炸藥沖擊損傷與起爆特性

前言

炸藥是各種武器彈藥破壞與毀傷目標的基本能源，也是國民經(jīng)濟建設(shè)中最重要的高功率能源。炸藥的性能與武器的高效毀傷性能是決定武器先進性的重要因素之一。隨著炸藥在軍民領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入和日益廣范，對炸藥起爆、爆轟安全性能的要求也越來越嚴格，對炸藥起爆機理和爆轟特性的研究也由此不斷深入。計算機技術(shù)、損傷力學及微細觀力學的迅速發(fā)展為炸藥起爆及其爆轟機理的研究提供了新的有力工具。計算機技術(shù)的高速發(fā)展，使得利用計算機數(shù)值模擬功能研究炸藥起爆及其爆轟機理成為可能。特別是高性能計算機的普及，通過建立相應(yīng)的模型研究炸藥的起爆和爆轟機理為研究炸藥的機理提供了更詳細、更直觀的數(shù)據(jù)，一些數(shù)值仿真模型已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。損傷力學經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)在金屬、混凝土復(fù)合材料等惰性材料中得到了成功的應(yīng)用。損傷是材料結(jié)構(gòu)組織在外界因素作用下發(fā)生的力學性能劣化，并導(dǎo)致體積單元破壞的現(xiàn)象。炸藥特別是PBX類炸藥可以看成是顆粒高度填充的復(fù)合材料，在沖擊載荷的作用下炸藥材料具有與惰性材料類似的損傷特性。但是炸藥由于其含能敏感性又具有與惰性材料不同的特點，在沖擊載荷作用下炸藥會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的微細觀損傷變化，這些變化一方面影響材料的力學特性，另一方面，微細觀損傷又會導(dǎo)致炸藥的含能特性（即起爆特性和爆轟特性）發(fā)生變化。因此在研究炸藥的沖擊損傷特性時必須借助損傷力學的研究方法，建立起宏觀的描述模型，同時借助微細觀力學方法，研究微細觀對起爆的影響。當前起爆機理的研究在宏觀機理研究的基礎(chǔ)上逐漸向微損傷、微細觀結(jié)構(gòu)等方向拓展，并從跨尺度的角度開始了相關(guān)研究。炸藥作為一種特殊的材料，由于沖擊載荷作用下的爆炸危險性，使得借助損傷和微觀力學的研究具有較大的難度，因此通過研究替代物研究微細觀結(jié)構(gòu)損傷具有較大的優(yōu)越性。利用計算機仿真技術(shù)和實驗技術(shù)研究微損傷對起爆特性的影響是兩個主要的手段。由于炸藥沖擊損傷的有關(guān)理論及損傷對起爆特性的研究還處于初級階段，相關(guān)的資料和論著比較少。本書正是在這個背景下編寫的，通過對當前一些研究成果的總結(jié)論述，使相關(guān)的研究人員和技術(shù)人員能夠盡快了解這方面的進展，以起到拋磚引玉的作用。全書共分5章，第1章介紹了當前含能材料損傷研究理論及現(xiàn)狀，以及損傷對沖擊起爆安全性能的影響。第2章對炸藥及其替代物的沖擊損傷實驗技術(shù)、細觀損傷觀測和表征技術(shù)進行了分析，并以PBX為典型材料進行了討論。第3章介紹了微裂紋的穩(wěn)定擴展準則和失穩(wěn)擴展準則，并結(jié)合動態(tài)斷裂理論中微裂紋擴展的速度公式建立了微裂紋的損傷演化方程；應(yīng)用細觀損傷力學中的Taylor模型方法將微裂紋引入柔度張量的計算方程中，并通過統(tǒng)計積分的方式建立了微裂紋體元的細觀損傷本構(gòu)模型；最后，通過微裂紋體元和廣義黏彈性體元的串聯(lián)耦合關(guān)系推導(dǎo)了材料體元的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，建立了PBX類炸藥的黏彈性統(tǒng)計細觀損傷本構(gòu)模型。第4章主要介紹了損傷對炸藥沖擊起爆特性影響的試驗研究，并對拉氏分析技術(shù)進行了說明。第5章主要介紹了利用數(shù)值仿真技術(shù)研究損傷對起爆性能的影響，通過對炸藥沖擊起爆機理和化學反應(yīng)速率方程的理論分析，建立了帶損傷的宏觀化學反應(yīng)速率方程和一個與炸藥初始孔隙率、孔隙尺寸相關(guān)的細觀反應(yīng)速率模型，并將其嵌入有限元程序DYNA2D中。本書通過對不同初始密度、不同孔隙尺寸的PBX炸藥進行一維和二維沖擊起爆過程計算，比較了這些參數(shù)對沖擊起爆感度的影響。通過數(shù)值計算結(jié)果對試驗現(xiàn)象及結(jié)果進行了分析，事實說明所建立的模型能夠正確模擬炸藥的起爆過程，并對損傷炸藥的起爆機理進行了合理解釋。本書是在以往及目前所做研究工作的基礎(chǔ)上編寫而成的，黃風雷教授、段卓平教授等對本書中的研究內(nèi)容給予了悉心指導(dǎo)，在此對他們的關(guān)懷和幫助表示衷心的感謝。周棟、姚惠生博士對本書也提供了許多資料。此外本書的內(nèi)容參考了一些國內(nèi)外的文獻，在此一并表示致謝。

