被動(dòng)圍壓下澆注PBX炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究?

胡雪垚 沈 飛 肖 瑋 屈可朋

西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710065）

引言

PBX炸藥(polymer bonded explosive)通常是由主體炸藥和黏結(jié)劑組成的高能低感炸藥。澆注PBX炸藥因安全性高、抗過載能力強(qiáng)以及便于加工等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。在使用過程中，PBX炸藥常裝填于金屬?gòu)楏w內(nèi)，當(dāng)彈體承受力、熱等外界載荷作用時(shí)，炸藥常處于被動(dòng)圍壓狀態(tài)，在發(fā)射、侵徹過程中還需承受瞬時(shí)強(qiáng)沖擊作用，該狀態(tài)下炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性將直接影響其使用安全性[2]。而準(zhǔn)確獲取炸藥材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，是研究瞬時(shí)強(qiáng)沖擊作用下PBX炸藥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)。

材料在被動(dòng)圍壓加載下的力學(xué)行為與損傷演化會(huì)更加復(fù)雜。Xiao等[3]研究了低速?zèng)_擊載荷下PBX炸藥的損傷機(jī)理和斷裂模式，發(fā)現(xiàn):圍壓沖擊作用下，試樣的主要破壞模式為脫黏和解理；而非圍壓沖擊載荷下，主要破壞模式為穿晶斷裂。Dong等[4]建立了圍壓條件下混凝土材料的橫向應(yīng)變預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)橫向應(yīng)變主要取決于軸向應(yīng)變、圍壓應(yīng)力以及混凝土強(qiáng)度，而與圍壓應(yīng)力的加載歷程無關(guān)。根據(jù)圍壓加載裝置的不同，一般可分為主動(dòng)圍壓測(cè)試和被動(dòng)圍壓測(cè)試。通常情況下，主動(dòng)圍壓壓力低且恒定，適用于材料的裝配、熱膨脹等條件；而被動(dòng)圍壓壓力高且不恒定，與實(shí)際發(fā)射、侵徹過載等加載條件更為接近。Wiegand等[2]研究了0.1～138.0 MPa主動(dòng)圍壓條件下一種PBX炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn):在低圍壓應(yīng)力下，裂紋的慢速擴(kuò)展起主導(dǎo)作用；而在高圍壓條件下，塑性流動(dòng)起主導(dǎo)作用。Bailly等[5]設(shè)計(jì)了一種基于分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)系統(tǒng)的被動(dòng)圍壓試驗(yàn)方法，分析了壓力和應(yīng)變率對(duì)材料變形與損傷特性的影響，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圍壓條件下剪切應(yīng)力明顯增大。

本文中，針對(duì)一種澆注PBX炸藥，采用SHPB加載系統(tǒng)開展不同應(yīng)變率下的被動(dòng)圍壓加載試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)不同壁厚的圍壓裝置來改變圍壓應(yīng)力的大小，獲取應(yīng)變率和圍壓應(yīng)力對(duì)澆注PBX炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并進(jìn)一步揭示圍壓應(yīng)力與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系。

1 材料及試驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

選用一種HMX基澆注PBX炸藥作為研究對(duì)象，其主要組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:55%HMX、35%鋁粉和10%黏結(jié)鈍感劑，平均密度約為1.80 g/cm3，所有樣品均由西安近代化學(xué)研究所提供。分析被動(dòng)圍壓加載下圍壓應(yīng)力對(duì)澆注PBX炸藥軸向力學(xué)響應(yīng)的影響，同時(shí)開展非圍壓試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，用于非圍壓和被動(dòng)圍壓試驗(yàn)的試樣尺寸分別為?10 mm×6 mm和?16 mm×10 mm。

1.2 試驗(yàn)原理

非圍壓和被動(dòng)圍壓試驗(yàn)均采用SHPB系統(tǒng)進(jìn)行。其中，被動(dòng)圍壓試驗(yàn)通過金屬圍壓管實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)圍壓試驗(yàn)的原理是在試樣外表面增加一個(gè)內(nèi)徑與試樣外徑接近的金屬套管，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的橫向加載。采用施紹裘等[6]提出的一種改進(jìn)的SHPB被動(dòng)圍壓試驗(yàn)方法，用油膜作為傳遞壓力的介質(zhì)。

