PBX细观力学行为的实验研究和数值模拟

本项目主要通过实验和数值模拟对高聚物粘结炸药（PBX）的细观力学行为进行研究。对炸药晶体和粘结剂的界面力学性能进行测量，获取界面力学参数。用配备有加载装置的扫描电镜对PBX在准静态拉伸和压缩等条件下细观损伤破坏过程进行原位观察，并借助数字散斑相关方法（DSCM）对细观变形场进行分析，采用高分辨率显微CT对不同加载条件下PBX的三维细观损伤破裂状态进行分析，通过这些研究获取PBX细观变形、损伤和破坏机理。对炸药晶体、粘结剂及其界面的本构关系进行研究，建立反映PBX炸药实际结构特征的细观有限元模型，对PBX细观变形破坏过程进行数值模拟，对PBX的有效粘弹性性质进行计算，并与实验结果进行比较，验证理论模型和计算方法。本项目的研究成果对于PBX炸药的设计、优化以及性能评价具有重要的参考价值。

本项目主要通过实验和数值模拟对高聚物粘结炸药（PBX）的细观力学行为进行了研究。利用材料试验机对炸药晶体和三种粘结剂的界面力学性能进行了测量，得到了界面脱粘力和脱粘应力等力学参数。进行了巴西实验、含预制裂纹的半圆盘弯曲实验和块体压缩实验，用配备有加载装置的扫描电镜对PBX在准静态拉伸和压缩等条件下细观损伤破坏过程进行原位观察，并借助数字图像相关方法（DIC）获得了细观位移场和应变场，分析了不同应力作用下PBX的细观损伤和破坏机理，定性研究了微裂纹的扩展路径。建立了显微高速DIC-SHPB测量系统，对动态载荷下PBX细观变形损伤进行了测量，得到了裂纹尖端拉伸应变场。结合断面形貌分析获得准静态和动态条件下PBX炸药的细观破坏形式和机理，结果表明模压冷压PBX主要发生界面脱粘，模压热压和热等静压PBX主要发生颗粒穿晶断裂。设计了能够用于显微CT的加载装置，对PBX准静态压缩实验进行CT观测，获取了损伤演化、裂纹形成过程。对炸药晶体的弹塑性本构、粘结剂的粘弹性本构及其界面的三阶段脱粘本构关系进行了研究，采用代表体积元法，建立了圆颗粒随机分布、六边形颗粒规则分布和真实结构的细观有限元模型，对PBX炸药弹性模量、粘弹性力学行为实现了有效预测，计算分析得到炸药颗粒形状、分布方式和级配对PBX有效弹性模量的影响规律，研究了应变率对PBX有效粘弹性性质的影响。采用双线性内聚力模型和节点分离方法对PBX准静态和动态条件下的细观变形、损伤和破坏进行了模拟，得到了破坏过程、应力应变分布和应力-应变曲线，计算结果与实验结果吻合较好。本项目的研究成果对于PBX炸药的设计、优化以及性能评价具有重要的参考价值。