沖擊加載下PBX的點(diǎn)火特性與力學(xué)特性間的關(guān)系

陳春燕，栗保華，李 昆，高立龍，王曉峰，南 海，寧 棟

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

國(guó)內(nèi)外關(guān)于炸藥點(diǎn)火原因的研究很多，國(guó)外根據(jù)熱點(diǎn)起爆機(jī)制提出炸藥裝藥與殼體材料間形成的底隙、間隙、氣泡、縮孔等缺陷是造成炸藥點(diǎn)火的重要原因[1]。澆注PBX以其良好的低易損性成為炸藥裝藥的重要品種。經(jīng)組分及工藝控制，澆注PBX中已無(wú)宏觀可見缺陷,但研究發(fā)現(xiàn)PBX依然會(huì)發(fā)生點(diǎn)火[2-3]。

圍繞PBX的點(diǎn)火特性，國(guó)內(nèi)外對(duì)PBX的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[4-6]，試圖建立PBX力學(xué)行為與其點(diǎn)火響應(yīng)間的關(guān)系。Yehuda[7]根據(jù)Susan和Steven試驗(yàn)，認(rèn)為L(zhǎng)X-04炸藥的點(diǎn)火與壓力和炸藥的塑性應(yīng)變率有關(guān)，并獲得了LX-04炸藥的點(diǎn)火閾值關(guān)系；Kim等[8]考慮炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)建立了粘彈塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型；溫麗晶[9]在此基礎(chǔ)上建立了剛塑性黏結(jié)劑的雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型，此熱點(diǎn)反應(yīng)模型中都引入了炸藥的彈性模量；陳朗等[10]對(duì)多組分PBX細(xì)觀結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模型中引入組分的彈性模量，表明沖擊作用下混合炸藥點(diǎn)火點(diǎn)位于大變形的TATB內(nèi)；Coffey[11]在落錘實(shí)驗(yàn)中對(duì)炸藥試樣采用溫度顯影技術(shù)，炸藥在撞擊表面發(fā)生點(diǎn)火，溫度顯影結(jié)果顯示了大應(yīng)變徑向流動(dòng)導(dǎo)致溫升，認(rèn)為力學(xué)變形和剪切過(guò)程導(dǎo)致的局部溫升是落錘實(shí)驗(yàn)的炸藥點(diǎn)火機(jī)制；屈可朋等[12]研究表明，PBX炸藥在被動(dòng)圍壓下的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而增加，進(jìn)一步研究表明[13]隨著應(yīng)力率的增加，PBX炸藥的撞擊安全性降低；盧芳云等[14]采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的手段研究了JHL-3炸藥的非沖擊點(diǎn)火機(jī)理，建立了考慮力學(xué)性能的細(xì)觀熱點(diǎn)機(jī)制的自定義模型程序，并首次提出“局部應(yīng)變”和“局部應(yīng)變率”可能導(dǎo)致炸藥的點(diǎn)火。

以上報(bào)道揭示了炸藥力學(xué)特性與其點(diǎn)火特性間存在某種聯(lián)系，但關(guān)于這種聯(lián)系的進(jìn)一步研究未見報(bào)道。本研究以具有不同力學(xué)特性的PBX為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同力學(xué)特性PBX在落錘撞擊下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，以期為無(wú)CT可見疵病PBX的力學(xué)特性設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品及儀器

Al粉，活性98.9%，粒徑為13μm，西安航天化學(xué)動(dòng)力廠；RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；HTPB，數(shù)均分子質(zhì)量分別為1500、2800、4000g/mol，羥值分別為1.50、0.78、0.59mmol/g，黎明化工研究院；TDI，化學(xué)純，北京化學(xué)試劑公司。

FEI QUANTA 600型環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)，美國(guó)FEI公司，實(shí)驗(yàn)電壓10kV，環(huán)境為高真空模式。

1.2 PBX的制備

PBX配方組成見表1。

表1 PBX的配方組成

注: N為鍵合劑；Mn為HTPB的數(shù)均分子質(zhì)量。

依據(jù)文獻(xiàn)[15]的制備方法，將PBX澆注進(jìn)Φ40mm×40mm的模具，60℃固化至硬度不變，脫模進(jìn)行藥面修整后以備性能測(cè)試。

1.3 落錘加載下PBX的力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

落錘加載試驗(yàn)依據(jù)GJB 5403.2-2005《炸藥裝藥發(fā)射安全模擬試驗(yàn)方法-第2部分：落錘沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行。

試樣尺寸Φ40mm×40mm，落錘質(zhì)量400kg。套筒尺寸：內(nèi)徑為40mm，外徑為90mm，高度為150mm；墊片直徑為40mm，厚度為5mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 材料模擬參數(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[16]的方法測(cè)試獲得了PBX在限制條件下的力學(xué)參數(shù)，見表2。

