損傷累積下PBX炸藥低速撞擊點(diǎn)火行為的數(shù)值模擬

王一鳴,劉 睿,陳鵬萬(wàn),賈路川,卞云龍

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽(yáng) 621900;3.內(nèi)蒙古動(dòng)力機(jī)械研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)是由炸藥晶體和高聚物黏結(jié)劑組成的含能復(fù)合材料,被廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)中。PBX炸藥在運(yùn)輸、使用、貯存、生產(chǎn)等過(guò)程中承受跌落、碰撞等意外低速撞擊,導(dǎo)致炸藥內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋等損傷,引起意外點(diǎn)火[1]。通常情況下,炸藥在服役周期中受到多次低速撞擊,引起炸藥內(nèi)部損傷累積,導(dǎo)致炸藥力學(xué)性能下降,嚴(yán)重影響其安全性。研究低速撞擊下炸藥損傷累積對(duì)點(diǎn)火行為的影響對(duì)炸藥安全性評(píng)估具有重要意義。

PBX炸藥點(diǎn)火行為涉及力-熱-化多場(chǎng)耦合過(guò)程,目前認(rèn)為低速撞擊下,炸藥內(nèi)部微裂紋的摩擦生熱在點(diǎn)火過(guò)程中具有重要作用[2]。低速撞擊下,炸藥內(nèi)部微裂紋發(fā)生擴(kuò)展、張開(kāi)、閉合、匯聚、形核等演化過(guò)程,且微裂紋的演化具有明顯的拉壓不對(duì)稱性特征[3-4]。一方面,微裂紋的演化導(dǎo)致炸藥損傷破壞;另一方面,炸藥內(nèi)溫升與微裂紋的演化密切相關(guān)。

為研究損傷對(duì)炸藥點(diǎn)火行為的影響,Idar等[5]分別對(duì)存放時(shí)間較短和較長(zhǎng)的PBX9501進(jìn)行了經(jīng)典的Steven撞擊點(diǎn)火試驗(yàn),得到點(diǎn)火速度閾值,結(jié)果表明存放時(shí)間較長(zhǎng)的炸藥點(diǎn)火閾值低于存放較短炸藥的閾值。Chidester等[6]對(duì)HMX基PBX炸藥進(jìn)行多次撞擊Steven試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)炸藥內(nèi)部損傷累積提高了PBX炸藥的撞擊感度。上述試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了損傷累積對(duì)宏觀點(diǎn)火行為的影響,但無(wú)法得到損傷對(duì)炸藥細(xì)觀點(diǎn)火過(guò)程的影響。近年來(lái),研究人員采用許多加載和觀測(cè)技術(shù)用于研究炸藥損傷累積。聶少云等[7]基于加速跌落平臺(tái)裝置,建立了多次沖擊加載試驗(yàn)裝置,研究了多次沖擊加載下裝藥損傷和點(diǎn)火機(jī)理。李濤等[8]基于高速攝影技術(shù)對(duì)PBX炸藥動(dòng)態(tài)單軸壓縮下的損傷模式進(jìn)行表征,在對(duì)低黏結(jié)劑含量PBX炸藥單軸壓縮中發(fā)現(xiàn)局部高溫區(qū)與裂紋損傷具有一致性。劉本德等[9]應(yīng)用X射線顯微層析成像技術(shù)和數(shù)字圖像處理方法,提出了一種基于損傷缺陷體積比的損傷評(píng)估方法,對(duì)不同載荷下的炸藥損傷進(jìn)行了表征。

然而,目前對(duì)炸藥損傷和點(diǎn)火行為的原位測(cè)量仍較難實(shí)現(xiàn),為了進(jìn)一步理解PBX炸藥點(diǎn)火的內(nèi)在物理機(jī)制,研究人員提出了多種微裂紋相關(guān)的PBX炸藥本構(gòu)模型。Bennett等[10]在黏彈性模型中引入統(tǒng)計(jì)裂紋擴(kuò)展機(jī)制,提出黏彈性微裂紋統(tǒng)計(jì)模型,即Visco-SCRAM模型。Visco-SCRAM模型能有效描述PBX炸藥在低速撞擊下的力學(xué)響應(yīng)過(guò)程,并成功應(yīng)用于炸藥點(diǎn)火行為的預(yù)測(cè)[11-12]。張延耿等[13]建立了含各向異性損傷的黏彈性統(tǒng)計(jì)微裂紋本構(gòu)模型,并研究了微裂紋各向異性擴(kuò)展對(duì)炸藥力學(xué)行為的影響。Reaugh等[14]考慮材料屈服面、狀態(tài)方程以及斷裂等,開(kāi)發(fā)了高爆炸藥機(jī)械刺激響應(yīng)模型(HERMES),并成功預(yù)測(cè)了炸藥的非沖擊點(diǎn)火行為。