內(nèi)容概要

本書通過理論分析、試驗研究及數(shù)值模擬3個方面對PBX炸藥沖擊損傷，以及損傷對炸藥沖擊起爆性能的影響進行了闡述。全書共分5章，第1章簡單介紹了當前含能材料損傷研究理論及現(xiàn)狀，以及損傷對沖擊起爆安全性能的影響；第2章對炸藥及其替代物的沖擊損傷實驗技術(shù)、細觀損傷觀測和表征技術(shù)進行了分析；第3章重點討論炸藥的損傷本構(gòu)模型；第4章主要介紹損傷對炸藥沖擊起爆特性影響的試驗研究；第5章主要介紹利用數(shù)值仿真技術(shù)研究損傷對起爆性能的影響。    本書適合于從事含能材料、彈藥工程與爆炸技術(shù)科技人員和相關(guān)專業(yè)的研究生閱讀、參考。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  引言  1.2  炸藥沖擊起爆性能研究概述    1.2.1  炸藥沖擊起爆的試驗研究    1.2.2  沖擊起爆機理理論研究    1.2.3  炸藥沖擊起爆機理的數(shù)值模擬研究  1.3  炸藥沖擊損傷及其對炸藥起爆機理影響的研究  參考文獻第2章  炸藥及其替代物的沖擊損傷試驗技術(shù)  2.1  PBX炸藥沖擊損傷試驗研究    2.1.1  PBX 炸藥沖擊損傷試驗研究    2.1.2  測試系統(tǒng)    2.1.3  試驗加載及回收裝置  2.2  沖擊損傷試驗結(jié)果表征    2.2.1  密度測量    2.2.2  損傷炸藥超聲波波速測試  2.3  PBX炸藥沖擊損傷過程的數(shù)值模擬    2.3.1  軸向壓縮加載情況下有限元模型    2.3.2  軸向無約束條件下的損傷模型探討  2.4   PBX炸藥與其替代物沖擊損傷的 相關(guān)性分析    2.4.1  炸藥模擬材料的沖擊損傷試驗研究    2.4.2   PBX炸藥的沖擊損傷及其細觀分析    2.4.3  三軸沖擊壓縮載荷作用下?lián)p傷的細觀分析  2.5  本章小結(jié)  參考文獻第3章  PBX炸藥損傷本構(gòu)模型  3.1  PBX炸藥細觀損傷理論  3.2  黏彈性細觀損傷模型簡述    3.2.1  Visco-scram模型簡介    3.2.2  Visco-scram模型的改進  3.3  PBX炸藥損傷本構(gòu)模型    3.3.1  模型的假設(shè)條件    3.3.2  微裂紋體損傷度表征    3.3.3  微裂紋體的偏量本構(gòu)關(guān)系    3.3.4  微裂紋擴展準則    3.3.5  微裂紋體的體量本構(gòu)關(guān)系    3.3.6  廣義黏彈性體本構(gòu)關(guān)系  3.4  本章小結(jié)  參考文獻第4章  損傷炸藥沖擊起爆性能試驗研究技術(shù)  4.1  隔板試驗裝置及測試系統(tǒng)  4.2  未損傷炸藥隔板試驗    4.2.1  試驗用H型錳銅壓阻傳感器標定    4.2.2  試驗結(jié)果    4.2.3  試驗結(jié)果分析  4.3  隔板入射沖擊波壓力的理論計算  4.4  損傷炸藥的沖擊起爆試驗結(jié)果  4.5  三軸壓縮沖擊加載條件下炸藥起爆機理的分析  4.6  拉格朗日分析方法  4.7  本章小結(jié)  參考文獻第5章  