不同温度下RDX基熔铸炸药的力学性能研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:李媛媛()女硕士:.通信作者:赵雪()女博士讲师:.:./.不同温度下 基熔铸炸药的力学性能研究李媛媛赵 雪仇斯琪丁文远(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室 北京)摘要:为了探究温度对 基熔铸炸药的力学性能影响采用了单轴压缩试验和直接拉伸试验利用颗粒流数值模拟软件建立相应的数值模型并进行数值模拟试验对不同温度下 基熔铸炸药的力学性能进行了研究 结果表明研究不同温度下试样在不同应力状态阶段的微观损伤机理发现温度显著影响试样的抗压强度、抗拉强度和弹性模量抗变形能力明显依赖于温度 随着温度的升高试样的峰值强度增大弹性模量先增大后降低 根据微观裂纹、接触力链以及颗粒位移场的发育演化过程可以看出温度越低试样破坏后分块数越少越容易出现应力集中现象发生局部破坏试样完全破坏后裂纹数量随温度降低而减少接触力链数量增大颗粒位移方向由复杂分散逐渐有序抗变形能力增大关键词:熔铸炸药力学性能颗粒流法温度本文引用格式:李媛媛赵雪仇斯琪等.不同温度下 基熔铸炸药的力学性能研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言含能材料是武器毁伤目标的主要能量来源机械载荷、高低温等不利环境会影响其在加工、运输、储存和使用过程中的安全性 由于晶体缺陷和装药缺陷等不足在外界载荷作用下炸药易产生微裂纹形成热点源易发生爆轰 可以说炸药的安全性一定程度取决于其力学性能和易损性炸药的力学性能普遍较差 为了使炸药能够在低温或高温等极端环境下工作研究人员更加关注温度对炸药机械响应的影响 张文英研究了不同温度下 炸药的力学性能研究发现 炸药温度越高脆性特性越明显朱道理测试了、下 基熔铸炸药和 基熔铸炸药的力学性能研究表明药柱的抗拉强度和抗压强度均随温度的升高而降低研究了在 下聚合物粘结炸药的压缩力学性能结果表明抗压强度与温度呈负相关由此可见温度对炸药的力学性能有着不可忽略的影响 熔铸炸药是一种以熔融态进行铸装的混合炸药其装药工艺简单、适应性广、成本低 黑索金又称 具有良好的爆轰性能和力学性能广泛应用于熔铸炸药球形由于其晶体形状规则、晶体缺陷少以及机械感度更低等优点引起了许多学者的重视 现如今熔铸炸药的研究主要集中于含能材料间的相容性、爆轰性能 以及热性能 对于球形 基熔铸炸药的力学性能的研究比较少因此本文中开展温度对球形 基熔铸炸药力学性能影响的研究十分有必要本文中通过实验和数值模拟相结合的方法在不同温度条件下对球形 基熔铸炸药进行了力学性能测试使用颗粒流软件通过热力耦合对不同温度熔铸炸药的抗拉强度、抗压强度和弹性模量进行模拟探讨了不同温度条件下球形 基熔铸炸药的细观破坏机理与宏观力学性能的联系通过细观裂纹、接触力链以及位移场的研究针对熔铸炸药的变形过程验证了平行胶结模型的可行性对熔铸炸药的配方设计和工程应用有很大意义 实验与方法.试验准备本研究中使用的熔铸炸药由、组成其中 采用重结晶工艺制备出球形 进行颗粒级配后依据熔铸炸药成型工艺制成不同尺寸的试样药柱用于力学性能测试 其中:发圆柱形药柱尺寸为 用于抗压测试哑铃状药柱 发用于抗拉强度测试图 标注了直接拉伸试验药柱的尺寸其中单位为 图 直接拉伸标准试样几何形状.试验过程将制作好的炸药药柱分别在、条件下采用恒温烘箱进行处理时间为 烘好的药柱用保温桶储存备用 采用万能试验机测试了炸药药柱准静态下的力学性能试验 采 用 控 制 速 度 方 式 加 载 单 轴 压 缩 试 验 采 用 方法.抗压强度压缩法加载速度为/并在其基础上计算了弹性模量(压缩模量)直接拉伸试验采用 方法.抗拉强度直拉法加载速度为 /.数值模拟.