本研究通過(guò)考慮微裂紋拉壓非對(duì)稱性演化的PBX炸藥力-熱-化耦合模型,對(duì)HMX基PBX炸藥多次撞擊下的點(diǎn)火行為進(jìn)行數(shù)值模擬,詳細(xì)分析了微裂紋損傷累積對(duì)PBX炸藥點(diǎn)火行為的影響。同時(shí),模擬了不同形狀彈丸條件下PBX炸藥多次撞擊點(diǎn)火行為,分析不同彈形對(duì)炸藥多次撞擊點(diǎn)火行為的影響。

1 PBX炸藥計(jì)算模型

1.1 PBX炸藥材料本構(gòu)模型

經(jīng)典的Visco-SCRAM模型被廣泛用于描述PBX炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。如圖1所示,Visco-SCRAM模型由n維廣義Maxwell黏彈性體單元和微裂紋演化單元組合而成,其方程為:

圖1 PBX炸藥力-熱-化耦合模型

(1)

(2)

Visco-SCRAM模型中微裂紋的演化由材料應(yīng)力狀態(tài)決定,且簡(jiǎn)化了微裂紋演化模式,忽略了微裂紋形核、生長(zhǎng)及匯聚等真實(shí)過(guò)程,導(dǎo)致不能較好地模擬PBX炸藥在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形、損傷及破壞。

本研究將微裂紋真實(shí)演化過(guò)程引入Visco-SCRAM模型中。首先,微裂紋單元的偏應(yīng)變和偏應(yīng)力間的關(guān)系為[15]:

(3)

式中:βe是與剪切模量和微裂紋密度數(shù)Nc相關(guān)的參數(shù):

(4)

不同于Visco-SCRAM模型,微裂紋密度數(shù)Nc隨時(shí)間變化,即代表了微裂紋形核過(guò)程。根據(jù)方程(3)和(4),方程(1)和(2)改寫(xiě)為:

(5)

(6)

1.2 PBX炸藥裂紋演化模型

微裂紋形核過(guò)程可以采用指數(shù)方程形式進(jìn)行描述,即微裂紋形核速率隨應(yīng)力增大而增大。炸藥破碎形成的碎片尺寸不能無(wú)限小,意味著微裂紋的形核最終達(dá)到飽和狀態(tài)。此外,Plassart等[16]觀察到了PBX炸藥在拉壓條件下應(yīng)力—應(yīng)變的不對(duì)稱現(xiàn)象,這也體現(xiàn)了裂紋形核的不對(duì)稱特征。因此,采用具有上限的非對(duì)稱指數(shù)方程來(lái)描述微裂紋的形核過(guò)程,具體形式如下:

當(dāng)裂紋表面受拉應(yīng)力σt作用時(shí),炸藥內(nèi)部微裂紋密度數(shù)量Nc的變化率滿足:

(7)

式中:Nt為拉伸條件下的最大微裂紋形核速率;σt0為微裂紋形核演化的拉應(yīng)力閾值;α為常數(shù)。

當(dāng)微裂紋處于壓縮狀態(tài)時(shí),沿微裂紋表面的剪應(yīng)力低于最大靜摩擦力,裂紋處于摩擦自鎖狀態(tài),微裂紋密度數(shù)Nc的變化率表示為:

(8)

式中:Ns為裂紋受壓閉合的最大微裂紋形核速率:τs0為摩擦自鎖條件下,微裂紋形核演化的剪應(yīng)力閾值;α1為常數(shù)。

當(dāng)沿微裂紋表面的剪應(yīng)力大于最大靜摩擦力時(shí),微裂紋表面之間發(fā)生滑動(dòng),微裂紋密度數(shù)Nc的變化率為:

(9)

式中:τs1為微裂紋滑動(dòng)摩擦的應(yīng)力閾值。

(10)

式中:g(σ,n,c)為能量釋放率;n為微裂紋表面的法方向;cR為裂紋擴(kuò)展的最大速度;n1為模型常數(shù)。

(11)

