含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.      

含能材料延迟爆轰实验研究概述

以含能材料使用、运输中的安全性为背蒂,对含能材料在低于冲击起爆阈值情况下,仍以一定概率发生延迟起爆（XDT）的实验研究工作进行了综合论述,对延迟起爆现象的机理进行了初步探讨,指出了XDT实验研究进一步发展的方向。     

高分子材料湿度含量对其力学性能的影响的实验研究

本文从实验的角度对湿度因素影响下的高分子聚合物材料的力学性能进行了研究。选用了尼龙6材料进行了一系列的有关湿度实验，通过不同含湿率下与时间相关的材料性能实验首次从实验上证明高分子聚合物材料存在湿度-时间等效性。即对材料力学性能而言延长作用时间与增加材料含湿率与等效的，并且具体给出了尼龙6材料的湿度-时间等效关系。如该材料在不同含湿率下的广义曲线，本文工作为进一步研究湿度因素影响下的材料性能提供了实验依据。     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能，分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法，研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系，得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数，完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟，结果表明，数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

COMP．B复合炸药动态力学性能和塑性流动本构关系的研究

利用自制的含能材料动态变温三轴压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了三轴压缩实验．测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量Ｅ，泊松比ν和屈服强度Ｙ．实验结果表明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和热软化效应．基于热激活模型，作了适当的改进，根据实验数据建立了含能材料塑性流动模型，分析表明该模型能合理地描述率相关材料的塑性流动，同时考虑了应变率和温度对塑性流动的影响．这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。     

岩石动态巴西圆盘实验中的过载现象

巴西圆盘实验是国际岩石力学与工程学会（ISRM）推荐的测量岩石静态拉伸强度的方法之一,也是该学会推荐的唯一测量岩石动态拉伸强度的方法。但是巴西圆盘实验得到的静态或者动态拉伸强度往往较真实值偏大,其中一个原因是所谓的过载现象,而且其相应的过载效应在动态巴西圆盘测试中尤为明显。为探究岩石材料动态劈裂拉伸强度的过载效应机理及其率相关性,利用SHPB实验装置开展了不同加载率条件下的动态巴西圆盘实验,对岩石材料劈裂拉伸强度的过载特性进行了定量分析;结合颗粒流程序进行了相关实验的数值模拟,得到了圆盘破裂的微观过程。结果表明:（1）动态巴西圆盘实验得到的岩石拉伸强度存在明显的过载现象,圆盘试样拉伸强度的过载比随加载率增加呈对数形式增加;（2）依据动态拉伸强度实验结果对模型参数引入率相关性后,模拟观察到的过载效应更加贴近实验观测。这些结果表明巴西圆盘实验中拉伸强度的过载现象是客观存在的,其机理与试样的圆盘构型以及测试方法有关。结合实验和数值结果,解释了巴西圆盘实验的过载机理,证明了动态巴西圆盘实验修正的必要性并给出了相应的方案,以获取岩石材料的真实动态拉伸强度。     

Comp.B复合炸药动态压缩力学性能和本构关系的研究

本文利用自制的含能材料变温动态压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了动态压缩实验。测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量、断裂强度等力学性能参数。实验结果证明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型，根据实验数据拟合了Ｃｏｍｐ．Ｂ材料的本构关系，分析表明该本构模型可以很好地描述材料的应变率和温度效应。这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据。     

含能材料三轴动态压缩实验的一个计算机模拟方法

在含能材料单轴、受限三轴动态压缩实验的基础上，提出一种将计算机数值模拟和实验数据相结合，估算实验系统中钢筒与试件间的库伦摩擦力，从而正确确定含能材料的动态三轴力学性能（弹性模量Ｅ，泊桑比ν，屈服限Ｙ等）的方法。本方法用于ＴＮＴ炸药受限三轴动态压缩实验，通过建立钢筒－试件的库伦摩擦有限元模型，采用ＡＤＩＮＡ通用程序进行动力分析，估算了摩擦力对实验数据的影响，获得了考虑摩擦力修正后的ＴＮＴ三轴动态压缩响应，为含能材料三轴动态力学性能的确定提供了一种有效的方法。     

多功能含能结构材料冲击压缩特性的理论计算

基于混合物冷能叠加原理,由各组分Hugoniot数据计算了密实材料的冲击压缩特性。再从等压 路径出发,结合Wu-Jing模型由热力学关系得到了具有一定孔隙率多功能含能结构材料的冲击压缩特性计算 方法。以W/Cu、Al/Ni、Ni/Ti和Al/Fe2O3/epoxy等典型颗粒金属材料及含能金属材料为例,计算了其冲击 压缩过程中相关Hugoniot参数。计算结果与已有实验结果吻合较好,多功能含能结构材料冲击压缩特性受 材料孔隙率、材料配比等影响明显。     

