冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()山西省青年科学基金项目()作者简介:裴柯磊()男硕士研究生:.通信作者:肖有才()男副教授:.:./.冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究裴柯磊肖有才肖向东王志军(.中北大学 机电工程学院 太原.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室 北京)摘要:为获取传爆药在冲击载荷作用下的细观损伤模式及本构模型基于一级轻气炮装置设计 传爆药多轴冲击损伤实验获得了不同速度下应力历程曲线并利用扫描电镜对回收试样进行细观形貌观测 基于黏弹性统计裂纹模型开发 子程序代入到 中对 实验进行数值模拟对照实验结果验证了模型以及参数的有效性并进一步对多轴冲击试验进行数值模拟分析不同速度下 损伤度 结果表明:多轴冲击下 内部损伤主要为穿晶断裂 损伤度随着速度增大而变大 数值模拟与实验结果吻合较好本构模型可较好描述在不同加载条件下传爆药的力学特性关键词:多轴冲击黏弹性统计裂纹模型损伤本文引用格式:裴柯磊肖有才肖向东等.冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().:引言近年来含能材料动态力学性能及损伤机制研究成为弹药安全性评估的一个重要环节 不同数值模型及相关数值模拟方法被广泛应用于预测含能材料的力热化学耦合响应过程 等通过在损伤模型加入损伤参数预测了 炸药的力学响应特性 胡偲等对 炸药采用 模型研究了不同温度下低速撞击带壳装药的点火阈值 炸药中微缺陷(微裂纹、微孔洞等)也会其力学性能造成影响 等基于微裂纹损伤模型建立了统计裂纹动力学模型对材料中微裂纹进行叠加获得了材料的宏观力学性能 等 通过将 个并联的 体和一个微裂纹体串联提出了粘弹性统计微裂纹损伤模型()研究了 冲击损伤特性为武器系统以及含能材料安全评估提供了重要的参考 传爆药作为引信传爆序列中 种传统装药国内外学者 对 其 物 理 化 学 性 质 和 爆 轰 特 性 进 行 了 详 细 研究 但对不同加载条件下力学性能研究报道很少 张子敏等 利用分离式 研究了 在不同冲击载荷下的动态力学性能给出了试件在不同应变率下的应力应变曲线 等通过准静态和 实验获得了在.、.、应变率下 传爆药的应力应变曲线并利用 本构模型描述了不同应变率下炸药的力学行为但所使用模型并未包含损伤单元并不能较好描述 的力学性能本研究中基于一级轻气炮设计了多轴冲击装置对 在多轴加载下动态力学性能进行了研究并利用扫描电镜对回收试样进行了细观形貌观测分析了 损伤形式 采用松弛试验获取了 松弛模量和松弛时间基于黏弹性统计裂纹模型编写了 子程序代入到 中对实验进行了数值模拟验证了本构模型以及参数的有效性给出了不同速度下试件损伤情况 实验部分.实验材料 密度约为./其中 约占.粘结剂约占石墨约占.图 为 细观形貌由图 可见内部含能颗粒端面清晰不规则散布于聚合物中直径主要在 之间图 细观形貌.实验装置图()所示为轻气炮作为加载装置的多轴冲击实验系统为确保实验过程的安全加载装置安装在 个高压靶仓内通过控制一级轻气炮高压仓中的压力进而调整实验子弹的冲击速度进而产生不同幅值的应力脉冲采用 型电测速仪来测量子弹的冲击速度实验时子弹撞击入射杆将应力脉冲传递给 试件由于 试件径向约束从而达到多轴加载的效果应力脉冲在 表面发生反射和透射通过提前安装好的半导体应变片测得入射应力脉冲和透射应力脉冲实验加载装置如图()所示子弹、引 导 杆、加 载 装 置 材 料 为 高 强 度 钢 屈 服 强 度 子弹和引导杆直径 长度分别为、实验中 尺寸为 图 多轴冲击实验.裴柯磊等:冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究.