2.2 落錘加載下PBX力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值模擬

以落錘實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，利用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件建立三維模型，模型采用Lagrangian六面體網(wǎng)格劃分，各部分間采用自動(dòng)面面接觸算法。計(jì)算過(guò)程中，落錘作為加載源以一定速度對(duì)模擬樣彈中的上擊柱進(jìn)行撞擊，上擊柱將沖擊力作用于樣品。落錘質(zhì)量400kg，通過(guò)落錘撞擊速度的改變調(diào)節(jié)作用在樣品上的應(yīng)力，獲得一定彈性模量藥柱的力學(xué)響應(yīng)曲線。落錘加載試驗(yàn)的計(jì)算模型由底座、套筒、下?lián)糁|片、藥柱、上擊柱、落錘部分組成，計(jì)算模型如圖1所示。藥柱尺寸是Φ40mm×40mm。

落錘、套筒、擊柱和底座所用材料為T10鋼，利用Johnson-Cook(J-C)材料模型描述，見公式(1)：

(1)

墊片所用材料為聚四氟乙烯，采用彈塑性隨動(dòng)硬化模型描述，見公式(2)：

(2)

藥柱采用分段線性塑性模型Mat piecewise linear plasticity來(lái)模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 落錘加載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3為落錘加載下具有不同彈性模量PBX上測(cè)得的最大應(yīng)力(σm)和PBX加載后的狀態(tài)。圖2、圖3和圖4分別為落錘加載后裝載不同彈性模量PBX殼體的外觀圖、不同彈性模量落錘加載后的外觀圖及不同彈性模量PBX加載后的微觀圖。

表3 PBX沖擊加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可見，對(duì)同一彈性模量PBX，隨著落高(H)的增加，作用在PBX上的應(yīng)力增加，當(dāng)落高達(dá)到2500mm時(shí)，PBX-2和PBX-3都發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

根據(jù)落高與應(yīng)力間的公式：

H=v0t+1/2gt2

(3)

vt=v0+gt

(4)

(5)

mvs=Ft

(6)

式中：H為落高，m；g為重力加速度，N/kg；v0=0；vt為某一時(shí)刻的速度，m/s；m為落錘的質(zhì)量，kg；vs為作用在樣品上的速度，m/s；F為作用在樣品上的力，kg·m/s2；t為作用時(shí)間，s。

由公式(6)可見，隨著落高的增加，落錘作用在樣品上的速度增加，相同時(shí)間的作用力增加。表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。

從圖2可見，大落錘實(shí)驗(yàn)后，不同PBX的殼體外觀不同，裝有PBX-1藥柱的殼體未出現(xiàn)外觀變化；PBX-2藥柱的殼體出現(xiàn)了黑色附著物，經(jīng)分析為PBX的燃燒產(chǎn)物；PBX-3藥柱的殼體出現(xiàn)裂紋和黑色附著物。由圖3可見，PBX-1藥柱結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生燃燒反應(yīng)，PBX-2藥柱上的聚四氟乙烯墊片上出現(xiàn)黑色附著物，斷面平整，可見黏結(jié)劑燃燒終止的痕跡，燃燒面積較小，PBX-2發(fā)生了燃燒反應(yīng)；PBX-3藥柱的聚四氟乙烯墊片上出現(xiàn)黑色附著物，斷面不平整，可見大量孔洞且燃燒面積較大， PBX-3發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)。由圖4可見，PBX-1藥柱為正常的PBX斷面圖；PBX-2藥柱的斷面平整連續(xù)性較好，分析為發(fā)生燃燒反應(yīng)后的燃燒熄火面；PBX-3的斷面上有明顯的燃燒空洞，燃燒較為劇烈。

3.2 PBX力學(xué)響應(yīng)的模擬結(jié)果

3.2.1 模擬應(yīng)力曲線與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力曲線的對(duì)比

大落錘撞擊時(shí)，PBX應(yīng)力—時(shí)間曲線見圖5。

由圖5可知，大落錘從同一落高撞擊PBX時(shí)，PBX上的應(yīng)力-時(shí)間曲線表現(xiàn)出正弦波形態(tài)，應(yīng)力表現(xiàn)為先增大后減小的態(tài)勢(shì)。隨著PBX彈性模量的增加，作用在PBX上的最大應(yīng)力值增加，應(yīng)力上升階段的時(shí)間減小。

根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線，驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。將2500mm落高下模擬計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比(見圖5)，可見模擬計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線基本吻合，故認(rèn)為該模型能夠合理地反應(yīng)落錘沖擊加載過(guò)程。

3.2.2 力學(xué)響應(yīng)的模擬結(jié)果

圖6為PBX不同時(shí)刻的模擬應(yīng)力圖。

由圖6可看出，PBX上的應(yīng)力分布不均勻，呈現(xiàn)出藥柱表面中心應(yīng)力小、邊緣應(yīng)力大的特點(diǎn)，因?yàn)樗幹吘壴谑苈溴N撞擊力的同時(shí)，還受殼體的摩擦剪切作用，結(jié)果呈現(xiàn)出邊緣總應(yīng)力更大。

