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PBX的损伤、断裂及本构关系研究

罗景润

  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。……   
[关键词]:PBX;力学行为;损伤演化;断裂韧性;代用材料;本构关系;奥克托今;炸药晶体;三点弯曲试件
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国工程物理研究院2001年