【摘要】：未反應(yīng)固體炸藥及組份的物理、力學(xué)性質(zhì)是爆轟物理和流體動力學(xué)計算的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),動載荷下未反應(yīng)炸藥的動力學(xué)響應(yīng)特性是研究炸藥起爆機(jī)理和安全性的基礎(chǔ)和前提。本文發(fā)展了較寬壓力范圍內(nèi)未反應(yīng)固體炸藥動力學(xué)行為研究的實驗和理論研究方法,構(gòu)建了未反應(yīng)固體炸藥在磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵加載下的動力學(xué)實驗—數(shù)據(jù)分析處理—模擬計算—物態(tài)方程研究的研究框架。拓寬了未反應(yīng)固體炸藥及組分動力學(xué)響應(yīng)研究的壓力范圍,改善了未反應(yīng)固體炸藥特別是國內(nèi)配方藥高壓段實驗數(shù)據(jù)缺乏的情況,為精密爆轟物理和炸藥安全性研究提供了新的研究手段。論文的主要研究內(nèi)容包括固體炸藥的磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵加載實驗技術(shù),準(zhǔn)等熵壓縮下固體炸藥及其組分的動力學(xué)特性及物態(tài)方程研究三個方面,主要研究進(jìn)展及創(chuàng)新性結(jié)果如下:1.建立和發(fā)展了較寬壓力范圍內(nèi)固體炸藥動力學(xué)行為研究的磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵加載實驗技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法,將未反應(yīng)固體炸藥動力學(xué)行為研究的壓力范圍從數(shù)GPa拓展至近 20GPa。根據(jù)未反應(yīng)固體顆粒炸藥材料的波傳播規(guī)律特性,建立了固體混合炸藥的準(zhǔn)等熵加載實驗技術(shù),發(fā)展了動態(tài)阻抗失配修正的迭代Lagrange數(shù)據(jù)處理方法,實現(xiàn)了準(zhǔn)等熵壓縮加載下高精度加載壓力歷史邊界的獲取,解決了炸藥樣品與窗口阻抗失配情況下數(shù)據(jù)難以解讀的問題。實現(xiàn)了磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵壓縮加載前炸藥樣品初始環(huán)境溫度的調(diào)控、軟回收,為炸藥動態(tài)響應(yīng)研究提供了動載壓力和溫度兩個維度的調(diào)控手段和樣品的回收分析能力。具備了沖擊-斜波可控?zé)崃W(xué)路徑加載實驗?zāi)芰?為研究不同熱力學(xué)路徑下炸藥動力學(xué)響應(yīng)的差異提供了技術(shù)手段。2.獲得了磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵加載下較寬壓力范圍內(nèi)典型固體炸藥及其組分的狀態(tài)方程、粘彈性本構(gòu)關(guān)系、相變和相變動力學(xué)等動力學(xué)響應(yīng)特性,基于相應(yīng)的流體動力學(xué)數(shù)值模擬確定了相關(guān)物理模型參數(shù)。為深入開展精密爆轟物理模擬研究和安全性研究提供了相對于沖擊加載更寬壓力區(qū)間的實驗數(shù)據(jù)及參數(shù)。開展了國內(nèi)三種典型固體炸藥的動力學(xué)響應(yīng)實驗研究,分別考慮了不同加載壓力峰值、部分樣品形成前驅(qū)沖擊波、樣品初始密度差異三種情況下炸藥樣品的響應(yīng)特性。獲得了炸藥的準(zhǔn)等熵壓縮實驗數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分析處理獲得了實驗樣品的p-v關(guān)系及狀態(tài)方程參數(shù),發(fā)現(xiàn)炸藥的初始密度對炸藥的宏觀響應(yīng)具有明顯影響。