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。     

基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型

提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的"应力-应变",然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.     

炸药爆轰的连续介质本构模型和数值计算方法

假定炸药和爆轰产物处于局部热力学平衡状态, 即它们的压力和温度相同, 利用热力学基本关系建立炸药爆轰过程的连续介质本构模型的一般理论框架. 在此框架下, 炸药爆轰本构模型由一组常微分方程构成, 包括炸药和爆轰产物的状态方程、简单混合法则、化学反应速率方程和能量守恒方程, 易于由成熟的计算方法如梯形法等进行求解. 一组广义Maxwell型非线性固体本构形式的微分方程描述了压力和温度随时间的演化速率与应变率和化学反应速率的关系, 借助简单混合物理论, 其中的系数由炸药和爆轰产物的材料参数确定. 未反应的炸药和爆轰产物采用JWL状态方程, 化学反应率方程采用Lee-Tarver点火-燃烧二项式模型, 模拟PBX-9404炸药的一维冲击波起爆过程和爆轰波传播过程. 计算结果表明了本文给出的本构模型和相应计算方法的有效性. 关键词： 炸药爆轰 本构模型 化学反应率方程 数值模拟     

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。     

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。     

基于CIM改进模型的PBX 9501炸药冲击起爆前期的流场分析

利用特征线法、简化的状态方程、炸药冲击阻抗与声阻抗的关系,可以得到凝聚炸药冲击起爆前期反应流场的解析模型(CIM2)。选择具有单一形式、带耗散项的反应速率函数,进而计算出不同深度炸药的粒子速度剖面。通过对不同深度反应速率的重新假设,改进了CIM2模型,并将其应用于PBX 9501炸药。结果表明,改进模型减缓了CIM2模型中的能量输送现象,从而能够更准确地计算冲击波阵面粒子速度、峰值粒子速度、峰值到达时间和粒子速度曲线形状。     

某PBX炸药的动态力学性能研究

 PBX炸药作为现代武器的主装药,它的力学行为决定着武器的生存能力。为了研究PBX炸药的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）作为加载手段,结合半导体应变片测试技术和压电晶体监测技术,保证了实验数据的有效性。利用SHPB加载波整形技术,实现了材料两端应力平衡和常应变率加载,得到了不同应变率（90~410 s^-1）下材料的应力-应变曲线。根据材料的模量、破坏强度和破坏应变随应变率的变化规律,采用粘性修正的Sargin模型,得到了该PBX炸药在单轴压缩下的唯象本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好。     

战斗部装药冲击损伤及热点形成的数值分析

针对战斗部装药侵彻安定性这一难点问题,通过研究战斗部侵彻过程中内部装药损伤破坏与热点形成的关系,建立了耦合宏观力学变形与微裂纹损伤演化的粘弹性炸药本构关系以及裂纹摩擦生热细观模型。利用建立的数理模型,分析了在侵彻环境下装药内部热点的生成机理,比较不同侵彻环境对热点生成的影响。该战斗部装药侵彻安定性数值模拟方法,可用于战斗部装药的设计及评估。     

三氨基三硝基苯基高聚物粘结炸药热力学性质的理论计算研究

高聚物粘结炸药(PBX)的热力学性质是用于炸药结构响应、安全性评估、数值模拟分析等的重要参数.由于PBX结构的多尺度特性,完全采取实验方法精细表征这些参数存在巨大的挑战.本文运用第一性原理和分子动力学计算的方法,系统研究了三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药的热力学参数和界面热传导性质.利用散射失配模型研究了TATB与聚偏二氟乙烯(PVDF)界面的热传导过程,发现热导率随温度升高而上升,并且在高温情况下接近于定值.基于分子动力学获得的TATB热导率并结合界面热导率,分析了PBX炸药的热导与颗粒尺寸的关系,当颗粒尺寸大于100 nm时,界面热阻对于PBX热导率的影响有限.     