式中:γ為表面能密度;gtr和g1分別為:

(12)

(13)

從本質(zhì)上講,上述方程反映了裂紋擴(kuò)展由緩慢到快速連續(xù)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。裂紋擴(kuò)展是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂紋的混合,因此,用能量釋放率g(σ,n,c)來(lái)描述裂紋擴(kuò)展更加準(zhǔn)確,即無(wú)論裂紋受拉張開(kāi)還是受壓閉合,其能量釋放率都有:

(14)

當(dāng)裂紋拉伸張開(kāi)時(shí),應(yīng)力函數(shù)f(σ,n)為:

(15)

式中:σn和sn分別為垂直于微裂紋表面的正應(yīng)力和沿裂紋表面的剪應(yīng)力。

當(dāng)裂紋受壓閉合時(shí),如果sn≥-μσn,即微裂紋表面的剪應(yīng)力大于最大靜摩擦力,裂紋表面間發(fā)生摩擦滑動(dòng)時(shí),應(yīng)力函數(shù)為:

f(σ,n)=(sn+μσn)2

(16)

如果sn<-μσn,此時(shí)微裂紋表面滿足摩擦自鎖條件,無(wú)滑動(dòng)剪切,裂紋不發(fā)生擴(kuò)展,應(yīng)力函數(shù)為0。

微裂紋擴(kuò)展將導(dǎo)致試樣損傷,其損傷程度將隨著微裂紋半徑的增大而增大。由于微裂紋具有三維空間結(jié)構(gòu),因此,將損傷程度定義為由0到1變化的函數(shù):

(17)

1.3 PBX炸藥摩擦熱點(diǎn)形成模型

微裂紋表面摩擦生熱機(jī)制被認(rèn)為是PBX炸藥低速撞擊發(fā)生點(diǎn)火的主要機(jī)制之一。一維Frank-Kameneskii模型是考慮炸藥自身化學(xué)反應(yīng)放熱和摩擦生熱作為熱源的熱傳導(dǎo)模型[17]。具體形式如下:

(18)

(19)

1.4 模型參數(shù)及驗(yàn)證

在Bennett[10]、Wang[18]、Yang[19]等的研究基礎(chǔ)上,通過(guò)典型的炸藥低速撞擊點(diǎn)火Steven試驗(yàn),對(duì)HMX基PBX炸藥材料模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,并對(duì)計(jì)算結(jié)果有效性進(jìn)行了驗(yàn)證[20]。具體參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥力-熱-化耦合模型材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬

本研究基于Steven試驗(yàn),對(duì)PBX炸藥多次撞擊下的點(diǎn)火行為進(jìn)行數(shù)值模擬,研究損傷累積對(duì)PBX炸藥點(diǎn)火行為的影響。Steven試驗(yàn)是研究PBX炸藥低速撞擊點(diǎn)火的重要試驗(yàn)之一。如圖2(a)所示,建立Steven試驗(yàn)的1/4計(jì)算模型,包括PBX炸藥試樣、鋼制蓋板、鋼殼和聚四氟乙烯(PTFE)環(huán),其中炸藥尺寸為Φ98 mm×13 mm。圖2(b)給出了3種彈丸的形狀及尺寸,彈丸質(zhì)量為2 kg,半徑為31 mm。其中鋼選用Johnson-Cook模型,聚四氟乙烯選用彈塑性模型,表2和表3分別給出了鋼和聚四氟乙烯的材料參數(shù)。

表2 鋼的Johnson-Cook模型參數(shù)

表3 PTFE的彈塑性模型參數(shù)

圖2 Steven試驗(yàn)有限元計(jì)算模型

多次撞擊的模擬方式如下:基于LS-DYNA重啟動(dòng)技術(shù),對(duì)炸藥試樣進(jìn)行兩次撞擊,第一次撞擊速度低于炸藥的點(diǎn)火速度閾值,使炸藥內(nèi)部產(chǎn)生變形和損傷。第二次撞擊時(shí),使用相同的彈丸撞擊損傷炸藥,最終得到PBX炸藥的第二次撞擊點(diǎn)火閾值。通過(guò)改變第一次撞擊速度,得到不同損傷程度的炸藥。第一次撞擊結(jié)束后,炸藥的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和溫度將被保留。