目前，由于測(cè)試技術(shù)的限制，還無(wú)法準(zhǔn)確表征PBX 在落錘加載下的實(shí)時(shí)應(yīng)變，模擬獲得的應(yīng)力-時(shí)間曲線與測(cè)試應(yīng)力-時(shí)間曲線高度吻合，本研究又測(cè)試了限制條件下PBX的彈性模量，根據(jù)公式σ=Eε可計(jì)算獲得應(yīng)變-時(shí)間曲線，再對(duì)應(yīng)變-時(shí)間曲線求導(dǎo)，可獲得落錘加載下PBX的應(yīng)變率-時(shí)間曲線，見圖7。

由圖7可知，應(yīng)變率為實(shí)時(shí)應(yīng)變率，在某時(shí)刻PBX有一個(gè)最大值。

表4為不同PBX的力學(xué)響應(yīng)模擬計(jì)算結(jié)果，根據(jù)此數(shù)值可進(jìn)一步分析PBX的點(diǎn)火機(jī)制。

表4 PBX的力學(xué)響應(yīng)模擬結(jié)果

由表4和圖7可見，具有不同力學(xué)強(qiáng)度的PBX，在落錘加載時(shí)，PBX上的最大力學(xué)響應(yīng)數(shù)值不同，具體表現(xiàn)為隨著彈性模量的增大，在藥柱邊緣的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變率增加。

3.3 PBX的點(diǎn)火特性與其力學(xué)特性間的關(guān)系

模擬計(jì)算結(jié)果表明，圍壓彈性模量在1.12～4.36 GPa范圍內(nèi)，藥柱上的應(yīng)力和應(yīng)變率隨著彈性模量的增加而增加，且應(yīng)力和應(yīng)變率在藥柱邊緣較大。結(jié)果表明，彈性模量較大的PBX在應(yīng)力和應(yīng)變率較大的邊緣部位發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)。

PBX屬于高分子基黏彈性材料，在撞擊加載下，發(fā)生了黏彈性變形，即彈塑性變形，根據(jù)材料在動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中的生熱公式[19]

塑性熱：Q=βσγ

式中：Q為熱量，J；β為功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，σ為應(yīng)力，N/m2；γ為應(yīng)變率，s-1。

彈性熱：Q=αETγ

式中：α為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；E為材料的彈性模量，N/m2；T為溫度，K。

當(dāng)材料應(yīng)力越大、應(yīng)變率越高時(shí)，在撞擊加載條件下因塑性變形產(chǎn)生的熱量越多；當(dāng)材料彈性模量越大，應(yīng)變率越高，實(shí)驗(yàn)溫度越高時(shí)，因材料發(fā)生彈性變形產(chǎn)生的熱量越多。且塑性生熱公式和彈性生熱公式表明生熱量的大小都與材料加載下的應(yīng)變率相關(guān)。

根據(jù)撞擊加載下PBX力學(xué)響應(yīng)的模擬結(jié)果，藥柱邊緣某時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變率乘積達(dá)到最大值，此刻產(chǎn)生的熱量使炸藥邊緣點(diǎn)的溫度急劇升高，成為熱點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。

不同彈性模量在同一落高撞擊下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。

可見撞擊加載下，導(dǎo)致無(wú)疵病PBX點(diǎn)火的根本原因是PBX上某時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變率的乘積很大，高的應(yīng)力和應(yīng)變率使PBX內(nèi)部界面間因摩擦剪切產(chǎn)生的熱量大于PBX燃燒反應(yīng)所需的熱量，從而使PBX發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。同一落高加載下(彈性模量在1.12～4.36GPa范圍內(nèi))，具有較大彈性模量的PBX上的作用應(yīng)力和應(yīng)變率都較大，所以具有較大彈性模量的PBX更易發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。為了確保PBX的安全性，PBX配方的彈性模量應(yīng)向小模量方向設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

(1)落錘撞擊結(jié)果表明，圍壓模量為1.12GPa的PBX完好無(wú)損，圍壓模量為2.25GPa的PBX發(fā)生了輕微的燃燒反應(yīng)，圍壓模量為4.36GPa的PBX發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)。

(2)采用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬計(jì)算不同彈性模量PBX在落錘加載下的內(nèi)部力學(xué)行為，結(jié)果表明，隨著PBX彈性模量的增加，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變率增大。

(3)結(jié)合動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中的生熱公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得PBX的點(diǎn)火特性與PBX的彈性模量，應(yīng)力和應(yīng)變正相關(guān)，彈性模量可通過(guò)配方和工藝控制，進(jìn)而影響應(yīng)力和應(yīng)變，為保證PBX安全，設(shè)計(jì)PBX的圍壓加載彈性模量為1.12GPa。