论文部分内容阅读
HMX单晶（Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine）和RDX单晶（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）作为复合粘结高能炸药（PBX）的主要成分,其准静态和动态条件下力学性质以及细微观变形机制,极大地影响PBX整体热力化学响应以及点火起爆特性。本文主要从细观尺度出发,进行了含能单晶HMX/RDX的纳米压痕试验和动态冲击加载试验,获得其力学性能参数和理解其力学响应各向异性的同时,标定了力学本构模型参数。基于细观晶体位错滑移的弹粘塑性模型,模拟了单晶及PBX细观力学响应、动态损伤失效过程及点火反应。利用纳米压痕测试技术测定并比较了β-HMX和α-RDX单晶的弹性模量E和硬度H,并分析了其与压深的相关性。利用原子力显微镜（AFM）观测载荷-位移曲线出现的加载突进和卸载突退等单晶细微观破坏特征,确定了压痕周围产生径向或侧向裂纹的临界载荷。采用ABAQUS有限元软件进行纳米压痕数值模拟,通过与试验载荷位移曲线对比确定了损伤本构参数。设计轻气炮平板撞击试验,研究了HMX和RDX不同晶面的动态力学响应。低速撞击条件下（320 m/s）,HMX和RDX单晶/PMMA窗口的界面粒子速度波形均呈现出弹粘“塑性”双波结构,结合阻抗匹配方法,得到了各晶面的动态力学参数。冲击条件下,HMX和RDX各晶面冲击Hugoniot弹性极限（HEL）与塑性波速Upl呈现各向异性以及压力/应变率相关性,通过分析HMX和RDX单晶的内部变形系统,解释了其弹塑性响应的各向异性。根据平板撞击试验得到的界面粒子速度波形,标定了各向异性非线性弹粘塑性本构模型参数,计算了冲击加载下HMX和RDX单晶不同晶面的热力学响应。HMX和RDX单晶弹性的各向异性以及内部滑移系的位错运动,引起压力、累积剪应变和温度的各向异性以及空间分布的不均匀性。当HMX和RDX单晶的受冲击晶面在滑移系上的分解剪应力较高时,位错更易启动并扩展,位错塑性功转热更多,从而该晶面的冲击感度可能更高。发展了考虑位错坍塌产生解理断裂的HMX各向异性损伤本构模型以及考虑界面脱粘以及粘结剂损伤的粘弹性损伤模型,研究了高应变率压缩和拉伸条件下PBX的力学响应以及损伤和失效机制。动态压缩时,晶粒内部的位错滑移累积剪应变增长迅速,达到临界值引起晶粒解理断裂,PBX更易于发生穿晶断裂。动态拉伸时,界面脱粘引起的损伤相对于晶粒解理断裂和粘结剂断裂更为显著,PBX更易于发生沿晶脱粘失效。基于HMX晶体弹粘塑性模型和粘结剂粘弹性模型,并构建考虑微观结构不均匀性的三维细观计算模型,研究了撞击条件下塑性粘结炸药（PBX）和颗粒炸药（GX）的热力学响应,量化分析了各向异性HMX晶粒和各向同性粘结剂间的相互作用。相同撞击速度下,PBX的宏观平均和局部的应力、温度都比GX低,较软粘结剂的存在,能显著减弱应力集中,结合PBX和GX细观计算得到的热点密度与冲击压力关系,表明GX的冲击感度更高。最后发展了考虑未反应单晶、反应气体的状态方程以及Arrhenius型反应速率方程的HMX晶体细观反应模型。基于此模型以及粘结剂的粘弹性模型,研究了撞击条件下PBX的热力-点火响应。将细观应力、温度和反应程度等Taylor均匀化,可得PBX宏观热力化学响应。当撞击速度V≥300 m/s时,HMX释放的化学能超过体积压缩功和位错滑移塑性功的贡献,成为PBX发生显著化学反应引起点火失稳的主要因素。