3 結(jié)果與討論

3.1 損傷累積對(duì)點(diǎn)火影響

為了研究損傷累積對(duì)點(diǎn)火行為的影響,對(duì)卵形彈撞擊下的PBX炸藥點(diǎn)火行為進(jìn)行分析。單次撞擊下,模擬得到的HMX基PBX炸藥點(diǎn)火閾值vth為45 m/s。圖3給出了HMX基PBX炸藥第一次撞擊速度vf和對(duì)應(yīng)的第二次撞擊點(diǎn)火閾值vth,隨著第一次撞擊速度由15 m/s提高到30 m/s,點(diǎn)火閾值從37 m/s下降到26 m/s,呈非線性下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)谝淮巫矒羲俣葹?0 m/s時(shí),第二次撞擊點(diǎn)火閾值相比單次撞擊點(diǎn)火閾值下降了64%。Chidester等[6]對(duì)典型HMX基PBX炸藥進(jìn)行了單次撞擊和多次撞擊的Steven試驗(yàn),得到PBX9501、LX-10和PBX9404單次撞擊下的點(diǎn)火閾值分別為46.5、41.5、34.0 m/s,多次撞擊下的點(diǎn)火速度閾值分別為41.3、36.8、30.9 m/s。但他們僅給出了多次撞擊時(shí)的炸藥點(diǎn)火閾值,沒(méi)有給出第一次撞擊的速度,但多次撞擊下炸藥的點(diǎn)火速度閾值明顯低于單次撞擊的點(diǎn)火速度閾值,模擬得到的點(diǎn)火閾值變化趨勢(shì)與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。

圖3 卵形彈撞擊下第一次撞擊速度和第二次撞擊點(diǎn)火閾值

圖4給出了單次和多次撞擊下,點(diǎn)火時(shí)刻炸藥的溫度分布。多次撞擊下,溫度分布區(qū)域與單次撞擊下基本一致,但溫度分布比單次撞擊下更集中。撞擊過(guò)程中,PBX炸藥內(nèi)微裂紋的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。

圖4 不同撞擊速度下炸藥點(diǎn)火時(shí)刻溫度分布

圖5給出了第一次撞擊速度vf為30 m/s時(shí),炸藥撞擊點(diǎn)火過(guò)程中部分時(shí)刻的微裂紋應(yīng)力狀態(tài)和長(zhǎng)度分布,其中0.338 ms為第一次撞擊結(jié)束時(shí)刻,0.442 ms為第二次撞擊點(diǎn)火時(shí)刻。圖5的應(yīng)力狀態(tài)圖中,藍(lán)色代表微裂紋拉伸張開(kāi),綠色代表裂紋受壓但摩擦自鎖,紅色代表微裂紋受壓且克服了自鎖條件發(fā)生滑動(dòng)摩擦。0.15 ms時(shí),撞擊區(qū)域內(nèi)裂紋還未發(fā)生擴(kuò)展,遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的位置裂紋受拉張開(kāi)。隨著撞擊的進(jìn)行,撞擊區(qū)域的微裂紋發(fā)生擴(kuò)展,第一次撞擊結(jié)束時(shí),微裂紋在撞擊區(qū)域呈現(xiàn)環(huán)向分布。0.442 ms時(shí),炸藥發(fā)生點(diǎn)火,此時(shí)彈丸速度衰減為0,撞擊區(qū)域的炸藥處于卸載狀態(tài),仍有部分環(huán)向擴(kuò)展裂紋發(fā)生滑動(dòng)摩擦。從圖5的裂紋長(zhǎng)度分布中可得,撞擊過(guò)程中,遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的微裂紋先發(fā)生擴(kuò)展,撞擊區(qū)域的微裂紋后發(fā)生擴(kuò)展,最終在撞擊區(qū)域形成沿環(huán)向擴(kuò)展的微裂紋,在遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的位置形成沿徑向擴(kuò)展的微裂紋。結(jié)合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),PBX炸藥的溫升區(qū)域?qū)?yīng)于裂紋環(huán)向擴(kuò)展的區(qū)域,該區(qū)域微裂紋在撞擊過(guò)程中處于受壓閉合狀態(tài),微裂紋發(fā)生滑動(dòng)摩擦。因此炸藥的溫升由撞擊區(qū)域環(huán)向裂紋的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生,熱點(diǎn)最終形成于撞擊區(qū)域。

