高聚物粘結(jié)劑炸藥(Polymer Bonded Explosive,PBX)廣泛的應(yīng)用于國(guó)防、航天等工程領(lǐng)域,例如武器彈藥、火箭推進(jìn)劑等。由于在運(yùn)輸、制造和發(fā)射等過(guò)程中,均處于不同加載速率、應(yīng)力狀態(tài)和溫度環(huán)境,并且會(huì)產(chǎn)生孔洞和微裂紋等各種形式的損傷,所以PBX炸藥的抗過(guò)載特性決定了裝藥的安定性。另外這些損傷一方面使得PBX炸藥的力學(xué)性能劣化,另一方面影響了PBX炸藥的感度、燃燒甚至爆炸的性質(zhì),是PBX炸藥發(fā)生起爆的源頭,嚴(yán)重影響了武器彈藥的安全性和可靠性。因此,開(kāi)展PBX炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其沖擊損傷行為研究是非常必要的,對(duì)于指導(dǎo)PBX炸藥配方和結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì),以及進(jìn)行安全性和可靠性評(píng)估具有重要的意義。本文以高粘結(jié)劑PBX炸藥為研究對(duì)象。首先基于霍普金森桿技術(shù),系統(tǒng)研究了該類PBX炸藥及其聚合物粘結(jié)劑的動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸力學(xué)性能的測(cè)試,為了得到合理的PBX炸藥的動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸力學(xué)性能,利用應(yīng)力波傳播理論對(duì)霍普金森實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本假設(shè)和測(cè)試過(guò)程中的應(yīng)力均勻性和常應(yīng)變率做了詳盡的研究,得到合理的試件厚度,和適合于該類炸藥材料的整形器。獲得了該P(yáng)BX炸藥的動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸力學(xué)行為,結(jié)果表明,隨著應(yīng)變率的增加PBX炸藥的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。另外,采用鋁套筒和PBX炸藥,應(yīng)用SHPB被動(dòng)圍壓試驗(yàn)方法,研究了PBX炸藥在圍壓下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng),得到了該P(yáng)BX炸藥不同應(yīng)變率下的多軸力學(xué)行為。結(jié)果表明,隨著應(yīng)變率的增加,該P(yáng)BX炸藥試樣軸向應(yīng)力和圍壓應(yīng)力均提高;圍壓狀態(tài)下PBX炸藥承受的應(yīng)力遠(yuǎn)高于無(wú)圍壓狀態(tài),變形由韌性向塑性轉(zhuǎn)變,試樣未發(fā)生明顯的破壞。其次,建立了PBX炸藥的宏觀本構(gòu)關(guān)系,研究了不同溫度下PBX炸藥及其聚合物粘結(jié)劑的壓縮和拉伸應(yīng)力松弛模量曲線,利用時(shí)間-溫度等效原理得到了PBX炸藥的主松弛模量曲線,擬合得到了PBX炸藥的松弛模量參數(shù),利用數(shù)值模擬方法,驗(yàn)證了所建立的宏觀本構(gòu)關(guān)系的正確性,結(jié)果表明,廣義Maxwell模型適合預(yù)測(cè)高粘結(jié)劑PBX炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,不同應(yīng)變率對(duì)應(yīng)不同頻率的Maxwell單元,在高應(yīng)變率下主要是高頻Maxwell單元響應(yīng)。再次,研究了PBX炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的粘彈性細(xì)觀力學(xué)問(wèn)題,建立了PBX炸藥的細(xì)觀力學(xué)模型,通過(guò)利用時(shí)間-溫度等效原理得到了聚合物粘結(jié)劑的主松弛模量曲線,利用基于Prony級(jí)數(shù)的數(shù)據(jù)擬合法得到粘結(jié)劑的松弛模量參數(shù),利Mori-Tanaka模型,通過(guò)Laplace變換,將問(wèn)題線性化,預(yù)報(bào)了PBX炸藥在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能,研究表明,PBX炸藥的粘彈性能主要取決于聚合物粘結(jié)劑的粘彈性能,與夾雜形狀、體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變率密切相關(guān),夾雜含能顆粒起到了增強(qiáng)PBX炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的特性。然后,提出了PBX炸藥沖擊損傷觀測(cè)和表征方法,基于一級(jí)輕氣炮裝置,利用單軸和三軸加載沖擊對(duì)PBX炸藥的宏細(xì)觀損傷進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了一種可回收PBX炸藥試件的三軸沖擊加載裝置,對(duì)照了單軸和三軸沖擊加載條件下?lián)p傷形式和機(jī)制,結(jié)合SEM電子顯微鏡,分析了PBX炸藥在單軸和三軸加載條件下的主要的損傷形式,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了PBX炸藥的主要細(xì)觀損傷機(jī)理。研究表明,在單軸沖擊加載下,PBX炸藥的主要損傷形式為沿晶斷裂和大顆粒破碎;在三軸沖擊加載下,PBX炸藥的主要損傷形式為顆粒破碎和脫濕,PBX炸藥的主要損傷形式為微裂紋的擴(kuò)展,隨著沖擊載荷的增加,PBX炸藥的裂紋半徑愈長(zhǎng)。最后,建立了PBX炸藥的損傷本構(gòu)模型,利用廣義能量釋放率建立了微裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展準(zhǔn)則和失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則。假設(shè)微裂紋的平均半徑的增長(zhǎng)率基本上依賴于應(yīng)力強(qiáng)度,結(jié)合動(dòng)態(tài)斷裂理論中微裂紋擴(kuò)展的速度公式建立了微裂紋的損傷演化方程。最后通過(guò)利用應(yīng)變率疊加原理,將廣義Maxwell模型和微裂紋體串聯(lián)耦合起來(lái),建立了PBX炸藥的廣義粘彈性統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。利用有限元ABAQUS中VUMAT模塊,基于建立的損傷本構(gòu)模型,開(kāi)發(fā)了子程序,模擬了PBX炸藥的SHPB動(dòng)態(tài)壓縮和三軸沖擊損傷試驗(yàn),驗(yàn)證了所建立的損傷本構(gòu)模型的有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TQ560.1
【部分圖文】：

