPB装置所要求的基本假设条件。研究以A95陶瓷的测试为例,通过数值模拟分析证明:针对陶瓷材料改进的SHPB装置,可以得到陶瓷材料的有效压缩应力 应变曲线和压缩破坏强度。但是在分析材料的压缩破坏强度时,必须排除劈开破坏的干扰。数值模拟研究发现,压缩测试中出现的劈开破坏是由卸载过程中出现的局部横向(沿直径)拉伸造成的拉伸破坏。在修正了弥散对压缩破坏强度的影响后,研究得到了A95陶瓷的压缩破坏强度为3.5GPa。A95陶瓷的高应变率压缩应力 应变曲线显示了良好的线弹性,并且曲线的斜率与杨氏模量相同。     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

PBX-1炸药的力学性能和本构关系

PBX的力学行为对其安全性有重要影响。为研究PBX-1的力学性能，以PBX-1为研究对象，进行准静态力学实验和SHPB（分离式霍普金森压杆）实验研究。结果表明，准静态压缩实验中，试样的裂纹出现在与加载方向大约成45°的最大剪应力方向。SHPB实验中，在应变率100～1 500 s?1范围内，随着应变率的提高，PBX-1炸药的动态屈服强度、动态压缩强度和破坏应变不断提高。动态屈服强度逐渐从静态的2.77 MPa增加至16.1 MPa；压缩强度从7.46 MPa增加至16.1 MPa，破坏应变从6.23%增加到26.4%。同时，基于Z-W-T模型，建立了一种含损伤的动态黏弹性本构模型，在330～1 500 s?1应变率范围内具有较高的精度，可以较好地描述PBX-1炸药在达到破坏前的动态力学行为。     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

PBX炸药的拉伸断裂损伤分析

采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bonded explosive)炸药试样拉伸作用下的断裂损伤特性.发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程.实验结果表明该PBX炸药的静态拉伸强度低于...     

冲击作用下炸药热点形成的3维离散元模拟

为了探讨非均质炸药在冲击作用下的细观响应特性,分别对以HMX为基的PBX塑料粘接炸药和含孔洞的HMX炸药在活塞推动下热点的形成过程进行了3维离散元模拟(未考虑化学反应)。结果表明,塑料粘接炸药中的热点集中在炸药晶体与粘结剂的结合部,晶体温升低于粘结剂,且晶体边界温升高于内部。对于含孔洞炸药,热点温度与孔洞的尺寸和形状有关,大孔洞塌缩形成的热点温度高于小孔洞塌缩形成的热点温度,球形孔洞塌缩形成的热点温度高于立方体孔洞塌缩得到的热点温度。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

单轴双向加载分离式霍普金森压杆的数据处理方法

本文中提出单轴双向加载分离式霍普金森压杆（bidirectional-load split Hopkinson compression bar,BSHCB）,即在传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）的基础上增加另一个对称的入射波,两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载。根据一维应力波传播理论,推导出单轴双向加载分离式霍普金森杆的数据处理公式。通过数值模拟分析发现,所推导的数据处理公式可以用于计算单轴双向加载实验中试样的工程应力、工程应变和工程应变率。此外,单轴双向对称加载不仅可缩短试样内部应力均匀化的过程,而且可以提高试样应变率。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

高温下带金属壳PBX炸药低速撞击敏感性数值模拟

炸药撞击感度和热安全性是评价炸药安全性能的重要指标。为了对高温下炸药撞击敏感性变化规律进行可靠预测，本文中通过数值模拟，研究不同预加热温度下带壳PBX炸药装药在小弹丸低速撞击下的热力学响应，得到炸药点火前至点火阶段局部高温区的位置、形态、温度和应变随时间在炸药中分布的变化。结果显示，炸药发生点火的撞击阈值速度与烤燃温度的关系并非单一随温度升高而降低，而是在加热至348.15 K时达到最高；根据温度和应力应变云图分析可得，随着烤燃温度的提高，炸药强度下降，PBX炸药装药局部高温区快速升温的主导因素由局部剪切变为压缩。热软化对炸药的撞击敏感性起重要作用。     