圖6給出了單次撞擊和多次撞擊下,點(diǎn)火時(shí)刻PBX炸藥的裂紋長(zhǎng)度分布。當(dāng)vf為25 m/s和30 m/s時(shí),炸藥撞擊區(qū)域的環(huán)向裂紋擴(kuò)展程度明顯vth為45 m/s單次撞擊的情況。多次撞擊下,隨著第一次撞擊速度的提高,第二次撞擊結(jié)束時(shí)PBX炸藥撞擊區(qū)域內(nèi)裂紋擴(kuò)展也更劇烈。

圖6 不同撞擊速度下炸藥點(diǎn)火時(shí)刻裂紋長(zhǎng)度分布

圖7(a)給出了不同撞擊速度下,炸藥內(nèi)部發(fā)生點(diǎn)火位置的裂紋擴(kuò)展和形核演化曲線,曲線中點(diǎn)劃線為第一次撞擊過(guò)程,實(shí)線為第二次和單次撞擊過(guò)程。多次撞擊中,裂紋擴(kuò)展水平隨第一次撞擊速度增加而提高,裂紋數(shù)量增加趨勢(shì)恰好相反。裂紋的擴(kuò)展與形核分別由能量釋放率和應(yīng)力狀態(tài)驅(qū)動(dòng)。第一次撞擊結(jié)束時(shí),撞擊區(qū)域微裂紋的擴(kuò)展加劇材料的軟化,導(dǎo)致第二次撞擊過(guò)程中材料內(nèi)部應(yīng)力水平降低,因此微裂紋數(shù)量增加隨第二次撞擊速度的降低而減少。由此可見(jiàn),多次撞擊中,裂紋擴(kuò)展和形核呈現(xiàn)不同的演化特點(diǎn)。

圖7 點(diǎn)火位置裂紋長(zhǎng)度、裂紋數(shù)量、溫度和損傷程度曲線

圖7(b)給出了點(diǎn)火位置的溫度和損傷程度曲線。根據(jù)熱點(diǎn)模型,當(dāng)溫度到達(dá)720 K左右時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)捩,即炸藥發(fā)生點(diǎn)火。單次撞擊下,溫度轉(zhuǎn)捩前,點(diǎn)火位置的溫升速率基本保持不變,而多次撞擊下,兩次撞擊的溫升速率明顯不同。vf為25 m/s和30 m/s時(shí),兩次撞擊速度非常接近,但第二次撞擊的溫升速率明顯高于第一次撞擊。根據(jù)熱點(diǎn)模型,在溫度轉(zhuǎn)捩前,溫升主要來(lái)自于微裂紋的摩擦生熱。由此可得,第一次撞擊引起的裂紋損傷,有助于第二次撞擊中的摩擦生熱過(guò)程。

由圖7(b)可得,炸藥發(fā)生點(diǎn)火時(shí),損傷程度接近于1,這表明炸藥點(diǎn)火時(shí),撞擊區(qū)域的炸藥接近完全破壞。當(dāng)vf為15 m/s和20 m/s時(shí),第一次撞擊下,撞擊區(qū)域微裂紋沒(méi)有發(fā)生明顯的演化,而vf為25 m/s時(shí),第一次撞擊結(jié)束時(shí)該位置裂紋長(zhǎng)度為1.93 mm,撞擊區(qū)域已經(jīng)累積了較高程度的裂紋損傷。因此vf為25 m/s的第二次撞擊中,炸藥具有更高的損傷值,損傷值越高表明該位置的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度越大,材料在該位置的軟化越嚴(yán)重。撞擊區(qū)域的損傷累積引發(fā)的材料軟化使炸藥單元的變形更容易,加劇了撞擊區(qū)域炸藥單元的剪切變形。從微裂紋摩擦引起的熱點(diǎn)模型可以得知,單元的剪切變形可以提高作用于微裂紋表面的滑動(dòng)摩擦力,加劇了微裂紋表面間的摩擦生熱,進(jìn)而誘導(dǎo)熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

3.2 不同彈丸形狀下?lián)p傷累積對(duì)點(diǎn)火行為影響

為了研究在不同彈丸撞擊下的PBX炸藥點(diǎn)火規(guī)律,本研究對(duì)HMX基PBX炸藥在平頭彈和針形彈多次撞擊下的點(diǎn)火行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。平頭彈撞擊下HMX基PBX炸藥的點(diǎn)火閾值為96 m/s。圖8給出了平頭彈撞擊下的第一次撞擊速度和第二次撞擊點(diǎn)火閾值。當(dāng)?shù)谝淮巫矒羲俣扔?0 m/s提高到70 m/s時(shí),撞擊點(diǎn)火閾值從75 m/s降至50 m/s。

