一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关系研究

 利用万能材料试验机对一种高聚物粘结炸药（简称PBX炸药）和压装B炸药进行了准静态压缩实验,得到了两种炸药在不同应变率下的应力应变曲线。通过两种炸药在不同应变率下力学性能的研究,建立了两种炸药含应变率效应的本构方程。结果表明,建立的本构方程能较好地描述两种炸药在弹性阶段和强化阶段的力学性能。     

PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。     

橡胶材料的动态压缩性能及其应变率相关的本构模型

 利用Instron万能试验机与LC4超硬铝合金分离式Hopkinson压杆设备,对3种不同波阻抗的橡胶材料——炭黑母胶（Carbon Black Rubber）、硅橡胶（Silicone Rubber）和泡沫橡胶（Foam Rubber）在较大应变率范围（0.002~15 000s^-1）内进行了单轴压缩实验,研究应变率对橡胶材料力学性能的影响。实验结果表明：3种橡胶的准静态与动态应力-应变曲线具有不同的应变硬化形式,且动态加载下随着应变率的增大,硬化效应逐渐增强;在准静态及高应变率（12 000~15 000 s^-1）压缩下,泡沫橡胶表现出多孔类材料压缩曲线的弹性、塑性崩塌及致密化3段特征。基于Rivilin应变能模型,构建了一个应变率相关的动态本构模型,模拟结果与实验结果吻合较好,可以用于描述较大应变率范围内3种橡胶的非线性应力-应变关系。     

PBX代用材料动态力学行为和微观结构的实验研究

 研究了固体炸药PBX代用材料D-90031的微观结构、压制过程中产生的原生缺陷形态，以及动态力学行为和破坏特征。采用数字图像分析技术、纳米力学测试系统，以及分离式霍普金森压杆（SHPB）实验和落锤冲击技术，获得了微观结构特点、各组分的硬度和弹性模量、动态性能，以及碎片的尺寸分布规律和材料的破坏形式。研究发现，晶粒的形态随外载的作用而改变，晶粒沿垂直加载方向伸长，材料的碎块尺寸满足一定的规律。研究结果对于深入认识固体炸药的性能与微观结构的关系具有一定的指导意义。     

压缩加载下三种含能材料细观破坏特征观察

 通过扫描电镜,对三种含能材料在不同应变率压缩条件下回收的试样断面进行了细观观察,得到了三种含能材料的细观破坏特征,并对其破坏机理进行了分析。同时结合高聚物粘结炸药（PBX炸药）和压装B炸药组分的比较,分析了两种炸药在高应变率条件下的不同破坏模式。     

石英压电晶体在霍普金森压杆实验中的应用

 利用传统分离式霍普金森压杆（SHPB）对低密度、低波阻材料进行测试时,存在透射信号弱、试样在加载时间内难以达到受力变形均匀的不足。采用嵌入压电石英晶体技术测试微弱的透射信号,并监测试样两端应力平衡。实验测试了一种低密度聚氨酯泡沫,结果表明嵌入压电石英晶体技术可以大幅提高透射信号的幅值和信噪比,所测试的材料在应变率范围1 000~4 000 s^-1内应变率效应不明显。     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

PBX材料宏细观断裂行为的数字散斑相关法实验研究

 采用半圆盘弯曲实验和数字散斑相关方法,对高聚物粘结炸药（PBX）的宏、细观断裂行为进行了实验研究。宏观上,带有预制裂纹的半圆盘试样发生拉伸破坏,利用数字散斑相关技术得到了试样的应变场和位移矢量场分布,定量分析了试样全场的变形特征,并测得了PBX材料的平面应变断裂韧性;细观上,用配有加载装置的扫描电子显微镜对含预制裂纹的半圆盘试样间接拉伸下的损伤演化和破坏过程进行了实时原位观察,借助于数字散斑相关方法,定量分析了试样损伤局部化特征。结果表明,将数字散斑相关方法用于研究PBX材料宏、细观尺度上的变形破坏问题是有效的。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

PBX炸药动态Brazilian试验及数值模拟研究

 开展了PBX炸药的动态Brazilian试验,获得了不同加载应变率条件下的拉伸强度;通过高速摄影,获得了PBX炸药试样表面裂纹的产生发展过程;采用数字散斑相关方法,获得了试样出现裂纹前的应变场分布。利用离散元方法,开展了考虑PBX炸药细观结构的动态Brazilian数值模拟,获得了损伤演化发展、并形成裂纹的全过程,模拟结果能初步再现PBX炸药的损伤破坏过程。     

