外载荷作用下高聚物粘结炸药的损伤分析与建模研究

By the combination of mechanical tests, microscopic observation and measurements, numerical simulation and and theoritical modeling, the damage analysis and study on polymer bonded explosives (PBX) under load will be carried out. Firstly, by cyclic tensile and compressive tests, as well as stepping impact tests, the mechanical behaviour and properties of PBX under different loading rates will be obtained. Then, by using high energetic X-ray, in situ 3D-CT and scanning acoustic microscopy, the size, quantity and distribution of microcracks and microvoids in the sample will be measured, and a reconstruction and a statistic analysis of microdefects will be completed. A relationship between the microdefect density par unit volume and the elastic modulus will be established. Further, a mesomechanical model will be proposed to predict the damage mainly controlled by the interfacial cracking and propagation. The emphasis is put on the effect of matrix viscosity on the damage initiation and development. The finite elements method will be further used to give the numerical simulation of damage evolution. Finally, by combining the experimental, observation, theoretical and numerical results, a series of theoretical and experimental methods for the damage evolution and prediction of PBX will be established, which will provide for the safety evaluation of PBX with solid theoretical and experimental support.

通过力学性能实验、微缺陷观测、数值模拟与理论建模相结合的方法，开展外载荷作用下高聚物粘结炸药损伤的分析与研究。首先分别采用循环拉伸和压缩、阶次冲击的实验方法，获得高聚物粘结炸药在不同加载速率作用下的力学行为及相应的力学性能；然后采用高能X射线技术、三维原位CT成像技术和超声显微技术测定材料内部微裂纹和微孔洞的尺寸、数量和分布，完成图像的三维重构和相应的微缺陷统计分析，获得单位体积微缺陷密度与弹性模量的对应关系；进而建立以界面裂纹开裂和扩展为主要损伤机制的细观力学理论模型，重点研究基体材料的粘性对于损伤的产生和演化的效应；进一步利用有限元方法进行微缺陷演化过程的数值模拟。最后，将实验、观测、理论和数值模拟结果相结合，建立高聚物粘结炸药损伤表征和预测的一套理论和实验方法，为高聚物粘结炸药的安全性评价提供可靠的理论和实验依据。

利用白糖作为含能颗粒替代材料和SWJ-9301粘结剂，制备了高聚物粘结炸药(PBXs)替代材料试样。首先完成了材料的微观结构诸如颗粒尺寸、缺陷大小与分布的实验测量，然后完成了一系列力学实验以及数值模拟工作。力学实验包括准静态的一维单调压缩实验、循环压缩实验、结合数字散斑的巴西实验、蠕变实验、结合超高速摄影的SHPB压杆实验，以及动态热机械分析实验（Dynamic Mechanical Analysis-DMA）。利用光学和电子显微镜、X射线断层扫描对于材料的破坏机理进行了详细的分析。.在准静态一维压缩实验中出现了违反常规的压胀现象。经研究发现，体积应变的增加来自于两个方面，一是由于夹杂颗粒的破碎所导致的体积增加。一是以夹杂与基体的界面脱粘所导致的自由体积增加。从理论和数值仿真两个方面揭示了由于考虑内聚力，界面强度关于颗粒特征尺度R的奇异性已经不再是（-1/2），而是（-3/2），说明内聚力的存在使得界面脱粘更加困难。随着循环应变的增加，材料的弹性模量不断降低，损伤率不断增加。微观上在压缩过程中出现孔隙的闭合和裂纹的产生及演化，表现出颗粒尺寸和空隙率的逐渐降低。利用SHPB压杆并结合超高速摄影技术，发现了试样在压缩过程中表面出现拉裂现象。根据弹性力学理论，指出试样在动态冲击作用下表面拉伸破坏是由于材料的非均匀性所产生的拉应力所致。利用一级气体炮对PBXs代替材料进行高速气泡平板冲击实验研究,发现了应力波衰减现象。利用巴西实验获得拉伸应力-应变曲线，并发现沿加载方向的宏观裂纹为材料损伤与破坏的主要机制。动态热机械分析实验给出材料在温度范围、以及频率内的储存模量和损耗角，代表材料的粘弹性性能。室温下的从弹性范围至塑性范围的压缩蠕变实验表明，蠕变行为强烈依赖于施加的应力大小，获得的蠕变指数n和蠕变系数A表明材料具有比较弱的抗蠕变性能。此外，通过粒度分析，获得粒度和孔隙率随蠕变载荷的变化规律。