圖1為被動(dòng)圍壓裝置示意圖。圍壓管長(zhǎng)度為20 mm，內(nèi)徑2r為16 mm，并根據(jù)常用戰(zhàn)斗部工況設(shè)計(jì)了兩種圍壓管外徑2R的尺寸，分別為24 mm和36 mm。由此，兩種圍壓管的壁厚δ分別為4 mm和10 mm。試驗(yàn)時(shí)，在試樣表面均勻涂抹潤(rùn)滑油:一方面，形成油膜，起到傳遞載荷的作用；另一方面，可以減小試樣表面與圍壓管內(nèi)壁之間的摩擦[6]。

圖1 被動(dòng)圍壓試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of passive confinement test device

2 結(jié)果與討論

2.1 被動(dòng)圍壓下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能

圖2對(duì)比了應(yīng)變率為200 s-1時(shí)非圍壓和被動(dòng)圍壓(壁厚10 mm)加載下的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。以此分析澆注PBX炸藥在非圍壓和被動(dòng)圍壓條件下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能?？梢钥闯?，澆注PBX炸藥試樣的非圍壓和被動(dòng)圍壓測(cè)試的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為彈性段、過渡段和黏塑性段3個(gè)部分，具體如圖3所示。在小變形范圍內(nèi)，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；隨后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小，出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階形過渡區(qū)；隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大，軸向應(yīng)力緩慢增大，材料進(jìn)入黏塑性區(qū)。

圖2 非圍壓和被動(dòng)圍壓條件下的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Axial stress-strain curves of samples under unconfined pressure and passively confined pressure

圖3 澆注PBX炸藥典型軸向應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relationship between typical axial stress and strain of cast PBX explosive

在非圍壓加載下，澆注PBX炸藥的彈性模量和屈服應(yīng)力為0.25 GPa和5.57 MPa；而在被動(dòng)圍壓加載下，其彈性模量和屈服應(yīng)力可達(dá)5.56 GPa和171.45 MPa，分別是非圍壓加載時(shí)的22.24倍和30.78倍，表明圍壓應(yīng)力對(duì)澆注PBX炸藥的軸向力學(xué)性能有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。這是由于在被動(dòng)圍壓條件下，圍壓管的約束作用不僅會(huì)限制試樣的橫向變形，還會(huì)減緩材料內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而使得材料的軸向抗壓縮性能顯著提高；而在非圍壓條件下，澆注PBX炸藥的非線性力學(xué)性能主要取決于微裂紋的形成和演化，且隨著應(yīng)變率的增大，裂紋擴(kuò)展速率增大，破壞應(yīng)變呈遞減規(guī)律[7]。需要說明的是，被動(dòng)圍壓時(shí)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值并不代表材料所能承受的最大壓縮應(yīng)力，只是由于加載結(jié)束導(dǎo)致的。

圖4對(duì)比了兩種圍壓管壁厚時(shí)澆注PBX炸藥分別在兩種應(yīng)變率下的被動(dòng)圍壓軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，在給定圍壓管壁厚下，隨著應(yīng)變率的增大，材料強(qiáng)度表現(xiàn)出一定程度的增強(qiáng)效應(yīng)。這一方面，是由于黏結(jié)劑等組分材料的黏彈性行為；另一方面，在動(dòng)態(tài)載荷下，脆性材料會(huì)產(chǎn)生更多的微小裂紋，由于應(yīng)力反應(yīng)時(shí)間很短，且積累的能量不足以使材料破壞，往往需要較高的應(yīng)力才能使裂紋擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大[8-9]。且當(dāng)軸向應(yīng)力逐漸卸載，試樣均發(fā)生了不可逆的軸向變形，與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的結(jié)果一致。這可能是由塑性變形、局部壓實(shí)以及孔洞塌陷共同導(dǎo)致的。此外，在相同應(yīng)變率下，隨著圍壓管壁厚的增加，澆注PBX炸藥的被動(dòng)圍壓軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)強(qiáng)化趨勢(shì)。因此，圍壓應(yīng)力對(duì)材料的軸向應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)也起著重要作用。

圖4 被動(dòng)圍壓下軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Axial stress-strain curves under passive confinement

2.2 圍壓應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

如上所述，被動(dòng)圍壓條件下，材料的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線不僅取決于加載應(yīng)變率，還與圍壓應(yīng)力的大小密切相關(guān)。由于圍壓管一直處于彈性變形狀態(tài)，基于線彈性理論(厚壁圓筒彈性理論)和界面平衡條件，被動(dòng)圍壓下試樣外表面所受圍壓應(yīng)力σc和圍壓應(yīng)變?chǔ)與可表示為圍壓管外壁環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽鹊暮瘮?shù)[11]:

