细观尺度下塑料粘结炸药热点生成的初步模拟

采用有限元与离散元相结合的方法模拟了塑料粘结炸药在冲击载荷下热点生成的细观过程,计算中炸药晶体采用有限元法,粘结剂采用离散元法。结果表明热点多集中在晶体间变形较大的粘结剂部分,粘结剂与晶体间冲击波的相互作用是热点生成的重要原因;HMX晶体温度明显低于粘结剂,且晶体边界温度高于内部温度。     

炸药冲击响应的二维细观离散元模拟

用离散元法在颗粒尺度模拟了塑料粘接炸药的冲击响应。炸药的细观结构基于Voronoi拼图建成。以含孔洞和不含孔洞的炸药模型为例,说明细观结构对热点的形成和分布有重要影响。在这些算例中,粘塑性变形是温度局域化的主要原因,而摩擦和体积粘性等机制可以忽略。     

结晶特性与制造工艺对炸药件力学性能的影响

通过对塑料粘结炸药(PBX)在压制、热老化及贮存中炸药HMX、TATB和粘结剂F的性能变化规律的研究,揭示了加工和贮存条件对炸药件的力学性能的影响。得出如下结论:1)随着老化温度的提高,粘结剂F结晶度增加。TATB基PBX炸药经老化后力学性能没有明显变化,说明粘结剂结晶度和炸药颗粒度的变化对炸药总体性能影响不大。2)钢模压制的TATB基PBX药柱在经历多次温度循环后,TATB与粘结剂F界面的作用有所减弱,药柱内部产生由脱粘引起的缺陷,其力学强度下降。TATB基PBX药柱的力学强度与模量均随着环境温度的升高而呈下降趋势,而等静压成型能明显改善TATB基PBX的力学性能。     

燃烧向爆炸转变(DDT)抑制剂对于塑料粘结黑索今撞击感度的影响

塑料粘结炸药（PBX）的机械撞击感度远低于单纯炸药,这因为塑料包覆层改进了炸药晶体表面性质。本工作研究了含有燃烧向爆炸转变（DDT）抑制剂-三苯甲醇（TPC）对于黑索今（RDX）的机械感度影响,发现含TPC的RDX撞击感度低于不含TPC的。塑料粘结剂改进,并降低在撞击时热点产生的概率（P4）,而TPC则降低热点传播的概率（P2）。可以预期含有TPC类型化合物的PBX机械感度可能会大幅度地降低。     

冲击作用下凝聚态含能材料热点形成热－机械分析

应用动力有限元方法分析含能材料中热点形成机理。在假定凝聚态含能材料为可压缩的情况下，研究圆形和椭圆形微孔洞附近介质在冲击作用下热－机械响应过程，结果显示冲击波强度、空隙率、微孔洞尺寸和形状、熔点对热点温升有强烈影响，并讨论粘塑性功和固相压缩成为主要机制的条件。     

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。     

冲击作用下凝聚态含能材料热点形成热－机械分析

应用动力有限元方法分析含能材料中热点形成机理。在假定凝聚态含能材料为可压缩的情况下，研究圆形和椭圆形微孔洞附近介质在冲击作用下热－机械响应过程，结果显示冲击波强度、空隙率、微孔洞尺寸和形状、熔点对热点温升有强烈影响，并讨论粘塑性功和固相压缩成为主要机制的条件。     

炸药TATB/粘结剂的短脉冲冲击起爆阈值测量

利用金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜飞片产生短脉冲冲击波的加载技术(电炮),依据DRM(Delayed Robbins-Monro)实验程序,研究了炸药TATB/粘结剂在各种激励条件下的短脉冲冲击起爆特性,获得了其50%起爆概率条件下的短脉冲冲击起爆阈值,及实验条件下其短脉冲冲击起爆判据为:lnp=0.205-0.87lnτ。并与相同条件下TATB/HMX为基的高聚物粘结炸药的短脉冲冲击起爆阈值进行了比较。结果表明飞片面积和压力脉宽均对炸药的短脉冲冲击起爆阈值有重要影响,与TATB/HMX为基的高聚物粘结炸药相比,TATB/粘结剂更钝感。     