离散元方法原理(颗粒流软件)是按时间步迭代算法不断循环计算直到颗粒流模型达到平衡状态所有颗粒的运动均由牛顿第二定律决定颗粒间的接触力和颗粒与墙体间的接触力均以力 位移定律为基础不断计算更新墙体和颗粒的状态 以颗粒间接触为例当颗粒相互接触时接触力是相对位移和刚度的函数由方程()表示即()式()中:为法向接触刚度为法向位移为接触面的单位法向量在模型建立后接触形成的初期切向的接触力初始值为零当有力施加后在每一个计算时步中颗粒之间会产生相对位移伴随的切向接触力的增量并逐步叠加接触力的切向分量表示为 ()式()中:为切向接触力增量 的表达式为()式()中:为切向刚度为切向位移增量.模型建立实际球形 基熔铸炸药药柱的固相颗粒粒度分布复杂多样为了简化模拟过程选取了 和 这 种占比最多的粒径作为数值模拟模型的颗粒组成其中大兵 器 装 备 工 程 学 报:/./颗粒面积分数为 球形 在药柱中质量占比为计算出三维孔隙率为.根据二维孔隙率和三维孔隙率的关系式得到二维孔隙率大约为.因此设置孔隙率为该值最终得到数值模拟模型如图 所示 单轴压缩试验数值模拟模型尺寸宽和高均为 形成 个颗粒根据炸药试验方法直接拉伸法试样为哑铃状数值模拟简化后取中间圆柱部分 模型高.、宽 形成颗粒数为 图 模拟模型.参数标定考虑到球形 基熔铸炸药的物理特性以及不同温度下颗粒的热膨胀使用平行粘结模型作为颗粒接触模型 平行粘结模型提供了一种表示颗粒之间的胶结物的通用方法可以模拟 的粘结作用 通过参数标定校准了 模型的参数 选择合适的颗粒细观参数模拟了宏观应力 应变曲线接近材料实际情况的变化过程 力学性能测试的细观参数标定结果如表 和表 所示表 细观力学参数 小颗粒半径/大颗粒半径/颗粒密度/().孔隙率.摩擦因数.刚度比/.有效模量/.平行粘结拉应力强度/.平行粘结黏聚力/.平行粘结摩擦角/()表 热力学参数 线性热膨胀系数/()导热系数/()比热容/().结果与讨论.应力应变曲线和力学性能参数分析对模型进行单轴压缩数值模拟得到不同温度条件下的应力应变曲线 应力 应变曲线反映了内部孔隙压实、微裂纹闭合、新裂纹萌生、扩展、合并和破坏不稳定性的渐进过程 图 分别是、条件下的试验与数值模拟所获的应力 应变曲线对比在试验中每个温度条件下选取了 组有效数据图 不同温度下实际单轴压缩试验和模拟的应力应变曲线.从图 可以看出加载初期实际试验的曲线有一段应力随应变的增大几乎没有变化该过程为药柱的微裂缝和孔隙压实阶段在数值模拟中压密阶段不明显主要原因是在模李媛媛等:不同温度下 基熔铸炸药的力学性能研究型建立时已经通过伺服机制让颗粒集合体达到比较密实的状态且模型中不存在微裂缝和孔隙等原始缺陷 载荷不断作用应力开始随着应变的增大而增大与数值模拟的曲线几乎平行 然后曲线达到峰值试验的平均峰值和数值模拟结果相差不大 应力达到峰值后应力急剧下降表现出脆性破坏的特征 表 为不同温度条件下试验与数值模拟结果对比由表 可以看出在试验中 和 时得到的抗压强度分别为.、.相较于 时分别下降了.和.说明随着温度的升高试样强度降低高温对试样软化作用明显 同一温度下试验和数值模拟分别得到的抗拉强度与抗压强度比均在 左右符合脆性材料的特性 和 条件下的弹性模量均比高温 时大说明高温会使得试样抗变形能力降低 数值模拟得到的抗压强度、抗拉强度和弹性模量与试验的结果相差不大对照表 的细观参数发现温度越高拉应力强度和黏结应力强度相应减小可以说细观参数和试样力学性能一样都具有很强的温度依赖性所以该模型可以较好地模拟不同温度条件下药柱单轴压缩和直接拉伸变形破坏的过程表 不同温度下试验和模拟的力学性能参数 抗压强度试验平均值/.模拟值/.误差/.抗拉强度试验平均值/.模拟值/.误差/.弹性模量试验平均值/.模拟值/.误差/.