HMX基多组分PBX结构和性能的模拟研究

用分子动力学(MD)方法，对HMX基含少量TATB、F2311(粘结剂)和石蜡(钝感剂)的4组分PBX的结构和性能进行模拟研究。为细致考察各组分对主体炸药的作用，对2组分体系(HMX/TATB, HMX/F2311和HMX/石蜡)也进行类似的MD模拟。为深入揭示钝感机理和钝感剂的作用，还对HMX和石蜡超分子体系的相互作用进行量子化学第一性原理DFT计算。此外，对纯HMX及以它为基的多组分PBX的爆热和爆速进行了理论估算。结果表明，各PBX的弹性较纯HMX的有所改善，以粘结剂组分对主体炸药的力学性能影响最大。各组分的加入均或多或少地降低主体炸药的爆热和爆速。钝感剂与HMX的相互作用很弱，PBX的钝感性不是由电子结构因素所造成。多组分PBX的理论配方设计需综合考虑各种复杂因素。     

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。     

炸药柱非限定热爆炸实验研究

对HMX/TATB系列配方和PBX 1的10mm 10mm、2 0mm 2 0mm、30mm 30mm炸药柱进行了非限定热爆炸实验 ,探讨HMX/TATB含量和几何尺寸对热爆炸临界温度的影响。结果表明 :TATB含量增加 ,炸药配方的热感度降低 ,炸药柱热爆炸临界温度增加 ,其增加趋势随TATB含量的增加而变得更加明显 ;炸药柱几何尺寸越小 ,影响越明显 ;线性拟合得到非限定炸药柱热爆炸临界参数,药柱半径r和热爆炸临界温度Tm 之间的关系式以及热爆炸延滞期t与临界温度Tm的关系式 ;计算获得PBX 1炸药柱非限定试验 4h不发生热爆炸反应的特征临界温度。     

TATB微观结构对炸药爆轰波传播性能的影响

采用不同工艺方法制备出了3种具有不同微观结构特征的超细TATB炸药粉体,用2％(质量分数)的F2311作粘结剂,压制出了不同密度的TATB基炸药试样。采用飞片短脉冲冲击起爆装置,研究了TATB基炸药中爆轰波的传播性能。研究结果表明,在一定的短脉冲冲击起爆条件下,TATB微观结构对炸药爆轰波传播性能影响较为明显。     

多组分PBX炸药细观结构冲击点火数值模拟

建立了炸药颗粒自由堆积三维计算模型,考虑了炸药颗粒尺寸和位置的随机分布、粘结剂对炸药颗粒的包覆和不同组分炸药颗粒间的级配;采用非线性有限元方法,对炸药颗粒由自由堆积到密实装药的压药过程进行模拟,构建了PBX炸药细观结构模型;对多元PBX炸药（HMX+TATB+Estane）细观结构冲击点火过程进行了计算,考虑冲击作用下炸药内部热力耦合作用和自热反应,计算不同组分比例混合炸药的冲击点火性能,分析了炸药组分对冲击点火的影响。研究表明TATB含量增加,混合炸药冲击感度降低。     

用直径圆盘试验评价小样品塑料粘结炸药拉伸性能的初步研究

在圆盘试验的力学模型基础上 ,测定了JB90 14等七种TATB基PBX的间接拉伸性能 ,为进一步完善该方法做了初步研究。结果显示 :所有PBX均产生中心开裂现象 ,与该模型预测一致 ;同时该测试方法能有效地反映出JB90 14及其经不同改性后得到的三种PBX的整体力学性能变化趋势。这说明圆盘试验方法适用于PBX。通过比较这七种PBX拉伸性能 ,认为JB90 14及其改性的JB90 14 G1应值得注意。     

烤燃条件下HMX/TATB基混合炸药多步热分解反应计算

采用多步热分解反应动力学模型,描述单质炸药热分解反应,提出了多组分网格单元计算方法,对以HMX/TATB为基的多元混合炸药在烤燃条件下的热反应过程进行了计算。通过炸药烤燃实验测量了炸药内部温度,获得了炸药点火时间,验证了计算的准确性。分析了混合炸药组成比例的变化对炸药热反应性能的影响。在HMX/TATB混合炸药热反应阶段,主要是HMX发生分解反应释放热量,TATB的反应量很少,随着混合炸药中TATB含量的增多,炸药的点火时间逐渐增长,点火温度逐渐增高,炸药热安全性增强。     

