落锤撞击下非均匀炸药点火特性实验研究

对落锤实验装置进行改进,由落锤直接撞击炸药样品改为使落锤先撞击上击柱,再由上击柱对颗粒炸药样品进行加载。采用改进的落锤实验装置,结合高速数字相机和PVDF压力计测量,实时记录了以HMX为基的黏结炸药在低速撞击条件下的响应过程图像及其压力变化过程。结果表明:非均匀炸药在低压长脉冲加载下基本都要经历压实→塑性扩展→颗粒破碎→形成局部高温区域→点火→燃烧→熄灭的典型非冲击点火过程,但由于炸药在细观尺度上存在不均匀性,导致相同实验条件下不同样品中局部高温区域点火出现的位置、持续时间以及反应强度都存在差异。     

基于三维离散元方法研究热点的位置和温度对奥克托今颗粒点火燃烧的影响

炸药的点火燃烧特性与炸药的安全和使用密切相关,其一直是研究者重点关注的问题之一.普遍认为,凝聚炸药起爆的关键是热点.基于此,本文采用三维离散元方法,以奥克托今(HMX)颗粒为研究对象,探究了HMX颗粒中不同位置和初始温度的热点对其燃烧过程的影响.结果发现,热点的不同初始温度和位置都会对HMX炸药颗粒的燃烧特性造成影响.由于处于炸药内部分散位置的热点表面积较大,其相比集中的热点更有利于HMX炸药颗粒的起爆.并且研究发现,并不是热点的温度越高越有利于炸药的起爆,这也取决于炸药颗粒的含量.本文的研究工作对炸药的实验研究以及军事应用提供了一定的参考.     

炸药落锤实验及样品厚度效应的三维数值模拟

为了研究落锤实验中炸药的概率点火行为以及试样厚度对点火的影响,对脆性炸药PBX-2的落锤实验开展了三维数值模拟。采用有限元与离散元相结合的方法,并考虑了炸药材料的非均匀性,获得了炸药在不同落高下的点火概率分布,落高计算结果与文献报道的实验结果相符。此外,研究了落锤实验中试样厚度对炸药温升过程及点火阈值的影响,拟合得到了压力峰值和点火阈值随试样厚度变化的估算公式,可以为实验设计提供参考。     

冲击作用下非均质炸药热点形成的离散元方法

用离散元方法模拟以HMX为基的塑料粘结炸药与HMX颗粒炸药在冲击载荷作用下的细观响应过程.结果表明对于HMX颗粒炸药,炸药颗粒界面处的温度及压力远高于颗粒内部;对于HMX为基的塑料粘结炸药,粘结剂处的温度及压力亦高于颗粒内部;两种冲击响应过程的对比分析表明,粘结剂有效地降低了炸药颗粒边界处的温度及压力.     

弱点火条件下炸药燃烧转爆轰的数值模拟

考察颗粒炸药从传导燃烧到对流燃烧再到爆轰的过程.对装填密度为85%的HMX颗粒炸药的燃烧转爆轰过程进行数值模拟,分析传导燃烧、对流燃烧和爆轰的发展过程.点火早期燃烧速度很低,火焰面在8.16 ms之内只前进了不到0.2 mm;形成对流燃烧之后燃烧速度快速增加,只用了0.1 ms就形成了速度为8 165 m·s^-1的稳定爆轰.当炸药颗粒直径或点火压力减小时,形成稳定爆轰所需的时间增加.     

HMX晶体高温相变及裂纹对点火的影响

炸药晶体的相结构、相变过程以及相变引起的微结构变化对炸药性能有重要影响。为研究HMX晶体的高温相变及其引起的裂纹对点火的影响,开展了HMX晶体的原位高温拉曼光谱、X射线衍射实验以及落锤实验。通过拉曼光谱和X射线衍射谱识别出不同温度加载和后处理方法对HMX晶体相结构和微结构的影响。制备了3类含有不同相结构和裂纹的HMX样品,实现了相结构和裂纹对点火影响的解耦。落锤实验结果显示,对于3类HMX晶体,按照敏感度由高到低排序依次为含裂纹的β-δ混相、含裂纹的β相、无裂纹的β相。最后,分析了高温相变和裂纹提高HMX晶体感度的原因。     

HMX炸药燃烧转爆轰数值模拟

以两相流模型为基础,气相产物状态方程采用基于统计物理的类CHEQ的计算结果,建立了HMX炸药的燃烧转爆轰数学模型。采用CE/SE方法模拟了颗粒度为125μm的HMX炸药的燃烧转爆轰过程,得到了爆轰参数及流场变化规律。模拟了装填密度对HMX炸药燃烧转爆轰的影响,并与实验进行了对比。数值模拟结果表明,在相同的点火条件下,爆轰成长距离在一定范围内随装填密度呈"U"形变化。     

冲击作用下HMX晶体孔洞塌缩热点生成机制的细观数值模拟

热点的形成、点火以及成长过程是理解非均匀炸药冲击起爆的关键.采用离散元法,对冲击作用下含孔洞的HMX晶体进行了细观数值模拟.计算结果表明:在较低冲击作用下,孔洞边缘发生了较大的剪切变形,粘塑性功形成热点;而在较高冲击作用下,孔洞塌缩产生射流,汇聚流动,冲击下游炸药形成热点,并获得了孔洞塌缩和热点生成演化的细观过程.     

HMX晶体热致相变对损伤的影响

HMX基PBX炸药混合体系中炸药晶体在发生高温熔化和分解反应之前，会率先发生非均匀热膨胀和固相晶型转变，使材料的力学性能和安全性能发生突变。为探究HMX晶体的热致相变对材料内部损伤演化的影响机制，发展了考虑HMX晶体热膨胀和相变等变形机制的热力耦合晶体本构模型，从力学角度揭示了黏结剂包覆HMX晶体相变对体积变形、应力状态以及裂纹成核演化过程的影响机理，量化分析了升温速率对材料相变和裂纹损伤状态的影响规律。结果表明：随着加载温度升高，HMX晶体的热膨胀和β→δ相变导致体积增大，晶体内部形成拉伸应力状态，同时晶体与黏结剂相互挤压形成的局部压剪作用使晶体内部出现裂纹成核和扩展现象。相变温度附近HMX晶体内部裂纹成核和扩展数量显著增加，晶体内部发生不可逆损伤。外界升温速率对晶体内部裂纹形核扩展与损伤造成显著影响，较高的升温速率会加大晶体损伤程度，增加炸药内潜在热点源及意外点火风险。     

镁颗粒-空气混合物一维稳态爆震波特性数值模拟

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维稳态爆震波模型,数值模拟爆震波稳态传播过程及其内部流场分布.结果表明,镁颗粒-空气混合物爆震波仅能以特征值速度稳定自维持传播,特征值爆震速度的高低并不仅仅取决于反应放热多少,两相间的相互作用也会影响热能向气相动能的转化效率.当爆震波末端氧化镁处于熔化过程时,满足一定的来流速度和镁颗粒密度条件,爆震波仍能够稳定自维持传播.气相吸收反应放热膨胀加速至声速的过程主要发生在镁颗粒纯蒸发反应阶段,但在氧化镁熔化阶段由于熔化过程吸热量大,使气相吸热膨胀过程近乎停止.颗粒粒径变化主要影响爆震波尺寸,而对特征值爆震速度以及波后声速面参数影响甚微.在常温常压的初始条件下,爆震波稳定自维持传播过程中波内不涉及氧化镁的汽化离解过程.