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PBX的损伤、断裂及本构关系研究

罗景润  
【摘要】: PBX是高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive)的简称,是由炸药 颗粒和聚合物组成的一种固体高能炸药,是武器的主要装药;PBX力学行为 影响武器的性能。 本文绪论介绍了PBX材料及其含能特性,并从力学研究角度认为PBX 以及炸药代用材料属于颗粒填充聚合物复合材料。根据目前在PBX力学行为 方面的一些研究,总结了PBX力学行为的典型特征及其研究进展。 然后本文以某一配方PBX为主要研究对象,同时结合其它配方PBX以 及炸药代用材料,从损伤力学、断裂力学、断裂动力学、材料动态力学性能 及本构关系等方面研究PBX的力学行为。 (1)通过SEM对炸药代用材料的细观观察结果表明,炸药代用材料与 PBX的细观破坏模式一致,即拉伸载荷下以颗粒界面断裂(沿晶断裂)为主, 而压缩载荷下以颗粒断裂(穿晶断裂)为主。正因为PBX(以及炸药代用材 料)在拉伸和压缩下具有不同的破坏模式,材料拉伸强度和压缩强度存在明 显的差别。 (2)将声发射(AE)技术应用于PBX材料损伤演化过程的监测。大量的 实验结果表明,PBX在损伤演化过程中激发出大量的声发射信号;利用声发 射技术,根据检测的声发射信号,可以定性研究PBX的损伤演化过程和识别 材料的细观破坏模式;对于含宏观裂纹的PBX材料试件,还可以研究宏观裂 纹的扩展过程,以及判定起裂点(起裂时刻或起裂时的载荷);而对炸药代用 材料结构件的声发射实验表明,声发射技术可以应用于这类材料结构件在载 荷作用下损伤演化的监测。 (3)基于PBX细观结构特征和破坏模式,定义损伤变量D为单位面积上 微缺陷的密度;采用弹性模量下降法测量损伤变量,建立了与应变相关的损 伤演化方程描述PBX在拉伸载荷下的损伤演化规律。 (4)根据PBX及其代用材料的静态断裂实验,研究这类材料断裂韧性的 实验测试方法。结果表明,可以选取0.2≤a/W≤0.3范围裂纹长度的三点弯 曲试件来确定PBX及其代用材料的断裂韧性;测定了JOB9003及其代用材料 的断裂韧性分别为0.2MPam~(1/2)和0.23MPam~(1/2)。这说明模拟JOB9003基本力 学性能的炸药代用材料可以模拟JOB9003的断裂性能。 对裂纹试件声发射信号特征的分析表明,PBX以及代用材料试件的裂纹 沿着颗粒与基体的界面向前扩展;可以根据声发射信号特征参数来判定试件 PBX的损伤、断裂及本构关系研究 起裂点,从而确定试件断裂的临界载荷。 (5)采用有限元计算分析PBX三点弯曲试件的动态应力强度因子。结果 表明,材料弹性波速对裂纹结构的动力学行为影响很大,若两种材料弹性波 速接近,则动态应力强度因子差别很小。因此,可以采用炸药代用材料裂纹 结构进行实验以认识或研究PBX裂纹结构的动态断裂行为。 同时,将线弹簧模型应用于PBX三点弯曲试件动力响应分析.由于材料 的弹性波速较低,本文的模型分析与有限元计算的动态应力强度因子变化规 律一致,为PBX材料(以及其它材料)三点弯曲试件动态应力强度因子的计 算提供一个合理而可行的近似方法。 根据PBX三点弯曲试件的动力响应特征以及金属材料动态起裂韧性实 验测试方法的研究和讨论,探讨了PBX材料动态起裂韧性的实验测试技术。 结果表明,利用Hopkinson压杆技术,结合实验一数值法或实验一分析法,以 及根据声发射技术判定试件的起裂时间,有望能合理地测定PBX材料的动态 起裂韧性。 (6)根据PBX动态压缩力学性能的实验结果,研究应变率对PBX力学 性能的影响规律。研究表明,在低应变率范围内,PBX的压缩强度am、临界 应变甸以及弹性模量E都与应变率具有半对数线性关系。 对PBX材料动态压缩力学性能的实验研究表明,SHPB系统是一种较好 的加载手段;但是H叩kinson压杆技术对PBx试件的冲击加载并不能达到较 高的应变率;采用应变率一时间曲线中较平稳的一段来确定应变率才能较真 实地反映试件的变形特征;在实验结果处理时,必须将试件输出端的信号平 移△叮2(其中△t为波在试件中传播时间)才能得到合理的结果。 根据低应变率范围PBX在不同应变率和不同温度拉伸下的实验结果,将 修正的Ramberg一osgood进行改进,结合Johnson一Cook模型的分析思路, 建立非线性本构模型描述不同应变率及温度拉伸下PBX的力学行为。 根据低应变率和较高应变率压缩载荷下PBX的应力一应变特征,建立非 线性本构关系描述不同应变率下PBX的压缩力学行为。该模型在数学上体现 了静、动态压缩下PBX应力一应变曲线的特点。 本文在PBX力学行为这一领域中的损伤演化监测、损伤演化规律、断裂 性能及断裂机理等方面做了探索性和开拓性的研究工作。初步揭示了PBX的 某些力学行为特征,一些研究成果已经的到应用。本文的研究为这类材料的 工程应用提供了重要的认识和依据,为PBX力学行为的深入研究以及进一步 的工程应用奠定了基础。


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