圖8 平頭彈撞擊下第一次撞擊速度和第二次撞擊點(diǎn)火閾值

圖9給出了平頭彈撞擊下,炸藥點(diǎn)火時(shí)刻的裂紋長(zhǎng)度和溫度分布。

圖9 平頭彈撞擊下點(diǎn)火時(shí)刻PBX炸藥裂紋長(zhǎng)度和溫度分布

平頭彈撞擊下的損傷累積體現(xiàn)在彈丸邊緣對(duì)應(yīng)的炸藥位置。平頭彈撞擊下,彈丸邊緣對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,受壓縮剪切作用裂紋發(fā)生環(huán)向擴(kuò)展;垂直于彈頭下方的區(qū)域單元發(fā)生體積壓縮,裂紋不發(fā)生擴(kuò)展。溫度圍繞應(yīng)力集中位置分布,而中心區(qū)域裂紋不發(fā)生剪切摩擦,因此沒(méi)有溫升。平頭彈撞擊下,多次撞擊和單次撞擊的溫升區(qū)域大致相似,多次撞擊下的點(diǎn)火位置更接近炸藥的表面。由此可得,相比于卵形彈撞擊,平頭彈多次撞擊下提高了彈頭邊緣對(duì)應(yīng)區(qū)域的損傷程度,并加劇了炸藥的點(diǎn)火行為。

針形彈撞擊下HMX基PBX炸藥的點(diǎn)火閾值為16 m/s。圖10給出了針形彈撞擊的第一次撞擊速度和第二次點(diǎn)火速度閾值。當(dāng)?shù)谝淮巫矒羲俣葟?0 m/s提高到13 m/s時(shí),點(diǎn)火閾值從9 m/s降至2.2 m/s。

圖10 針形彈撞擊下第一次撞擊速度和第二次撞擊點(diǎn)火閾值

圖11給出了針形彈撞擊下炸藥點(diǎn)火時(shí)刻的裂紋長(zhǎng)度和溫度分布。單次撞擊下,PBX炸藥表面的裂紋擴(kuò)展程度較低,但多次撞擊下,PBX炸藥撞擊區(qū)域中微裂紋擴(kuò)展程度顯著提高,形成了更大范圍的局部損傷,最終導(dǎo)致了炸藥的點(diǎn)火行為。

圖11 針形彈撞擊下點(diǎn)火時(shí)刻PBX炸藥裂紋長(zhǎng)度和溫度分布

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)考慮含微裂紋拉壓不對(duì)稱性演化的PBX炸藥動(dòng)態(tài)損傷模型,與微裂紋摩擦引起的熱點(diǎn)模型結(jié)合,得到了PBX炸藥力-熱-化耦合模型。針對(duì)Steven試驗(yàn),模擬了HMX基PBX炸藥多次撞擊點(diǎn)火行為。當(dāng)?shù)谝淮巫矒羲俣葟?5 m/s增加到25 m/s時(shí),點(diǎn)火速度閾值從37 m/s下降到26 m/s,炸藥的點(diǎn)火閾值隨第一次撞擊速度增加呈非線性降低。

(2)微裂紋的損傷累積加劇了PBX炸藥的點(diǎn)火。PBX炸藥的溫升由撞擊區(qū)域環(huán)向裂紋的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生,第一次撞擊引起的微裂紋損傷累積,加劇了第二次撞擊的裂紋擴(kuò)展。隨著第一次撞擊速度的提高,第二次撞擊結(jié)束時(shí)PBX炸藥撞擊區(qū)域損傷程度更高,炸藥的破壞更嚴(yán)重,更有助于摩擦生熱,進(jìn)而降低了點(diǎn)火速度閾值。

(3)彈丸形狀引起多次撞擊下炸藥的微裂紋演化和點(diǎn)火行為不同。平頭彈多次撞擊下提高了彈頭邊緣對(duì)應(yīng)區(qū)域的損傷程度,且炸藥在該位置發(fā)生了點(diǎn)火行為。而針形彈撞擊下,多次撞擊的撞擊區(qū)域微裂紋擴(kuò)展引起的損傷程度顯著提高,最終導(dǎo)致了炸藥的點(diǎn)火行為。