低速撞击条件下PBX炸药点火机制及判据研究

It is important to study ignition mechanism of explosives under low velocity impact for the assessment of safety and preventing unintentional explosion accident. We mainly use experimental and numerical method to study the ignition mechanism and ignition criterion of PBX explosives under low velocity impact. A modified Steven test is developed to implement the low-velocity impacting experiment of PBX explosives. We visualize the ignition time and location of explosive during impacting process, measure the pressure, temperature and the relative violence of the explosive reactions, and analyze the recovery shell and residual explosives through physical and chemical method. Study the ignition mechanism of explosive under low velocity impact. We propose a igitation criterion, relying on the plastic work, frictional work and shearing work, and then incorporate the criterion into the LSDYNA processor to simulate the ignition of PBX explosives under low-velocity impact. The effects of plastic, shear deformation and friction on the ignition of PBX explosives are investigated based on the simulation results.The stress histories, temperature distribution,ignition time and ignition location are achieved to calibrate and verify with the experimental results. It is shown that the calculation method is able to accuately predict the ignition of PBX explosives under low velocity impact.

低速撞击下PBX炸药点火机制的深入研究对于开展炸药安全性评估及防止炸药发生意外爆炸事故具有十分重要的指导意义。本项目主要通过实验和数值模拟方法对低速撞击下PBX炸药的点火机制及点火判据进行研究。改进Steven试验装置，进行PBX炸药低速撞击的实验，对炸药撞击过程中的点火时间、点火位置进行观察记录，对PBX炸药受力过程、炸药表面温度分布以及反应剧烈程度进行测量，对回收壳体及炸药残留物进行理化分析。综合研究低速撞击下PBX炸药的点火机理，建立考虑塑性功、摩擦功和剪切功效应的综合点火判据，并嵌入到LSDYNA程序进行低速撞击下PBX炸药点火的数值模拟，分析塑性、剪切变形以及摩擦对PBX炸药点火的影响作用，获取不同条件下炸药的应力历程、温度分布、点火时间、点火位置等，和实验结果比较验证，实现低速撞击下PBX炸药点火的有效预测。

本项目采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法对低速撞击下PBX炸药的力学响应和点火判据进行了研究。采用Steven试验装置对不同尺寸PBX炸药进行了圆头弹低速撞击试验。通过锰铜压力计、高速摄影和冲击波超压测试系统测量得到撞击过程中的压力历史、撞击及反应过程、爆炸阈值速度、爆炸延迟时间和反应烈度等参数，分析得到了不同尺寸炸药在撞击过程中的响应特性。结果表明爆炸阈值速度随着装药厚度的增加而增大，最大反应能量释放率随装药厚度的增加而增大，随装药直径的增加而减小。利用改进的落锤装置对炸药材料进行了冲剪实验，借助数字图像相关方法（DIC）获得了位移场和应变场，分析了炸药的损伤破坏机理，对点火区域的观察表明炸药试样的塑性功沉积区、应变集中带、裂纹产生位置、温度集中位置以及点火位置相互重合。利用改进SHPB杆搭建了动态冲剪实验测试系统，对片状PBX炸药进行了不同撞击速度的冲剪实验，测量了PBX炸药的动态变形破坏过程，利用DIC计算得到动态位移场及应变场。PBX炸药的冲剪实验表明，平头冲头下PBX试样主要由于剪切作用形成三角形破坏。.建立了一种新的基于“高功率条件下的塑性功”点火判据，并结合Steven试验结果，确定了PBX炸药的点火判据参数。建立了平头弹、圆头弹和针头弹三种形状弹头的Steven试验的有限元模型，采用该点火判据对不同装药尺度和不同形状弹头撞击下PBX炸药的点火速度阈值、点火时间和点火位置进行了预测，预测结果与试验结果符合较好。考虑炸药的自热反应，采用Arrhenius方程和热力耦合方法对三种不同形状弹头（平头弹、圆头弹和针头弹）低速撞击PBX炸药的点火进行了数值模拟。计算得到炸药反应的速度阈值和实验结果较吻合。实现了低速撞击下PBX 炸药点火的有效预测。炸药采用带损伤裂纹的Winfrith本构模型，建立了落锤撞击实验的计算模型，对PBX炸药低速撞击下裂纹的起裂，扩展和破坏等力学响应进行了计算。计算结果和实验吻合较好。计算分析了不同应变率和冲头形状对PBX炸药变形场，应力场和损伤区的影响。计算得到损伤度随应变率的增加先增大，随后基本不变。平头冲头形成剪切和拉伸损伤，而圆头和尖头冲头主要形成拉伸损伤。本项目的研究成果对于开展炸药安全性评估及防止炸药发生意外爆炸事故具有重要的参考价值。