实验结果实验结果如表 所示 由表 可见随着冲击速度的增加 实验后的厚度不断减小这是由于压装药 内部存在大量微裂纹以及微孔洞在多轴加载下由于试件径向受到约束在速度较低时试件发生微裂纹以及微孔洞的聚 合、坍 塌 而 当 速 度 较 大 时 试 件 发 生 塑 性 变 形图()、图()所示为不同子弹速度时通过引导杆和底座杆上应变片记录的入射、透射应力历程曲线子弹撞击产生的应力波脉宽约为 由于 径向受到约束轴向应力要远大于单轴压缩时的应力入射、透射应力都随着子弹速度的增加幅值相应增大表 多轴冲击实验结果 实验编号速度/()试件实验前厚度/试件实验后厚度/入射应力峰值/透射应力峰值/.图 不同速度下应力历程曲线.当子弹速度为./时入射应力幅值大约为.图 为该速度下实验后的回收试样 如图 所示试样发生部分脱离且端面出现宏观裂纹此时试样所承受应力远远大于自身承载能力发生严重损伤 图 为不同速度下回收试样的细观形貌 由图 可见随着外界加载速度的 增 加 试 样 损 伤 度 逐 渐 增 加 在 速 度 为./时外界载荷幅值约为 试件内部主要发生的损伤主要为穿晶断裂并伴随着粘结剂基体的开裂当速度达到./时试样中大部分含能晶体发生断裂但当速度继续增到./时试样内部出现层状且更加密实这是由于试样内部在外界载荷的作用下致使断裂的含能颗粒与粘结剂重新的聚合并且在外界应力波的作用下不断被压实图 ./速度下回收的试样./图 不同速度下微观形貌.理论分析.黏弹性统计裂纹模型 传爆药动态力学行为使用黏弹性统计微裂纹损兵 器 装 备 工 程 学 报:/./伤模型()描述 模型由 部分组成:一部分是广义 体另一部分是微裂纹损伤体 体中弹性元的偏应变 和黏性元 的偏应变之和为体偏应变:()弹性元的偏应变与偏应力关系为:()黏性元的偏应变与偏应力关系为:()将式()、式()代入式()有()进一步变形可得:()式()中 为松弛时间广义 体由 个 体元并联而成其偏应变率与每个 体的偏应变率相同均为而偏应力为每个 体的偏应力之和即:()()由式()和式()可得广义 体中偏应力率与偏应变率的关系为:()()()()()在远场应力作用下大量微裂纹的张开与剪切变形将使微裂纹体产生附加应变:()()式()中、分别为材料的体积、微裂纹长度()和实体角 实体角描述微裂纹的方向矢量 其中 由 个部分组成:()()/()()()()联立式()、式()和式()可得:()式()中为偏应力当 时 ()()当 时()式()中 ()为材料常数将式()两侧同乘 变形得并对时间求导可得微裂纹体的本构关系:()()()式()中 为微裂纹扩展速度给出裂纹动态失稳扩展速度的经验公式 ()()()()式()中 ()当应力强度因子 小于失稳的极限值 时裂纹仍然会缓慢低速增长试样主要受到压缩载荷的作用 ()根据应变率叠加原理 模型的偏应变率为广义 的偏应变率和微裂纹的偏应变率之和:()将式()、式()代入得:()()()()()则单个 体元的偏应力率:()()()()()()()().参数获取及模型验证采用配备温度箱的/万能试验机进行压缩松弛试验获取 松弛时间和松弛模量实验装置如图 所示图 实验装置.图 为利用时温等效原理(式()获取的主模量松弛曲线 松弛模量和松弛时间参数如表 所示裴柯磊等:冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究 裂纹参数如表 所示其中、分别为裂纹的起裂韧性、内部裂纹尺寸、裂纹扩展因子、平均裂纹半径、裂纹扩展速度 ()()()图 主模量松弛曲线.表 剪切模量和松弛时间 /.表 裂纹参数 参数数值泊松比.起裂韧性/(/).内部裂纹尺寸/.裂纹扩展因子平均裂纹半径/.裂纹扩展速度/()根据.中理论推导采用 开发 子程序为验证 模型参数以及子程序正确性利用 实验装置获取 不同应变率下的应力应变曲线 图 所示为 实验装置示意图子弹、入射杆与透射杆均为 铝直径、弹性模量以及密度分别为.