Hopkinson原始裝置

圖 1-2 Davies 提出的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖[12]Fig. 1-2 Schematic diagram of the apparatus如圖 1-3 所示，①(a)給出了 cp和 c0的比值與 a/λ 的變化關(guān)系，①~③ 1~3 模數(shù)振動(dòng)傳播速度隨著 a/λ 的變化，為了有相關(guān)的參考，在圖中1/0c 、c2/0c 和cs/0c ，其中1c 、2c 和cs分別為縱波、剪切波和瑞利(Ray限介質(zhì)中的波速，并且212022201(1 )(1 2 )12(1 )cccc λ=cT，a/λ=a/(cT)，也就是說(shuō)，a/λ 等于一個(gè)拉伸波通過(guò)桿徑所需要的波的周期。進(jìn)一步，ac/(λc0)等于 a/(λc0)，即如果桿的材料不變，半徑，波的周期也增加同樣的倍數(shù)，則 a/λ 和 c/c0保持不變，ac/(λ0c)僅僅的函數(shù)。假定泊松比 υ=0.29，根據(jù) Bancroft 給出的技術(shù)方法，取前三

圖 1-3 相速度 c 隨 a/λ 的變化關(guān)系[12]ig. 1-3 Phase velocity c of extensional waves of wave-length λ in cylindrical bars of radiu1949 年 Kolsky[13]建立了分離式霍普金森壓桿。Kolsky 提出了 SHPB 實(shí)兩個(gè)基本假設(shè)：一是一維應(yīng)力波假設(shè)；二是應(yīng)力均勻性假設(shè)。所謂一維應(yīng)假設(shè)是指平面應(yīng)力波在圓柱桿中傳播時(shí)沒(méi)有彌散現(xiàn)象，應(yīng)力脈沖寬度遠(yuǎn)大的直徑，應(yīng)力波在桿中傳播的速度約等于桿中聲速(0c E )。所謂應(yīng)力均是指試件軸向應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诿總�(gè)橫截面上都是均勻的，且沒(méi)有徑向位移產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題中，徑向應(yīng)力是沿桿半徑線性分布的，只有細(xì)長(zhǎng)桿時(shí)，這個(gè)假設(shè)立。Kolsky 在以上兩個(gè)基本假設(shè)下，推導(dǎo)出了 SHPB 實(shí)驗(yàn)中試件中應(yīng)力、和應(yīng)變率的計(jì)算公式。Kolsky 發(fā)明的 SHPB 實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)是：試件中的應(yīng)變處于動(dòng)態(tài)平衡，著對(duì)于得到試件在不同應(yīng)變率下軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系至要。根據(jù)該技術(shù)可以研究不同材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，建立材料的一維應(yīng)力關(guān)系。由于 SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、測(cè)量方法精巧等特點(diǎn)被的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如金屬[14]、混泥土等材料[15]。90 年代后，人們擴(kuò)展

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