裂纹的演化分析图 为 种温度下试样单轴压缩破坏过程裂纹演化的数值模拟选取了 峰值应力(峰前)、峰值应力(峰前)、峰值应力、峰值应力(峰后)、峰值应力(峰后)个时刻 图 中蓝色表示剪切裂纹绿色表示拉伸裂纹同一温度下加载至 峰值应力(峰前)局部区域产生颗粒间的粘结破坏出现少量微裂纹左侧局部放大图可以看出小颗粒间最先产生裂纹裂纹长度较短 应力达到峰值时开始产生拉伸裂纹大颗粒间出现破坏微裂纹数量逐渐增多并相连形成宏观裂纹 加载至 峰值应力(峰后)产生了上下贯通的宏观裂纹并在局部形成的断面与水平面呈现近 的夹角有部分颗粒脱离模型主体剪切裂纹更多的出现在模型的最终破坏中表明剪切裂纹比拉伸裂纹对试样的破坏贡献更大 图 为单轴压缩试验破坏的结果发现试样出现了表面碎屑和碎块的剥离破坏面与试样端面的夹角也在 范围说明数值模拟结果与试验的破坏情况基本吻合 由于实际试验在不同温度下最终呈现的宏观损坏结果差别不大因此要研究温度对炸药力学性能影响还是要看应力应变曲线以及模拟所得细观破坏变化图 不同温度下单轴压缩模拟试验裂纹演化.图 单轴压缩试验结果.图 为 种温度条件下单轴压缩试验数值模拟得到的裂纹 应变曲线图由图 可以看出随着温度的降低裂纹开始产生时所对应的应变越大、和 对应的屈服应变分别为.、.和.与温度呈现反比趋势到达屈服应变后裂纹数量快速增大 从裂纹开始产生、裂纹数量急剧增大到破坏状态趋于稳定都能和上述裂纹演化过程对应上 在 时最终的裂纹数量要大于常温和高温状态说明低温条件下试样抗压缩变形能力大兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 单轴压缩模拟试验在不同温度下的裂纹 应变曲线.图 为直接拉伸破坏过程裂纹演化的数值模拟选取了相同 个时刻同一温度下加载至峰值应力时模型局部开始出现微裂纹由左侧局部放大图可以看出微裂纹先产生于小颗粒间裂纹逐渐加深、数量增多、长度增大最终左右贯通形成宏观裂纹模型被拉断失去承载力 加载至 峰值应力(峰后)时温度越高产生裂纹的区域越多图 不同温度下直接拉伸模拟试验裂纹演化.图 为直接拉伸实际试验结果由图 可以看到破坏断面较为平整几乎没有产生碎屑或碎片且与试样端面平行通过试验与数值模拟结果比较两者拉伸破坏情况基本一致 由于实际试验当中使用夹具夹在了圆柱两端试验操作中试样不一定能完全贴合地放置在夹具中会导致受力不均会出现裂纹贯通处出现在夹具所夹之处而模拟中试样会受力均匀因而裂纹出现在比较靠近中间的地方图 直接拉伸试验结果.图 为不同温度条件下直接拉伸试验数值模拟得到的裂纹 应变曲线图 、对应的屈服应变分别为.、.和.小于单轴压缩试验的屈服应变 随着温度的升高试样最终产生的裂纹数量越大屈服应变也越小和单轴压缩试验结果基本一样说明高温弱化了试样抗变形能力使得试样容易发生变形并产生裂纹图 直接拉伸模拟试验在不同温度下的裂纹 应变曲线.力链演化分析图 为压缩模拟试验力链变化图 选取了相同的 个时刻图 中以蓝色线条为接触力链粗细表示力的强弱由局部放大图可以看出大颗粒间力链比小颗粒间力链粗说明大颗粒承载了更多的载荷 在 峰值应力(峰前)时力链大小均匀相互连接呈近垂直状分布 应力增大达到峰值部分力链断裂可以看到颜色变浅 加载至 峰值应力(峰后)时力链不断消失损伤区域周围颗粒产生的力链更加密实成为强力链出现应力集中现象 加载至 峰值应力(峰后)和 峰值应力(峰后)时可以看到随着温度的增大力链越细应力集中越不明显颗粒间胶结力越小说明温度越高试样抗压强度越小李媛媛等:不同温度下 基熔铸炸药的力学性能研究图 不同温度下单轴压缩模拟试验力链演化.不同温度下的力链数量 应力状态曲线如图 所示由图()可以看出单轴压缩数值模拟中在同一温度下峰值应力(峰前)前接触力链数量几乎没有改变应力到达 峰值应力(峰前)后破坏加强力链数量下降的速度加快结合接触力链图说明加载至 峰值应力(峰前)颗粒间力链不断断裂试样抵抗变形的能力变小 对比不同温度条件下的曲线发现在高温下力链数量下降最快图 不同温度下的力链数量 应力状态曲线.