挤注炸药的爆轰性能

设计了4种以HMX为主炸药的挤注炸药(ECX)炸药配方，采用25 mm和50 mm 2种装药直径的圆筒试验分别对添加含能增塑剂和惰性增塑剂的两种挤注炸药进行做功能力研究。研究结果表明:含能增塑剂FM-1对ECX有显著的能量贡献;在相同主炸药含量（含HMX为88％）下，含FM-1为9.5％的ECX-05较含惰性增塑剂的ECX-02比动能提高22％～23％，优于国外同类型ECX（EX-08-EL）的水平，其加速金属能力与含HMX95.5％的压装PBX炸药（LX-14）相近。     

冲击载荷下炸药装药动态响应的有限元分析及热点形成机理的数值模拟

对稳态温度场中受冲击载荷作用的炸药药柱进行了弹粘塑性分析。在Ｐｅｒｚｙｎａ本 构模型的基础上，作了适当的补充和修正，将流动参数γ、弹性模量Ｅ均视为温度的函数，动态 有限元计算结果表明，计算曲线和实验曲线有很好的近似。为模拟材料中不均匀性的影响，在 药柱中心引入一孔洞，有限元计算结果给出含孔洞药柱的粘塑性动态响应、药柱网格变形图以 及药柱等温线，可以清楚看出在孔洞附近区域有局部高温产生。本文的本构模型和计算方法对 于研究冲击载荷下炸药装药的力学响应以及炸药装药中热点形成机理的数值模拟提供了良好 的基础。     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

A numerical exploration of the role of void geometry on void collapse and hot spot formation in ductile materials

An Eulerian hydrocode was used to simulate the dynamic void collapse in OFHC copper, modeled with the Johnson–Cook (Johnson, G.R., Cook, W.H., 1985. Engineering Fracture Mechanics 21(1), 31) material model and the Cruneisen equation of state, to study hot spot formation and jetting. The computational techniques were first validated by a comparison to a series of two-dimensional experiments. The effect of the planar and axisymmetric geometries on the hot spot temperature and jet velocity in circular voids is explored. In addition, the effect of the apex angle in triangular voids on jetting and hot spot formation is studied. An effective apex angle for the highly nonspherical voids formed in closely packed circular particles is calculated.     

孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究

为了研究孔隙度(装药密度)对PBX炸药冲击起爆爆轰成长的影响，采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统，测量了不同孔隙度的PBXC03炸药(HMX的质量分数为87%，TATB的质量分数为7%，黏结剂的质量分数为6%)冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史。结果显示:在本文装药范围和加载条件下，孔隙度对PBX炸药冲击起爆爆轰过程的影响不单调，中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快，这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。     

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。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象，研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台，由实验装置（加热装置、约束钢管、炸药）、压力测试系统、光纤测速系统组成；加热装置加热15 mm厚45钢钢板，峰值温度大于1 100 ℃，温升速率为85～95 ℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验，由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药，炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定；实测阵面压力约1 GPa，传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹，通过特征线方法获得冲击形成点，半定量给出冲击形成距离大于850 mm；并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值，实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较，可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰，其化学反应状态为爆燃。另外，采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型，都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力，为实验设计提供依据，但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

RDX/HMX颗粒炸药落锤撞击点火-燃烧机理

对单质炸药受低速撞击的力学和化学响应研究,是进行炸药敏感性评价的基础。利用配备了光学观测的落锤撞击装置,实现了频率为1.5×105 s-1的实时观测,不但可以区分样品的“爆”或“不爆”,而且可以获取RDX和HMX颗粒炸药受落锤低速撞击变形、破碎、溅射、点火和燃烧随时间演化的特征。结果表明:RDX颗粒是在液相中点火,而HMX颗粒在固相中点火; 燃烧反应前常常发生剧烈的溅射现象,溅射是由气相反应产物释放能量推动破碎的颗粒所致。对比了单个和单层颗粒炸药响应的特点,多个颗粒由于热点密集和破碎后相互作用,其燃烧反应比单个颗粒燃烧反应更剧烈。根据图像处理估算燃烧波传播速度,很好地表征了样品宏观燃烧反应的剧烈程度。     

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。