基于各向异性微裂纹统计的PBX炸药粘弹性损伤本构模型和热点模型研究

Under abnormal environment, especially weak impact conditions,explosives detonating mechanism is very complex and includes material damage, thermo-mechanical coupling effect. Studies of explosives non-shock ignition mechanism and prediction method have important significance to the safety assessment of weapons and ammunition and guiding weapons design. Establishing a theoretical model and numerical simulation method used to describe the mechanical behavior and ignition mechanism for the plastic bonded explosives, is an important foundation to study these problems. This project intends to carry out the studies of constitutive model and hot-spot model containing anisotropic micro-crack damage and visco-elastic characteristic for plastic bonded explosives, to establish theoretical model coupled mechanical-thermo-chemical reaction and numerical simulation method, to analyze the effect of explosives mechanical properties by its internal damage, to achieve the numerical simulation of hot spot formation for typical explosives under conditions of weak shocks, and to explore the non-shock ignition mechanism for high explosives. The research is expected to provide a theoretical basis and analysis method for studies of explosives detonating mechanism under complex stress conditions.

异常环境特别是弱冲击条件下炸药的起爆机理非常复杂，包含了材料损伤、热力耦合效应等因素。炸药非冲击点火机制及其预测方法的研究对于武器弹药安全性评估和指导武器设计都有重要意义，建立用于描述PBX炸药力学行为和点火机制的理论模型及数值模拟方法，是开展此类问题研究的重要基础。本项目拟开展PBX炸药含各向异性微裂纹损伤和粘弹性特征的本构模型和热点模型研究，建立力-热-化学反应耦合的理论模型和数值模拟方法，分析炸药损伤对其力学性能的影响规律，实现典型炸药在弱冲击条件下热点形成的数值模拟，探讨炸药非冲击点火机制。研究成果有望为复杂应力条件下炸药起爆机理研究提供理论依据和分析方法。

低强度冲击载荷作用下炸药的点火反应机理非常复杂，包含了材料损伤、热力耦合效应等因素。开展炸药非冲击点火机制及预测方法的研究，建立用于描述PBX炸药力学行为和点火机制的理论模型及数值模拟方法，对武器弹药安全评估和指导武器设计都有重要意义。. 本项目开展了PBX炸药含微裂纹损伤的本构模型和热点模型研究，以及非冲击点火的数值模拟方法研究。首先，采用统计力学的方法，考虑损伤炸药宏观上的粘弹性特征和细观上微裂纹面的方向性，建立了含各向异性微裂纹损伤和粘弹性特征的本构模型（Aniso-Visco SCRAM），开展了单轴加载条件下PBX9501的力学响应研究，分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性，考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能等主要参数的敏感性及影响规律；并且应用于平板碰撞试验、动态巴西试验、位移场测量试验及模拟跌落试验的数值模拟，计算所得炸药试件的应力、应变幅值、损伤演化和变形特征与实测符合较好。其次，建立了基于微裂纹界面摩擦生热的点火模型，采用有限元方法对热传递方程进行了离散求解，分析了点火模型中主要参数（热点尺度、应变率和界面压力）对炸药点火的影响，数值研究表明，随着热点尺度的增大，热点的温度上升越快，越容易发生点火；应变率越大或者界面压力越高，热量积累也越快，炸药也越容易点火。最后，在力热耦合材料模型基础上，增加炸药自热放能模型，建立了力-热-化学反应耦合的数值模拟方法，该方法不需要增加经验性的点火准则和判据，在揭示点火机制方面更加合理，具有更广泛的适用性，并初步应用于Steven试验的数值分析，得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值，与试验数据符合较好，校验了计算模型及其适用性，实现了典型炸药在低速撞击条件下力热响应和局域化点火的数值模拟。. 研究成果为深入研究炸药非冲击点火机理提供重要手段，对炸药安全性评估具有重要意义。