式中:r和R分別為圍壓管的內(nèi)半徑和外半徑；E為圍壓管的彈性模量；υ為圍壓管的泊松比。

圖5分別對(duì)比了200 s-1應(yīng)變率[圖5(a)]和10 mm厚圍壓管[圖5(b)]加載條件下澆注PBX炸藥的圍壓應(yīng)力σc與軸向應(yīng)力σz的關(guān)系?？梢钥闯?，相同軸向應(yīng)力狀態(tài)下，隨著應(yīng)變率?ε或者圍壓管壁厚δ的增加，試樣所受到的圍壓應(yīng)力均呈增大趨勢(shì):表明被動(dòng)圍壓條件下，澆注PBX炸藥所受圍壓應(yīng)力不僅取決于加載速率，還與圍壓管的壁厚密切相關(guān)。但對(duì)比圖4的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，不同應(yīng)變率和不同壁厚圍壓管加載下，澆注PBX炸藥的彈性模量基本一致，說明圍壓應(yīng)力對(duì)材料彈性段內(nèi)的軸向力學(xué)響應(yīng)影響不大。而在非線性響應(yīng)階段，圍壓應(yīng)力大的試樣軸向應(yīng)力也大:說明圍壓應(yīng)力對(duì)材料黏塑性響應(yīng)階段有明顯的強(qiáng)化效應(yīng)。

圖5 被動(dòng)圍壓下的圍壓應(yīng)力-軸向應(yīng)力曲線Fig.5 Confining stress-axial stress curves under passive confinement

2.3 圍壓應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力的影響

如前所述，被動(dòng)圍壓下澆注PBX炸藥的圍壓應(yīng)力與加載應(yīng)變率和圍壓管壁厚密切相關(guān)；但在給定圍壓應(yīng)力條件下，軸向應(yīng)力的大小主要取決于當(dāng)前的約束比，即圍壓應(yīng)力σc與非圍壓、參考應(yīng)變率條件下壓縮強(qiáng)度Sz0之比。在主動(dòng)圍壓條件下，圍壓應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力的影響系數(shù)k可以表示為當(dāng)前約束比的函數(shù)[12-13]:

式中:α、β為待定參數(shù)。

假設(shè)圍壓條件下，澆注PBX炸藥的力學(xué)響應(yīng)不受應(yīng)力路徑的影響[14]，被動(dòng)圍壓條件下的圍壓應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力的影響系數(shù)k′也可表示為:

式中:α為待定參數(shù)。

考慮到研究的被動(dòng)圍壓加載條件下最大軸向應(yīng)力并未達(dá)到試樣的軸向壓縮強(qiáng)度，因此，Sz0取材料的軸向壓縮屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明:被動(dòng)圍壓下澆注PBX炸藥的軸向應(yīng)力隨圍壓應(yīng)力的增大呈指數(shù)增大的趨勢(shì)；其屈服點(diǎn)處軸向應(yīng)力σ′z與圍壓應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為:

式中:σz0為非圍壓條件下參考應(yīng)變率為200 s-1時(shí)澆注PBX炸藥的軸向壓縮屈服強(qiáng)度，此時(shí)；Sz0=σz0；a、b、c為常數(shù)。

圖6對(duì)比了被動(dòng)圍壓加載下試驗(yàn)測(cè)量與模型預(yù)測(cè)得到的歸一化軸向屈服應(yīng)力隨當(dāng)前約束比7%。的變化曲線，兩者吻合良好，最大誤差不超過

圖6 歸一化軸向屈服應(yīng)力-當(dāng)前約束比曲線Fig.6 Normalized axial yield stress-current confinement ratio curves

3 結(jié)論

1)被動(dòng)圍壓(10 mm厚圍壓管)條件下，澆注PBX炸藥的軸向壓縮力學(xué)性能較非圍壓條件下顯著提高，其彈性模量和屈服應(yīng)力分別是非圍壓測(cè)試值的22.24倍和30.78倍。

2)隨著應(yīng)變率(200、600 s-1)和圍壓管壁厚(4、10 mm)的增大，被動(dòng)圍壓加載下澆注PBX炸藥的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈增強(qiáng)趨勢(shì)。且相同軸向應(yīng)力狀態(tài)下，圍壓應(yīng)力隨圍壓管壁厚和應(yīng)變率的增大而增大。

3)被動(dòng)圍壓加載下澆注PBX炸藥的軸向應(yīng)力隨圍壓應(yīng)力的增大呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。擬合得到軸向屈服應(yīng)力與當(dāng)前約束比之間的函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。