、/试样直径为.厚度为 .为增加入射波上升沿消除高频弥散在入射杆前端安装 铅整形器 并在试样与杆之间端面安装薄膜式 压力传感器检测试件中应力均匀性图 实验装置(省略数据采集部分).()图 为利用子程序和实验参数的数值模拟和实验结果的对比 由图 可见数值模拟与实验曲线吻合较好因此可以认为通过实验获取的参数和编写的 子程序是有效的 图 为 压力传感器采集到加载过程中试件 个端面应力历程曲线 由图 可知两端应力历程曲线几乎重合表明在 实验中 应力处于均匀状态满足应力均匀性假设.多轴冲击实验数值模拟图()为 多轴冲击有限元模型模型中并未采用子弹撞击的载荷输入方式而是通过在入射杆端面施加实验中采集到的应力波信号网格类型采用 单元轴向和径向分别设置“”、“”接触算法 材料模型采用自定义黏弹性统计裂纹模型子程序()参数采用实验所获取的参数 图()为兵 器 装 备 工 程 学 报:/./速度为.、./时实验与数值模拟对比图 由图可见当子弹速度较低时实验与数值模拟结果吻合较好但是当速度较大时实验结果与数值模拟出现较大偏差这可能是由于实验中装置并不能做到完全固定产生了一定的扰动误差引起的 图()所示为实验测试的峰值压力与数值模拟的对比图由图可见数值模拟结果与实验吻合较好图 数值模拟与实验应力应变曲线对比.图 试件两端应力时间曲线.图 多轴冲击实验数值模拟.图 为./速度下 的损伤分布与实验回收试样对比 在多轴冲击条件下 端面的中心和边缘处都出现了较为严重的损伤数值模拟的结果也展示了这一特点 损伤云图中边缘严重损伤区呈现环状试验回收试样的边缘出现了几块非连接的损伤区这个现象是因为 并非是完全均匀化的材料内部微裂纹分布存在偏差而导致各个位置力学性能存在一定差异 图 为不同速度下 的静水应力、等效应力与损伤度(/()历程 由图 可见当速度为./时 在加载结束后损伤度约为.当速度达到./后在 时等效应力峰值为静水应力的.倍 此时主裂纹处于压剪状态材料的应力水平最高微裂纹由低速扩展变为快速扩展偏应力空间承载力降低 达到完全损伤状态图 损伤分布与实验回收试样对比.裴柯磊等:冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究图 不同速度下 的静水应力、等效应力与损伤变量.结论)传爆药多轴冲击实验中随着子弹速度增加试件厚度不断减小内部损伤主要为穿晶断裂并伴随着粘结剂基体的开裂)基于时温等效原理获取了 主压缩模量曲线表征了 粘弹性模型参数采用 霍普金森压杆实验结果验证了 模型参数正确性)基于黏弹性统计裂纹模型开发 子程序对 多轴冲击损伤实验进行了数值模拟对照实验结果表明所建立的本构模型可以较好描述 在多轴载荷下力学行为 损伤度随着速度增大而变大当速度为./时 达到完全损伤参考文献:.():.:.:.():.():.黄彬彬傅华喻寅等.基于有限元离散元结合方法的 实验三维数值模拟.含能材料():.():./.胡偲吴艳青黄风雷.高温下带金属壳 炸药低速撞击敏感性数值模拟.爆炸与冲击():.():.():.():.():./.():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.肖向东肖有才蒋海燕等.冲击波作用下引信传爆序列殉爆的数值模拟.高压物理学报():.():.李硕袁俊明刘玉存等.聚黑 的传爆装置冲击起爆实验及数值模拟.火炸药学报():.():.:.张子敏许碧英贾建新等.基于 杆技术分析典型传爆药的动态力学性能.含能材料():.():.张子敏许碧英仲凯等.冲击载荷下 传爆药的动态响应实验研究.火炸药学报():.():./.:.():.():.():.科学编辑 屈可朋 博士(西安近代化学研究所 研究员)责任编辑 涂顺泽裴柯磊等:冲击载荷作用下传爆药细观损伤模式及本构模型研究