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(biāo)的基本能源，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(duì)炸藥起爆、爆轟安全性能的要求也越來越嚴(yán)格，對(duì)炸藥起爆機(jī)理和爆轟特性的研究也由此不斷深入。計(jì)算機(jī)技術(shù)、損傷力學(xué)及微細(xì)觀力學(xué)的迅速發(fā)展為炸藥起爆及其爆轟機(jī)理的研究提供了新的有力工具。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使得利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬功能研究炸藥起爆及其爆轟機(jī)理成為可能。特別是高性能計(jì)算機(jī)的普及，通過建立相應(yīng)的模型研究炸藥的起爆和爆轟機(jī)理為研究炸藥的機(jī)理提供了更詳細(xì)、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(xué)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(xué)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(diǎn)，在沖擊載荷作用下炸藥會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的微細(xì)觀損傷變化，這些變化一方面影響材料的力學(xué)特性，另一方面，微細(xì)觀損傷又會(huì)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(shí)必須借助損傷力學(xué)的研究方法，建立起宏觀的描述模型，同時(shí)借助微細(xì)觀力學(xué)方法，研究微細(xì)觀對(duì)起爆的影響。當(dāng)前起爆機(jī)理的研究在宏觀機(jī)理研究的基礎(chǔ)上逐漸向微損傷、微細(xì)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(xiǎn)性，使得借助損傷和微觀力學(xué)的研究具有較大的難度，因此通過研究替代物研究微細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷具有較大的優(yōu)越性。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究微損傷對(duì)起爆特性的影響是兩個(gè)主要的手段。由于炸藥沖擊損傷的有關(guān)理論及損傷對(duì)起爆特性的研究還處于初級(jí)階段，相關(guān)的資料和論著比較少。本書正是在這個(gè)背景下編寫的，通過對(duì)當(dāng)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(jìn)展，以起到拋磚引玉的作用。全書共分5章，第1章介紹了當(dāng)前含能材料損傷研究理論及現(xiàn)狀，以及損傷對(duì)沖擊起爆安全性能的影響。第2章對(duì)炸藥及其替代物的沖擊損傷實(shí)驗(yàn)技術(shù)、細(xì)觀損傷觀測(cè)和表征技術(shù)進(jìn)行了分析，并以PBX為典型材料進(jìn)行了討論。第3章介紹了微裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展準(zhǔn)則和失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則，并結(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；應(yīng)用細(xì)觀損傷力學(xué)中的Taylor模型方法將微裂紋引入柔度張量的計(jì)算方程中，并通過統(tǒng)計(jì)積分的方式建立了微裂紋體元的細(xì)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(jì)細(xì)觀損傷本構(gòu)模型。第4章主要介紹了損傷對(duì)炸藥沖擊起爆特性影響的試驗(yàn)研究，并對(duì)拉氏分析技術(shù)進(jìn)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(duì)起爆性能的影響，通過對(duì)炸藥沖擊起爆機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)速率方程的理論分析，建立了帶損傷的宏觀化學(xué)反應(yīng)速率方程和一個(gè)與炸藥初始孔隙率、孔隙尺寸相關(guān)的細(xì)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(duì)不同初始密度、不同孔隙尺寸的PBX炸藥進(jìn)行一維和二維沖擊起爆過程計(jì)算，比較了這些參數(shù)對(duì)沖擊起爆感度的影響。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果進(jìn)行了分析，事實(shí)說明所建立的模型能夠正確模擬炸藥的起爆過程，并對(duì)損傷炸藥的起爆機(jī)理進(jìn)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(fēng)雷教授、段卓平教授等對(duì)本書中的研究?jī)?nèi)容給予了悉心指導(dǎo)，在此對(duì)他們的關(guān)懷和幫助表示衷心的感謝。周棟、姚惠生博士對(duì)本書也提供了許多資料。此外本書的內(nèi)容參考了一些國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，在此一并表示致謝。

內(nèi)容概要

