【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(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),動(dòng)載荷下未反應(yīng)炸藥的動(dòng)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(dòng)力學(xué)行為研究的實(shí)驗(yàn)和理論研究方法,構(gòu)建了未反應(yīng)固體炸藥在磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵加載下的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)分析處理—模擬計(jì)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(dòng)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(guó)內(nèi)配方藥高壓段實(shí)驗(yàn)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?jī)?nèi)容包括固體炸藥的磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵加載實(shí)驗(yàn)技術(shù),準(zhǔn)等熵壓縮下固體炸藥及其組分的動(dòng)力學(xué)特性及物態(tài)方程研究三個(gè)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(dòng)力學(xué)行為研究的磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法,將未反應(yīng)固體炸藥動(dòng)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(shí)驗(yàn)技術(shù),發(fā)展了動(dòng)態(tài)阻抗失配修正的迭代Lagrange數(shù)據(jù)處理方法,實(shí)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(shí)現(xiàn)了磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)研究提供了動(dòng)載壓力和溫度兩個(gè)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰?為研究不同熱力學(xué)路徑下炸藥動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性,基于相應(yīng)的流體動(dòng)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(duì)于沖擊加載更寬壓力區(qū)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)。開展了國(guó)內(nèi)三種典型固體炸藥的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分析處理獲得了實(shí)驗(yàn)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(duì)炸藥的宏觀響應(yīng)具有明顯影響。實(shí)現(xiàn)了斜波壓縮下固體炸藥的化學(xué)反應(yīng)增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)載實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)模擬計(jì)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(huì)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(duì)固體炸藥熱動(dòng)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(duì)計(jì)算顆粒固體炸藥狀態(tài)方程參數(shù)的影響,計(jì)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(duì)狀態(tài)方程參數(shù)影響明顯,較小的孔隙率增長(zhǎng),會(huì)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(duì)于研究新的炸藥配方的動(dòng)力學(xué)特性有指導(dǎo)意義,但是,針對(duì)具體炸藥的動(dòng)力學(xué)參數(shù),仍需要通過實(shí)驗(yàn)獲得。從熱力學(xué)理論出發(fā),將熱力學(xué)空間的任一點(diǎn)看作另一條等熵線上的點(diǎn),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(jiǎn)化了內(nèi)能求解模型和溫度求解過程。對(duì)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(shí)驗(yàn)和標(biāo)定工作歸納為三個(gè)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(jì)算了 PBX-9501和JO-9159炸藥的完全物態(tài)方程,評(píng)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(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(duì)沖擊加載獲得的逡逑低壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外延至ｖｏｎ邋Ｎｅｕｍａｎｎ點(diǎn)（數(shù)十ＧＰａ）以上，這種對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)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(jí)，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(guó)ＬｏｓＡｌａｍｏｓ邋Ｗ家實(shí)驗(yàn)室的逡逑Ａｔｌａｓ裝置［１Ｇ］、圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置。此類裝置有兩種工作模式，一種為較長(zhǎng)加逡逑載時(shí)間（微秒量級(jí)）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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)、超高速射流低溫等離子輻射流體動(dòng)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(guó)工程物理研究院流體物理研究所和美國(guó)逡逑Ｓａｎｄｉａ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室近年分別發(fā)展了基于電容器組儲(chǔ)能、電纜傳輸?shù)拇膨?qū)動(dòng)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(chǔ)能、平行板傳輸逡逑的緊湊型磁驅(qū)動(dòng)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(jí)，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(guó)ＬｏｓＡｌａｍｏｓ邋Ｗ家實(shí)驗(yàn)室的逡逑Ａｔｌａｓ裝置［１Ｇ］、圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置。此類裝置有兩種工作模式，一種為較長(zhǎng)加逡逑載時(shí)間（微秒量級(jí)）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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)、超高速射流低溫等離子輻射流體動(dòng)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(guó)工程物理研究院流體物理研究所和美國(guó)逡逑Ｓａｎｄｉａ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室近年分別發(fā)展了基于電容器組儲(chǔ)能、電纜傳輸?shù)拇膨?qū)動(dòng)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(chǔ)能、平行板傳輸逡逑的緊湊型磁驅(qū)動(dòng)加載裝置類似

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本文編號(hào)：2751111