四种强度准则在高聚物粘结炸药强度分析中的适应性

强度准则是炸药材料破坏力学的重要组成部分,是炸药部件承载能力评估的基础。基于单轴加载技术,设计了圆柱试件的端部约束压溃试验方法,对HMX基PBX和TATB基PBX两种材料进行了复杂应力下的强度失效试验。依据试验边界条件和平均测试结果,利用有限元方法定量分析了试件内部的应力场分布,最后采用最先破坏处的三向主应力数据分析了四种典型强度准则在PBX强度分析中的适应性。就描述精度来看,Mohr-Coulomb准则最优,误差在15%以内,Twin-shear准则和Drucker-Prager准则次之,现常用的Uniaxial-strength准则相对最差。就安全阈度来看,Uniaxial-strength准则最优,两种材料中安全阈度均超过75%,Mohr-Coulomb准则和双剪Twin-shear准则次之,Drucker-Prager准则相对最差。总的来讲,Mohr-Coulomb准则可用于描述HMX基PBX的表观强度上限和TATB基PBX的表观强度下限,Twin-shear准则可用于描述TATB基PBX的表观强度上限。     

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

在超高性能混凝土的数值模拟中,合理地确定其本构模型参数是提高计算精度和设计可靠度的基础。基于超高性能混凝土单轴压缩试验、霍普金森压杆试验和已有的三轴围压试验等,确定了超高性能混凝土的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)本构模型参数。利用LS_DYNA软件模拟单向板爆炸试验,通过与试验中单向板的损伤程度和最大挠度进行对比,验证了已确定参数的有效性。为了进一步了解超高性能混凝土构件的抗爆机理,采用已确定的参数对单向板爆炸工况进行数值模拟,分析配筋和尺寸变化对爆炸结果的影响。结果表明,在爆炸过程中,提高纵筋配筋率可以减小单向板的跨中最大挠度,适当加密箍筋可以减小单向板侧面的斜裂缝长度。超高性能混凝土单向板具有明显的尺寸效应,其中厚度和长度变化对爆炸结果的影响最突出。     

Mechanical behavior of metals under tension- compression loading at high strain rate

By using a new technique based on a split Hopkinson pressure bar method, a sequenced reverse test (quasi-static tensile prestress, followed by dynamic compression and then followed by dynamic tension) at high strain rate was performed and tension-compression stress-strain relations were derived by using one-dimensional stress wave analysis. Three materials, 2017 aluminium alloy, 0.45% carbon steel, and pure aluminium, were investigated at low and high strain rates, and the strain rate effect on the reverse loading stress-strain curves was compared to that on the loading stress-strain curves. It was found that reduction of yield stress is always associated with load reversals, and the strain rate effect on the reverse loading (tension) is almost the same as that during loading (compression) at higher values of reverse deformation.     

基于颗粒流的混凝土材料数值实验研究

混凝土材料是一种典型的非均质材料,其力学行为和破坏过程很复杂.本文利用PFC颗粒流软件的内嵌fish语言编写了骨料生成程序、边界条件控制程序,程序模拟了MTS伺服功能,实现了虚拟的混凝土单轴压缩试验.相对于一般有限元程序投放的骨料,文中骨料可以破裂.在生成的数值试件基础上,设计了单级配和全级配混凝土单轴压缩试验,并对其破裂形态、裂纹扩展过程、应力应变曲线和破裂过程能量变化规律进行了研究.利用该虚拟试验平台,可对混凝土的动、静力学特性进行系统研究.     

Flattened Brazilian Disc Method for Determining the Dynamic Tensile Stress-Strain Curve of Low Strength Brittle Solids

An indirect tensile testing method is proposed to measure the full dynamic tensile stress-strain curve of low strength brittle solids. In this method, the flattened-Brazilian disc (FBD) sample is loaded by modified split Hopkinson pressure bars (SHPB) system. Low amplitude dynamic forces were measured with a pair of piezoelectric force transducers embedded in the incident bar and the transmitted bar. The evolution of tensile stress at the center of the disc sample was determined through finite element analyses using the measured stress in SHPB as inputs. In a traditional Brazilian test, a strain gauge is mounted at the center of the specimen to measure the tensile strain, which is difficult to apply for low strength brittle materials. Thus, two types of non-contact methods, the Digital Image Correlation (DIC) technique and the Laser Gap Gauge (LGG), were used to measure the strain. The DIC method was used to monitor the displacement and the strain map of the specimen during the test, from which the strain at the center of the specimen can be obtained. The accuracy of the DIC results was assessed, and the displacement and strain uncertainties of our system were 0.003 mm and 0.003, respectively. LGG was used to monitor the expansion of the disc perpendicular to the loading axis, from which the average tensile strain is deduced. The numerical simulation revealed that the tensile strain at the center of the specimen is proportional to the average tensile strain and that the ratio is not sensitive to the material elastic parameters. The strain measured through LGG was compared with that measured by the DIC method using photos captured with a synchronized high-speed camera. The result of the LGG method was 20 % smaller than that of the DIC process. However, the latter was limited by the number of frames of the high-speed camera. The feasibility of this methodology was demonstrated using a polymer-bonded explosive (PBX).