含能材料合成研究进展

本文慨述了含能材料对提高武器系统性能的重大作用以及含能材料合成研究的主要目标。含能材料合成的主要研究领域包括:(1)多硝基芳香族化合物;(2)多硝基脂肪族化合物;(3)多硝基含氟化合物;(4)多硝基氟杂环化合物;(5)多硝基多环笼形化合物;(6)叠氮有机化合物。本文还分别介绍了近年来含能材料合成研究在这些研究领域中的最新进展。     

含能材料在低温条件下冲击压缩力学性能的实验研究

采用自制的含能材料动态变温压缩实验装置，在低温环境下，对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ和单质炸药ＴＮＴ进行了动静态压缩实验，测试了压缩模量、压缩强度等材料性能参数。实验结果表明:在低温条件下，Ｃｏｍｐ，Ｂ和ＴＮＴ材料具有明显的应变率效应和温度效应，复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ的压缩模量和压缩强度都高于ＴＮＴ炸药，Ｃｏｍｐ．Ｂ对温度效应更为敏感。还讨论了惯性效应对动态实验波形的影响，通过引入柔度系数，使测试波形趋于光滑。所介绍的实验方法为研究含能材料在低温条件下的冲击压缩性能，提供了一套较完整的技术和手段。     

RDX(210)单晶准等熵压缩实验的数值分析

基于准等熵压缩实验,建立了考虑线弹塑性效应的反积分数学模型,并针对Sandia的含能材料RDX(210)的无反应准等熵压缩实验数据,进行了数值模拟和分析.结果表明,本文模型可以恰当地描述该含能材料的准等熵压缩实验过程,可以得到与文献结果吻合较好的样品加载速度历史;计算得到了样品内部任意位置直至加载面上的信息、应力应变和...     

大理岩的高应变率动态劈裂实验

首次把平台巴西圆盘试样引入动态劈裂试验。利用直径100mm的分离式Hopkinson杆对大理岩巴西圆盘和平台巴西圆盘试样进行了动态劈裂实验。结合有限元分析,得到了大理岩的动态劈裂破坏的拉伸强度。分析了巴西圆盘和平台巴西圆盘的典型破坏方式。结果表明,大理岩的动态拉伸强度随着应变率的提高而增加。利用圆盘中心粘贴的应变片来测大理岩等脆性材料的动态拉伸强度,是一种简便高效的试验方法。和巴西圆盘相比,平台巴西圆盘具有更大的优越性和更好的测量效果。     

混凝土动态直接拉伸实验技术研究

霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称为SHPB)实验装置越来越多地被应用于混凝土等脆性材料动态压缩力学性能的研究之中。由于种种原因,混凝土动态拉伸的实验研究一般还是通过SHPB实验装置间接进行(例如层裂实验和巴西圆盘实验等)。本文以C30混凝土材料为例,根据霍普金森实验技术的两个基本假定(一维假定和均匀假定),探讨了利用大直径(Φ75mm)霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar,简称为SHTB)实验装置对混凝土类试件进行动态直接拉伸的实验技术问题,提出了一种可行的对混凝土类材料进行直接动态拉伸实验的方法。     

不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下,脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题.本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验,采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法,对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析,探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响.结果显示:(1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感,平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化,即使满足巴西实验"中心起裂"条件,其强度仍低于垫条加载情况,两者差别达17.9%;(2)如果软垫条加载接触角合理设计,与平板直接加载相比,其应力场更稳定,有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始,更好满足巴西劈裂实验条件;(3)仅校验巴西实验"中心起裂"有效性条件是不充分的,设计时必须谨慎考虑.研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.     

含金属微粉泡沫材料中爆炸波衰减规律实验研究

设计并制备了一种新型的聚氨酯泡沫材料,研究了爆炸波在该材料中的衰减规律.材料的主要设计原理是在聚氨酯材料中均匀混合了10μm量级的金属微粉,以提高骨架的吸热能力,从而提高其抗爆性能.搭建了实验平台并分别测量了爆炸波在相同孔隙率下含金属微粉和不含金属微粉的聚氨酯材料,同时测量了不同金属微粉含量的聚氨酯材料中的传播特性.实验结果表明:含金属微粉的聚氨酯材料具有更好的抗爆性能.     

不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下, 脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题. 本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验, 采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法, 对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析, 探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响. 结果显示: (1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感, 平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化, 即使满足巴西实验"中心起裂"条件, 其强度仍低于垫条加载情况, 两者差别达17.9%; (2)如果软垫条加载接触角合理设计, 与平板直接加载相比, 其应力场更稳定, 有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始, 更好满足巴西劈裂实验条件; (3)仅校验巴西实验 "中心起裂"有效性条件是不充分的, 设计时必须谨慎考虑. 研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.      

端面摩擦效应对两种含能材料破坏特征的影响

针对Comp.B、PBX-HMX(97%)两种含能材料试样进行了SHPB端面摩擦效应实验,得到了两种材料在不同端面条件下的应力应变曲线.结果表明:端面摩擦效应对实验结果影响很大。通过对回收试样的观察,发现两种材料在不同端面条件下呈现出不同的破坏特征,并对其原因进行了简单分析。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。