損傷炸藥沖擊起爆的理論和數(shù)值模擬  5.1  化學反應(yīng)速率方程的有關(guān)理論  5.2  含損傷的宏觀反應(yīng)速率方程的建立及應(yīng)用    5.2.1  炸藥反應(yīng)速率方程的整體標定    5.2.2  被發(fā)炸藥PBX    5.2.3  PBX炸藥模擬結(jié)果    5.2.4  其他炸藥計算結(jié)果  5.3  細觀反應(yīng)速率模型的建立及應(yīng)用    5.3.1  細觀反應(yīng)速率模型的建立    5.3.2  反應(yīng)速率模型的參數(shù)確定  5.4  孔隙率等初始物理不均勻參數(shù)對沖擊起爆過程影響的數(shù)值模擬研究    5.4.1  一維數(shù)值模擬計算    5.4.2  二維數(shù)值模擬計算  5.5  本章小結(jié)  參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 炸藥及其替代物的沖擊損傷試驗技術(shù)2.1 PBX炸藥沖擊損傷試驗研究在沖擊載荷作用下的材料損傷破壞研究中，人們發(fā)現(xiàn)不同性質(zhì)的材料其損傷破壞機制不同。根據(jù)微觀損傷破壞形式，大致分為兩類，即脆性損傷和延性損傷。一般來講由微裂紋成核、成長、聚合而產(chǎn)生的損傷稱為脆性損傷；由微孔穴成核、成長、聚合而產(chǎn)生的損傷稱為延性損傷。有相當一部分材料在沖擊損傷過程中同時產(chǎn)生微裂紋和微孔穴，對于這類材料可以根據(jù)其主要損傷形式來區(qū)分，以微裂紋為主的損傷稱為脆性損傷，以微孔穴為主的損傷稱為延性損傷。PBX炸藥是一種高顆粒填充度的含能復(fù)合材料，在沖擊載荷作用下發(fā)生損傷破壞演化的情況比一般的金屬材料復(fù)雜。從細觀分析可以看出，在沖擊載荷作用下，損傷形式既有微裂紋又有少量的孔穴產(chǎn)生，但損傷模式以微裂紋為主，因此在研究時可以按照脆性斷裂材料進行處理。材料在應(yīng)力波的作用下出現(xiàn)微孔穴和微裂紋，以及受損傷材料本構(gòu)關(guān)系屬于細觀斷裂力學和損傷力學的研究范圍。損傷力學的發(fā)展使我們可以利用連、續(xù)介質(zhì)力學的方法，通過引入表征材料內(nèi)部細觀缺陷的損傷內(nèi)變量，建立合適的損傷模型，考察損傷對材料宏觀力學性質(zhì)的影響及材料損傷演化的過程和規(guī)律。在研究炸藥的動態(tài)損傷破壞時，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷理論，首要的問題是如何對其損傷行為進行描述。即如何定義損傷，以及如何對損傷進行度量和檢測。首先通過沖擊試驗對PBX進行沖擊加載，利用超聲波測試技術(shù)對損傷試樣的超聲波波速進行測試，然后利用聲速的變化對損傷度進行度量。在試驗的基礎(chǔ)上建立有限元模型，對沖擊加載過程進行數(shù)值模擬，與試驗結(jié)果進行分析，對損傷炸藥的本構(gòu)關(guān)系進行討論分析。

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《炸藥沖擊損傷與起爆特性》由電子工業(yè)出版社出版。

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