一种基于材料细观特征量的PBX拉伸强度理论模型

为给塑性黏结炸药(PBX)的力学强度设计提供支撑、探索材料细观特征量与材料强度之间的定量规律,应用微裂纹扩展区理论,将PBX炸药的单轴拉伸过程中力学响应特征的变化归结为扩展裂纹取向角度的增加,将扩展裂纹最大取向角与拉伸强度相关联,构建了基于材料细观特征量的拉伸强度理论模型,并采用不同温度的单轴拉伸实验验证了该理论模型的有效性。研究表明:该拉伸强度理论模型可以实现对PBX炸药拉伸强度与炸药微裂纹密度、颗粒/黏结剂界面性能以及颗粒/黏结剂体系的表观杨氏模量、泊松比等细观特征量之间关系的定量描述。     

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。     

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。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法，构建了新的细观反应速率模型，系列数值模拟结果与实验结果均一致，表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用:HMX占主导成分的PBXC03炸药，起爆压力低，冲击起爆过程受热点点火影响较明显，热点点火后的燃烧反应速度较快，表现为加速反应特性；TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药，起爆压力高，冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制，且点火后燃烧反应速度较慢，表现为稳定反应特性。     

JBO-9021炸药的冲击起爆Pop关系

采用激光干涉测速技术和高速扫描相机,对新型钝感高能炸药JBO-9021（TATB、HMX和黏结剂的质量分数分别为80%、15%和5%）的冲击起爆Pop关系进行了研究。通过激光干涉测速技术获得了JBO-9021炸药冲击起爆过程中不同光纤探针处（即不同冲击波位置）的粒子起跳瞬时速度,结合未反应炸药的雨贡纽曲线,获得了粒子起跳点的冲击波压力;通过高速扫描相机获得冲击到爆轰距离,结合光纤探针所处位置,得到不同压力下JBO-9021炸药的冲击到爆轰距离,进而拟合出反映JBO-9021炸药冲击起爆性能的Pop关系曲线。结果显示,相对于TATB基PBX9502炸药和HMX基PBX9501炸药,JBO-9021炸药的冲击起爆性能更加优异。     

基于力热耦合材料模型的Steven试验数值模拟方法

在力热耦合材料模型中,增加炸药自热放能模型,建立了Steven试验的力-热-化耦合的数值模拟方法。数值计算模型中,应力应变关系采用双线性硬化弹塑性模型,炸药受力后的热作用采用各向同性热材料模型,炸药的化学反应采用Arrhenius反应率函数,同时还考虑了升温和熔化对材料力学、热学性能的影响。针对标准Steven试验,通过数值分析得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值,将计算结果与实验数据进行了比较,两者符合较好。表明该方法可以较好地模拟Steven试验,而且与以往的分析模型和方法相比,本文的方法不需要增加经验性的点火准则和判据,具有更广泛的适用性,可以为研究低速撞击条件下炸药的力热响应和局域化点火问题提供参考。     

无外壳炸药药柱的热爆炸参数测定和理论分析

利用自行设计的热爆炸实验装置，测定了以ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＨＭＸ／ＴＡＴＢ、ＴＡＴＢ为基的粘结炸药在三种尺寸下的有量纲热爆炸参数（临界温度、延滞期）；利用Ｓｅｍｍｅｎｏｖ参数，求得了上述炸药热爆炸表现活化能，讨论了临界温度与圆柱体高和半径的关系、延滞期与超临界程度的关系、并预测了炸药在一些较大尺寸下的临界温度。     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法,构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型,通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法,开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究,再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程,获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中,虽然PBX炸药处于整体应力平衡,由于PBX高度非均质性,内部应力分布并不均匀,晶体间应力以应力桥形式传递;应力曲线为试样整体平均,试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力;出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏,而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。