本書通過理論分析、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬3個(gè)方面對(duì)PBX炸藥沖擊損傷，以及損傷對(duì)炸藥沖擊起爆性能的影響進(jìn)行了闡述。全書共分5章，第1章簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)前含能材料損傷研究理論及現(xiàn)狀，以及損傷對(duì)沖擊起爆安全性能的影響；第2章對(duì)炸藥及其替代物的沖擊損傷實(shí)驗(yàn)技術(shù)、細(xì)觀損傷觀測(cè)和表征技術(shù)進(jìn)行了分析；第3章重點(diǎn)討論炸藥的損傷本構(gòu)模型；第4章主要介紹損傷對(duì)炸藥沖擊起爆特性影響的試驗(yàn)研究；第5章主要介紹利用數(shù)值仿真技術(shù)研究損傷對(duì)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(yàn)研究    1.2.2  沖擊起爆機(jī)理理論研究    1.2.3  炸藥沖擊起爆機(jī)理的數(shù)值模擬研究  1.3  炸藥沖擊損傷及其對(duì)炸藥起爆機(jī)理影響的研究  參考文獻(xiàn)第2章  炸藥及其替代物的沖擊損傷試驗(yàn)技術(shù)  2.1  PBX炸藥沖擊損傷試驗(yàn)研究    2.1.1  PBX 炸藥沖擊損傷試驗(yàn)研究    2.1.2  測(cè)試系統(tǒng)    2.1.3  試驗(yàn)加載及回收裝置  2.2  沖擊損傷試驗(yàn)結(jié)果表征    2.2.1  密度測(cè)量    2.2.2  損傷炸藥超聲波波速測(cè)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(yàn)研究    2.4.2   PBX炸藥的沖擊損傷及其細(xì)觀分析    2.4.3  三軸沖擊壓縮載荷作用下?lián)p傷的細(xì)觀分析  2.5  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章  PBX炸藥損傷本構(gòu)模型  3.1  PBX炸藥細(xì)觀損傷理論  3.2  黏彈性細(xì)觀損傷模型簡(jiǎn)述    3.2.1  Visco-scram模型簡(jiǎn)介    3.2.2  Visco-scram模型的改進(jìn)  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(kuò)展準(zhǔn)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(xiàn)第4章  損傷炸藥沖擊起爆性能試驗(yàn)研究技術(shù)  4.1  隔板試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)  4.2  未損傷炸藥隔板試驗(yàn)    4.2.1  試驗(yàn)用H型錳銅壓阻傳感器標(biāo)定    4.2.2  試驗(yàn)結(jié)果    4.2.3  試驗(yàn)結(jié)果分析  4.3  隔板入射沖擊波壓力的理論計(jì)算  4.4  損傷炸藥的沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果  4.5  三軸壓縮沖擊加載條件下炸藥起爆機(jī)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(xiàn)第5章  損傷炸藥沖擊起爆的理論和數(shù)值模擬  5.1  化學(xué)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(biāo)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(jì)算結(jié)果  5.3  細(xì)觀反應(yīng)速率模型的建立及應(yīng)用    5.3.1  細(xì)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(duì)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(jì)算    5.4.2  二維數(shù)值模擬計(jì)算  5.5  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 炸藥及其替代物的沖擊損傷試驗(yàn)技術(shù)2.1 PBX炸藥沖擊損傷試驗(yàn)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(jī)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(zhǎng)、聚合而產(chǎn)生的損傷稱為脆性損傷；由微孔穴成核、成長(zhǎng)、聚合而產(chǎn)生的損傷稱為延性損傷。有相當(dāng)一部分材料在沖擊損傷過程中同時(shí)產(chǎn)生微裂紋和微孔穴，對(duì)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(xì)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(shí)可以按照脆性斷裂材料進(jìn)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(xì)觀斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的研究范圍。損傷力學(xué)的發(fā)展使我們可以利用連、續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，通過引入表征材料內(nèi)部細(xì)觀缺陷的損傷內(nèi)變量，建立合適的損傷模型，考察損傷對(duì)材料宏觀力學(xué)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(dòng)態(tài)損傷破壞時(shí)，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷理論，首要的問題是如何對(duì)其損傷行為進(jìn)行描述。即如何定義損傷，以及如何對(duì)損傷進(jìn)行度量和檢測(cè)。首先通過沖擊試驗(yàn)對(duì)PBX進(jìn)行沖擊加載，利用超聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)損傷試樣的超聲波波速進(jìn)行測(cè)試，然后利用聲速的變化對(duì)損傷度進(jìn)行度量。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立有限元模型，對(duì)沖擊加載過程進(jìn)行數(shù)值模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)損傷炸藥的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)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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