實現(xiàn)了斜波壓縮下固體炸藥的化學(xué)反應(yīng)增長實驗技術(shù),也為深入研究炸藥中波的傳播和發(fā)展提供了新穎的視角。獲得了炸藥的主成分HMX、RDX晶體在準(zhǔn)等熵壓縮加載下的典型響應(yīng)曲線,首次在動載實驗中獲得了 RDX單晶包含彈-塑-α轉(zhuǎn)γ相變?nèi)ńY(jié)構(gòu)的速度剖面,兩種炸藥晶體均表現(xiàn)出速度弛豫的彈塑性轉(zhuǎn)變特性,且不同晶向彈塑性行為存在明顯差異。利用多相物態(tài)方程再現(xiàn)了 RDX單晶的三波結(jié)構(gòu)速度曲線,α轉(zhuǎn)γ相變壓力閾值與晶向無明顯相關(guān)性。獲得了粘結(jié)劑F2311和HTPB的狀態(tài)方程參數(shù),比較了四種不同粘結(jié)劑相同密度相似配方的HMX基PBX炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)差異,發(fā)現(xiàn)粘接劑種類對配方相似密度相同的固體炸藥孔隙率有很大影響,這可能是不同粘結(jié)劑對炸藥狀態(tài)方程參數(shù)產(chǎn)生較大差異的重要原因。在炸藥的流體動力學(xué)模擬計算中通過選用配方相近的固體炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)來替代目標(biāo)炸藥的參數(shù)可能會帶來較大的響應(yīng)差異。3.進(jìn)一步發(fā)展了以等熵線為參考線的固體炸藥完全物態(tài)方程的理論方法,提升了對固體炸藥熱動力學(xué)行為的描述能力。從組分狀態(tài)方程出發(fā),比較了三種典型的混合物疊加模型對計算顆粒固體炸藥狀態(tài)方程參數(shù)的影響,計算中考慮了疏松材料的孔隙率修正模型。研究發(fā)現(xiàn),孔隙率對狀態(tài)方程參數(shù)影響明顯,較小的孔隙率增長,會導(dǎo)致炸藥聲速的明顯變化。疊加模型和孔隙率修正模型結(jié)合,對于研究新的炸藥配方的動力學(xué)特性有指導(dǎo)意義,但是,針對具體炸藥的動力學(xué)參數(shù),仍需要通過實驗獲得。從熱力學(xué)理論出發(fā),將熱力學(xué)空間的任一點看作另一條等熵線上的點,把熱力學(xué)參量和熱力學(xué)函數(shù)的求解過程與不同等熵線上的熵增關(guān)聯(lián),發(fā)展了以等熵線為參考線的固體炸藥完全物態(tài)方程的理論方法,簡化了內(nèi)能求解模型和溫度求解過程。對于一般固體炸藥以等熵線為參考線的完全物態(tài)方程求解,將實驗和標(biāo)定工作歸納為三個方面:(1)未反應(yīng)固體炸藥的等熵參考線(p-v關(guān)系);(2)定容比熱、Mie-Gruneisen系數(shù)等材料物性參數(shù);(3)孔隙率修正。用上述方法計算了 PBX-9501和JO-9159炸藥的完全物態(tài)方程,評估了沖擊壓縮和等熵壓縮下炸藥的溫升差異。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ560.1
【圖文】：

未反應(yīng)炸藥的狀態(tài)方程適用的壓力區(qū)間較低，而物理建模屮往往需對沖擊加載獲得的逡逑低壓實驗數(shù)據(jù)外延至ｖｏｎ邋Ｎｅｕｍａｎｎ點（數(shù)十ＧＰａ）以上，這種對實驗數(shù)據(jù)的過度外延逡逑將產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。如圖１．２所示［３］，邋ＰＢＸ９５０１炸藥沖擊加載數(shù)據(jù)外延至Ｃ－Ｊ爆轟速度逡逑處（Ｄ＝８．８ｋｍ／ｓ），粒子速度將產(chǎn)生巨人的差R%（２．８－３．９ｋｍ／ｓ），其壓力和溫升計算將出逡逑現(xiàn)嚴(yán)重誤差，嚴(yán)響爆轟過程波剖面形態(tài)和爆轟模擬計算精度［３］。