α-锆低压动态力学特性研究

 在3.3×10^-4～1.5×10³ s^-1应变率范围内获得了α-锆的应力-应变曲线，给出了Johnson-Cook本构拟合参数。利用含动态损伤与断裂的一维程序，较好复显了在峰值应力4.3～5.1 GPa范围测量的α-锆自由面速度剖面，验证了确定的α-锆低压动态力学参数的合理性。     

高应变率下TC4及TC9钛合金的动态断裂

 报导了由短脉冲激光引起的应力波加载及电炮驱动Mylar膜平面飞片碰撞TC4、TC9钛合金靶的实验及数值计算研究结果。由回收靶样品的金相分析表明：在电炮驱动飞片碰撞及由激光引起的应力波加载所造成的应变率分别在10⁶ s^-1左右及10⁷ s^-1以上两种情形下，TC4、TC9钛合金的层裂特性都是以微孔洞的成核、增长、汇合为特征的韧性断裂。运用一维流体弹塑性动力学程序进行数值研究表明：成核增长NAG模型在一定程度上可以用来描述高应变率下TC4、TC9钛合金的损伤破坏特性。     

Dynamic Tensile Behavior and Fracture Mechanism of Polymer Composites Embedded with Tetraneedle-Shaped ZnO Nanowhiskers

Dynamic tensile properties of glass-fiber polymer composites embedded with ZnO nanowhiskers are investigated by a split Hopkinson tensile bar. The stress-strain curves, ultimate strength, failure strain and elastic modulus are obtained and the failure mechanism of the composites is investigated by the macroscopic and microscopic observation of fractured specimens. The strain rate effect on the mechanical behavior is discussed and a constitutive model is derived by simulating the experimental data. The experimental results show that the materials have an obvious non-linear constitutive relation and strain rate strengthening effect. The composites with ZnO nanowhiskers under dynamic loading have various failure modes and better mechanical properties.     

弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型

 基于Kim的弹粘塑性单球壳塌缩模型,考虑PBX炸药中的粘结剂效应,假设炸药和粘结剂均为弹粘塑性材料,建立了弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式。把新的热点反应项与Kim的低压下慢反应项和张震宇提出的高压反应速率方程相结合,得到了新的冲击起爆三项式细观反应速率模型。把该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9501炸药的一维冲击起爆过程,结果表明：该模型除了可以解释炸药颗粒度和孔隙度的影响外,还可以较好地描述粘结剂强度和含量对PBX炸药冲击起爆感度的影响。     

Compressive Behavior of TATB Grains inside TATB-Based PBX Revealed by In-Situ Neutron Diffraction

We investigate the(002)lattiee strain evolution of triaminotrinitrobenzene(TATB) grains inside one TATB-based plastic bonded explosive(PBX) through the in-situ neutron diffraction. By comparing the untreated specimen with the thermal-treated one, it is found that the volume-average response of measured TATB grains remains nearly elastic during quasi-static uniaxial compression. The observed changes in TATB(002) lattice strains correlate tightly with the evolution of damage. A damage parameter defined by the macroscopically determined residual strain is further used to describe the damage degree of PBX, which suggests that the compressive behavior of TATB-based PBX is significantly influenced by the damage evolution.     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

Experimental study on the micromechanical behavior of a PBX simulant using SEM and digital image correlation method

The micro-scale mechanical behavior of a polymer-bonded explosive (PBX) simulant was experimentally studied using a scanning electron microscope (SEM) imaging system and digital image correlation (DIC) method. The semi-circular bend (SCB) test was chosen for the study. During the testing, a series of SEM images of the specimen was acquired in situ. The natural micro-structural features of the specimen were used as random speckle pattern for DIC analysis. The displacement and strain fields at the area of interest were obtained by DIC. The deformation and damage of PBX were analyzed. Heterogeneous strain fields demonstrated the damage evolution underneath the specimen surface and predicted possible micro-crack growth. Based on the contour plots of the correlation coefficient, the formation and extension of microscopic cracks were quantitatively analyzed.