制导光纤强度的依赖关系

分析研究制导高强度光纤强度8个方面的依赖关系，指出光纤强度降低的关键原因是光纤中存在着缺陷即表面微裂纹。因此，必须从制造工艺、制造环境入手，严格控制减少微裂纹方能制造出过2％筛选应变的高强度光纤。     

冲击加载和斜波加载下PBX炸药细观结构点火特性对比

基于有限元方法,采用Monte-Carlo法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构。计算分析了冲击加载和斜波加载下黏结剂、孔洞缺陷对PBX炸药细观结构点火特性的影响,研究发现黏结剂含量的增加有效提高了炸药的临界点火压力。相比冲击加载,斜波加载下PBX炸药的临界点火压力有明显提升。炸药内部的孔洞缺陷对临界点火压力的影响与加载方式相关,冲击加载下,孔洞缺陷降低了PBX炸药的临界点火压力;而斜波加载下,孔洞缺陷提高了PBX炸药的临界点火压力。     

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。     

不同温度下劈裂加载JOB-9003炸药的声发射特性

JOB-9003炸药力学性能强烈地依赖于成型工艺、温度、长期库存时间及湿度等环境条件，并呈现出非线性黏弹性，从实验角度深入研究这类材料的力学特性与表征，对于认清其物理规律，建立JOB-9003炸药本构模型，确定材料参数乃至对工程结构进行定量分析具有重要的现实意义。声发射（AE）技术可揭示应力引起的开裂、扩展和变形，对研究中的裂纹初期和微裂纹敏感，具有连续、实时监测等特点，已成为 评价结构的完整性以及分析结构破坏全过程的重要手段。     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅰ）：流固耦合模拟

 对炸药条加载圆柱壳模拟X射线力学效应的试验进行了流固耦合数值模拟。首先建立了包括圆柱壳、两层缓冲橡胶、炸药条和空气在内的二维数值模型,其中,两层橡胶采用Ogden超弹性本构模型描述,炸药条及其爆轰产物采用高能炸药燃烧（High Explosive Burn）模型和JWL状态方程描述,空气采用多项式状态方程描述。然后采用多物质ALE流固耦合算法进行计算,获得了爆炸加载的物理图像、载荷传递与结构响应。结果表明,采用19条炸药条加载265 mm的圆柱壳模拟X射线余弦载荷作用,特征点应力响应基本等效;试验附加的两层橡胶对结构响应特征具有影响,在壳体质量较小和（或）刚度较低的情况下,紧密粘接会引起结构响应失真。     

基于激光超声的微裂纹检测技术的研究

在固体中利用激光产生超声波 ,可作为超声测量和材料无损检测的一种新方法。介绍了激光超声表面波的产生机理、微裂纹的检测方法及其应用。采用Nd∶YAG脉冲激光器、扩束与聚焦透镜组、PZT探头、数据分析仪等器件设计并构建了一套基于接触式检测方法的激光超声微裂纹检测实验系统。通过对大量实验数据进行处理 ,得出了相应的各种关系曲线 ,说明了线光源产生的超声表面波非常适用于材料表面微裂纹的检测     

爆轰波对碰驱动平面组合飞片的数值模拟

采用SG(Steinberg-Guinan)强度模型描述组合飞片(铅和铝)的动力学响应行为,对两侧对称点起爆圆柱炸药、爆轰波对碰驱动组合飞片实验模型进行了数值模拟计算。得到了爆轰波对碰驱动组合飞片的计算图像,并与实验结果进行了对比分析,明确了SG强度模型对描述爆轰波对碰驱动下组合飞片的适用性,为高应变率条件下材料强度模型的适应性研究奠定基础,同时也为更好地理解材料在高应变率条件下的本构关系以及材料在对碰区的动力学行为提供参考。     

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法——"格子模型"得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。     

涡流检测中的微扰模型

根据低频电磁场在导体中的趋肤效应及基准模型中激励线圈相对较小的特点，将轴对称场与三维场相结合，建立了以裂纹形成的微扰场作为求解对象的微扰模型。     

固体炸药的磁驱动准等熵压缩实验研究

较宽压力范围内未反应炸药的本构关系和状态方程对于深入和精确认识压缩波作用下炸药组分间相互作用的力学过程和起爆热点的形成机制具有重要意义。较之冲击压缩,磁驱动准等熵压缩加载(无冲击压缩)是获取较宽压力范围内未反应炸药的动态压缩力学特性更有效的手段。基于大电流产生的电磁力作用原理,在国内率先实现了炸药的磁驱动无冲击压缩实验技术。通过对负载电极、炸药样品参数的优化设计和安装工艺的控制,实现了5 GPa载荷内JO-9159炸药的磁驱动准等熵压缩加载。基于激光位移干涉测量技术和Lagrange数据处理方法,获得了JO-9159炸药的速度响应历史和准等熵压缩线。所得结果与文献数据进行了比较,结果表明,在实验压力范围内,JO-9159炸药的等熵压缩线与PBX9501炸药的等熵压缩线一致。