逡逑１２邐Ｉ邋１邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ｔ￣邋－ｒ逡逑ＣＪ邋ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ邋ｓｐｅｅｄ邐－逡逑＞邋：：邐逡逑３邐２：—邐二逡逑０邐ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｉ邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋Ｉ邋ｉ邐ｉ邐ｔ邐ｉ邐Ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邋ｉ逡逑０邐１２邐３邐４逡逑Ｕｐ邋（ｋｍ／ｓ）逡逑圖１．２邋ＰＢＸ９５０１炸藥Ｕｓ－Ｕｐ關(guān)系的沖出？波加載實驗數(shù)據(jù)及其外延逡逑另外，沖擊加載只是熱力學(xué)空間中的一條特殊路徑，從全面認(rèn)識未反應(yīng)炸藥狀態(tài)逡逑方程的角度來看，借助靜高壓、準(zhǔn)等熵加載和復(fù)雜路徑加載方法，在更為寬廣的熱力逡逑學(xué)空間研究未反應(yīng)炸藥的狀態(tài)方程，有助于提高爆轟物理模型的適用性。逡逑磁驅(qū)動斜波壓縮加載過程溫升低、加載平滑無沖擊，能有效抑制炸藥發(fā)生化學(xué)反逡逑應(yīng)

８－３０ＭＡ之間；３）負(fù)載的阻抗大，電感達(dá)到十幾至數(shù)十納亨，電阻達(dá)到百毫歐姆量級，逡逑為高阻抗負(fù)載；４）裝置的尺寸和占地面積大。主要有美國ＬｏｓＡｌａｍｏｓ邋Ｗ家實驗室的逡逑Ａｔｌａｓ裝置［１Ｇ］、圣地亞國家實驗室的ＺＲ邋（圖１．５）機(jī)器和Ｓａｔｕｒｎ裝置［１１］、俄羅斯的逡逑Ａｎｇａｒａ－５［１２］和中物院的ＰＴＳ［１３］等實驗裝置。此類裝置有兩種工作模式，一種為較長加逡逑載時間（微秒量級）的柱、球面壓縮，主要應(yīng)用于高壓相變、合成、內(nèi)爆模擬及實用逡逑結(jié)構(gòu)裝置之類的研究中，例如Ａｔｌａｓ裝置。另一種為較短加載時間（１００－６００ｎｓ）的平逡逑面和柱面壓縮，主要應(yīng)用于一維平面樣品物態(tài)方程、超高速飛片發(fā)射和超高速碰撞以逡逑及快速柱面內(nèi)爆動力學(xué)、超高速射流低溫等離子輻射流體動力學(xué)等方面的研究，如ＺＲ逡逑裝置和ＰＴＳ裝置。逡逑圖１．３邋ＶＥＬＯＣＥ裝置照片逡逑圖１．４邋ＺＲ機(jī)器照片逡逑為了便于和大型光源診斷設(shè)施配合，中國工程物理研究院流體物理研究所和美國逡逑Ｓａｎｄｉａ國家實驗室近年分別發(fā)展了基于電容器組儲能、電纜傳輸?shù)拇膨?qū)動加載裝置，逡逑如ＣＱ－３－ＭＭＡＦ和Ｔｈｏｒ裝置。此類裝置的電參數(shù)特性和電容器組儲能、平行板傳輸逡逑的緊湊型磁驅(qū)動加載裝置類似

８－３０ＭＡ之間；３）負(fù)載的阻抗大，電感達(dá)到十幾至數(shù)十納亨，電阻達(dá)到百毫歐姆量級，逡逑為高阻抗負(fù)載；４）裝置的尺寸和占地面積大。主要有美國ＬｏｓＡｌａｍｏｓ邋Ｗ家實驗室的逡逑Ａｔｌａｓ裝置［１Ｇ］、圣地亞國家實驗室的ＺＲ邋（圖１．５）機(jī)器和Ｓａｔｕｒｎ裝置［１１］、俄羅斯的逡逑Ａｎｇａｒａ－５［１２］和中物院的ＰＴＳ［１３］等實驗裝置。此類裝置有兩種工作模式，一種為較長加逡逑載時間（微秒量級）的柱、球面壓縮，主要應(yīng)用于高壓相變、合成、內(nèi)爆模擬及實用逡逑結(jié)構(gòu)裝置之類的研究中，例如Ａｔｌａｓ裝置。另一種為較短加載時間（１００－６００ｎｓ）的平逡逑面和柱面壓縮，主要應(yīng)用于一維平面樣品物態(tài)方程、超高速飛片發(fā)射和超高速碰撞以逡逑及快速柱面內(nèi)爆動力學(xué)、超高速射流低溫等離子輻射流體動力學(xué)等方面的研究，如ＺＲ逡逑裝置和ＰＴＳ裝置。逡逑圖１．３邋ＶＥＬＯＣＥ裝置照片逡逑圖１．４邋ＺＲ機(jī)器照片逡逑為了便于和大型光源診斷設(shè)施配合，中國工程物理研究院流體物理研究所和美國逡逑Ｓａｎｄｉａ國家實驗室近年分別發(fā)展了基于電容器組儲能、電纜傳輸?shù)拇膨?qū)動加載裝置，逡逑如ＣＱ－３－ＭＭＡＦ和Ｔｈｏｒ裝置。此類裝置的電參數(shù)特性和電容器組儲能、平行板傳輸逡逑的緊湊型磁驅(qū)動加載裝置類似

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本文編號：2751111