含损伤PBX宏细观力学表征及非冲击起爆机制研究

炸药的损伤及其对起爆的影响是炸药爆轰性能研究和安全性研究的一个前沿性问题，也是一个难点问题。它与材料细观、宏观层面上的损伤情况以及外界刺激条件相关，研究方法需要将细观力学、宏观力学、损伤力学和爆炸力学等研究手段进行交叉融合。本课题旨在通过预制或实验手段获得含损伤的高聚物粘结炸药（PBX）试样，并通过显微分析获取其细观形态。在细观层面，利用离散元方法模拟含损伤PBX在外力作用下，材料的细观结构变化，并获取在宏观上也可以进行表征的力学、热学等参量的变化情况；在宏观层面上设计摩擦、剪切等实验，研究含损伤PBX的非冲击起爆性能，对实验过程中的力学参数和温度进行测量，并与细观模拟结果进行对比和验证，获取起爆判据；最终建议一套从细观到宏观研究炸药起爆机制的研究方法，揭示含损伤PBX的非冲击起爆机制。

高聚物粘结炸药（PBX）是一类具有较高能量密度、优良机械性能和较高安全性能等的高能复合材料。然而，这些炸药在使用过程中意外爆炸事件时有发生。这些意外事件一般是在低幅值长脉冲（0.01~1.0GPa，~102μs）等非强冲击刺激下发生意外点火起爆，称为炸药的非冲击点火。这种意外点火可能会造成严重的人员财产损失及战场上弹药战斗力的丧失。因此，非冲击加载下炸药安全性研究成为重要而又亟待解决的课题。. 本项目从细观和宏观两种不同尺度对PBX的细观损伤机理、非冲击起爆特性进行了研究，建立了系统的研究方法，获得了对PBX非冲击起爆机制的初步认识。. 首先，对PBX炸药的细观损伤发展进行了研究。实验方面，采用准静态和动态巴西实验对磨抛后的试样进行加载，回收试样观细观损伤发展情况。结果表明，PBX炸药中裂纹是主要的损伤形式。静态加载时，微观裂纹主要为界面脱粘裂纹，宏观裂纹主要为穿晶断裂裂纹。动态加载时，观察到的微裂纹和宏观裂纹均为穿晶断裂。数值模拟方面，采用离散元数值方法模拟PBX炸药在巴西实验过程中的裂纹扩展过程，模拟给出的应变场分布符合巴西实验的理论分析结果。进一步建立了能反映PBX炸药细观结构的模型，并模拟了PBX炸药圆盘试样受巴西实验加载后的响应情况。. 其次，开展了PBX炸药非冲击点火机制研究。实验方面，开展了SHPB砧骨压缩实验、基于微型SHPB实验平台的剪冲实验两种非冲击点火实验，获得了炸药发生点火的临界加载条件。理论方面，详细分析了孔洞塌缩和裂纹摩擦两种细观热点机制下热点形成过程及重要参数的影响规律。进一步将本构模型连同两种热点机制一起通过二次开发功能嵌入LS-DYNA软件中，形成了既体现炸药宏观力学性能又考虑细观热点机制的自定义模型程序，并通过模拟非冲击点火实验验证了模型的有效性。. 最终建立了一套细观物理机制清晰、能有效预测宏观加载下PBX炸药安全性响应的宏细观结合的数值模拟方法。