图 为直接拉伸数值模拟接触力链示意图每个温度条件下也选取了相同 个时刻由局部放大图可以看出力链均匀分布、方向不一 在同一温度时加载至峰值应力试样开始出现局部破坏力链断裂消失加载至 峰值应力(峰后)试样断裂面加深到 峰值应力(峰后)时试样基本完全断裂断裂处力链消失在加载至相同应力时温度越高颜色越浅力链越细 直接拉伸试验模拟中在相同应力状态下随着温度不断增大颗粒间接触力链数量呈下降趋势图 不同温度下直接拉伸模拟试验力链演化.位移场演化分析颗粒位移矢量图选取了相同 个时刻箭头标注了颗粒的主要位移方向 图 为单轴压缩数值模拟颗粒位移场同一温度下在应力达到峰值前端部颗粒沿着力的方向移动中间部分颗粒向两侧移动当达到 峰值应力(峰后)时位移方向开始发生紊乱并产生分块现象对照裂纹演化图可以得知颗粒位移方向不相同处即为产生破裂变形处并伴随裂纹的发展峰值应力(峰后)时 种温度的位移场“四角”包围“核心”现象即:个角的部分分别向两侧运动中间部分成为“核心”板块而核心部分运动复杂位移方向多样形成漩涡状结构随着温度升高颗粒位移分布更加分散位移场分块数明显增加试样破坏程度加深由此说明颗粒间相对滑动增多试样抗变形强度减小而低温时试样破坏后板块较少破坏模式主要为剪切破坏 图 为直接拉伸数值模拟颗粒位移场图同一温度下在应力达到峰值前端部颗粒沿着载荷的方向移动大部分的颗粒位移方向竖直试样中间部分位移最小位移方向与兵 器 装 备 工 程 学 报:/./端面平行指向试样的中心 从试样中间到上下两端颗粒位移方向由水平逐渐转向竖直向外移动当达到 峰值应力(峰后)时试样破坏处颗粒位移方向开始变得复杂并产生漩涡随着温度升高试样分块增多颗粒间相对滑动增多导致试样更容易变形所得位移场规律和单轴压缩试验相似图 不同温度下单轴压缩模拟试验位移场演化.图 不同温度下直接拉伸模拟试验位移场演化.结论)采用颗粒流法对 基熔铸炸药的力学性能进行模拟得到了应力应变曲线和试验相比基本一致从获得的力学参数可知温度越高抗拉强度和抗压强度越低并且两者的比值在 左右高温状态下的弹性模量低于常温和低温条件下的说明温度越高试样抗变形能力越低微观参数和试样力学性能参数有相同的升降趋势都具有很强的温度依赖性验证了模型的可靠性)数值模拟微观裂纹的产生和发展揭示了试样破坏的过程 在同一温度条件下小颗粒间先产生裂纹大颗粒后产生裂纹剪切裂纹数量多于拉伸裂纹对试样的破坏贡献更大单轴压缩试验中断裂斜面与水平先呈现 直接拉伸试验产生的断裂面基本水平破坏状态能够对应数值模拟结果)接触力链显示了试样受力的传递路径大颗粒间的接触力链要强于小颗粒间大颗粒承受更多的载荷 峰值应力(峰后)的力链图表明温度越低试样局部应力集中现象越明显)颗粒位移方向和微观裂纹的演化有明显的对应关系加载初期不同温度试样的位移场几乎没有变化在不断施加力的过程中位移方向开始发生紊乱并产生分块现象温度越高颗粒相对滑动越多试样板块数也越多位移方向越复杂试样抗变形强度越低李媛媛等:不同温度下 基熔铸炸药的力学性能研究参考文献:张文英邓晓雅陈思瑾等.热感度热膨胀及力学性能的分子动力学模拟.火炸药学报():.():.朱道理周霖张向荣等.及 基熔铸炸药综合性能比较.含能材料():.():.():.杨斐罗一鸣李秉擘等.高品质 在 中的溶解及反复熔融特性研究.火炸药学报():.():.陈思扬丁玉奎陈松等.混合溶剂体系下制备超细化 试验研究.兵器装备工程学报():.():.:.():.:.:.():.():.():./.:./.:.():.():.().:.何咏睿朱晟武利强.粗粒料二维与三维孔隙率的对应关系研究.水力发电():.():.钟一鹏.国外炸药性能手册.北京:兵器工业出版社.:.科学编辑 贾宪振 博士(西安近代化学研究所 研究员)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./