基于簡易沖擊分解模型的爆轟驅(qū)動(dòng)硅橡膠數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)解讀

摘要： 為了反映爆轟驅(qū)動(dòng)下硅橡膠發(fā)生沖擊分解反應(yīng)的物理過程，提出了一種簡易的硅橡膠沖擊分解模型。基于該模型，對(duì)爆轟驅(qū)動(dòng)含硅橡膠夾層鋼板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，并分析解讀了鋼板的自由面速度。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中硅橡膠發(fā)生了沖擊分解反應(yīng)，導(dǎo)致鋼板的自由面速度曲線出現(xiàn)了首次起跳中間速度平臺(tái)及首次起跳速度峰值降低的現(xiàn)象。受硅橡膠沖擊分解影響，首次入射波壓力將在臨界沖擊分解壓力附近弛豫一段時(shí)間，再繼續(xù)升高至最高壓力。該壓力波作用于鋼板的自由面后，出現(xiàn)了自由面速度在中間速度平臺(tái)停留一段時(shí)間，之后繼續(xù)升高至速度峰值的現(xiàn)象。硅橡膠沖擊分解后的氣相物質(zhì)可壓縮性較高，首次加載波內(nèi)較多的能量被用于壓縮氣體做功，導(dǎo)致首次波傳播至自由面時(shí)能量衰減，峰值壓力降低，首次起跳速度峰值降低。

關(guān)鍵詞： 硅橡膠；爆轟驅(qū)動(dòng)；沖擊分解；分解壓力

中圖分類號(hào)： O381 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

硅橡膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，作為典型的夾層結(jié)構(gòu)和緩沖結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電工程和兵器工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。這些應(yīng)用場景下，硅橡膠可能遭遇強(qiáng)沖擊加載。深入研究強(qiáng)沖擊加載下硅橡膠的沖擊分解現(xiàn)象，有利于了解和掌握硅橡膠在極端條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，從而更好地解讀復(fù)雜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，服務(wù)實(shí)際工程問題。

在較低沖擊壓力下，硅橡膠不會(huì)發(fā)生沖擊分解，很多學(xué)者對(duì)該條件下硅橡膠的材料物性進(jìn)行了研究。早期，Dowell[4] 通過擬合Hugoniot 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，提出了一種常用的硅橡膠SylgardR184 的狀態(tài)方程，并將其添加到SESAME 庫[5-6]（材料號(hào)7 930）。之后，Winter 等[7] 給出了SylgardR184 的Grüneisen 常數(shù)參考值，Dattelbaum 等[8] 給出了一種估計(jì)其Grüneisen 常數(shù)的方法。同時(shí)，硅橡膠泡沫作為一種由硅橡膠基體制備的低密度疏松材料，其沖擊壓縮特性也得到了廣泛研究[9-11]。

聚合物沖擊分解過程是指由于高壓沖擊導(dǎo)致聚合物內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高沖擊壓力下，多數(shù)聚合物都會(huì)發(fā)生沖擊分解反應(yīng)。例如，Morris 等[12] 對(duì)高壓沖擊后的聚合物樣品進(jìn)行了回收，診斷結(jié)果表明，它分解成了氣-固混合物，他們還分析了該分解現(xiàn)象對(duì)沖擊Hugoniot 的影響。通過不同壓力下的平板撞擊實(shí)驗(yàn)，Dattelbaum 等[13] 觀察到聚合物的Hugoniot 曲線在25 GPa 附近出現(xiàn)間斷，該聚合物發(fā)生了沖擊分解。針對(duì)主鏈由Si—O 鍵構(gòu)成的高分子聚合物硅橡膠，Kerley[14] 的研究表明，隨著沖擊壓力的逐漸提高，硅橡膠也會(huì)發(fā)生沖擊分解反應(yīng)，并給出了SylgardR184 發(fā)生沖擊分解的壓力閾值（20～30 GPa）。由于硅橡膠沖擊分解的觸發(fā)壓力閾值較高，極端條件下的實(shí)驗(yàn)測試診斷較為困難，在一定程度上阻礙了硅橡膠沖擊分解的研究進(jìn)程。在目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，沒有找到可描述硅橡膠沖擊分解過程的模型或方法。作為參考，給出了同樣是分解反應(yīng)的熱分解過程的部分研究成果。根據(jù)經(jīng)典的熱分解機(jī)理[15]，硅橡膠的常壓熱分解過程包含Si—O 主鏈斷開、環(huán)化等反應(yīng)生成一系列小分子環(huán)硅氧烷，部分側(cè)鏈發(fā)生斷裂反應(yīng)生成苯、甲烷等小分子[16-19]，斷鍵形成的自由基團(tuán)發(fā)生重排反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含Si、C、O 等元素的固體物質(zhì)和氫氣[20-21]。簡單來看，硅橡膠的熱分解產(chǎn)物是由絕大部分氣體及少量固體組成的混合物。

高能炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)可以產(chǎn)生超過硅橡膠沖擊分解壓力閾值的極端高壓，進(jìn)而觸發(fā)硅橡膠的沖擊分解反應(yīng)。2018 年，李濤等[22] 開展了爆轟驅(qū)動(dòng)雙層鋼板實(shí)驗(yàn)，雙層鋼板之間一半面積填充硅橡膠泡沫作為墊層，另一半則預(yù)留間隙，他們測量了不同位置上的自由面速度。2023 年，劉軍等[23] 對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬和分析，研究了間隙厚度對(duì)鋼板運(yùn)動(dòng)特征的影響。在該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析中，觀測到2 項(xiàng)異?，F(xiàn)象：一是，硅橡膠一側(cè)的首次起跳速度低于間隙一側(cè)，說明硅橡膠一側(cè)鋼板內(nèi)的入射壓力較低；二是，硅橡膠一側(cè)的自由面速度在首次起跳過程中出現(xiàn)速度平臺(tái)，說明硅橡膠一側(cè)鋼板內(nèi)的首次入射壓力波形在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了抖動(dòng)。因此，該實(shí)驗(yàn)中的硅橡膠可能發(fā)生了沖擊分解。本文中，在簡易硅橡膠沖擊壓縮模型的基礎(chǔ)上，對(duì)上述2 項(xiàng)異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析解讀。首先，給出爆轟驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算模型和初步的模擬分析；然后，基于現(xiàn)有的對(duì)硅橡膠沖擊分解現(xiàn)象的物理認(rèn)識(shí)，提出一種簡易的硅橡膠沖擊分解模型；最后，基于簡易沖擊分解模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解讀。

1 計(jì)算模型及初步分析

1.1 爆轟驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算模型

圖1 給出了高能炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)雙層鋼板實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)裝置的二維平面示意圖[22]。首先，由平面波透鏡驅(qū)動(dòng)?100 mm×20 mm的RHT-901 炸藥爆轟；之后，炸藥爆轟波驅(qū)動(dòng)?100 mm×3：5 mm的雙層45 鋼板，雙層鋼板之間一側(cè)填充厚度為0.48 mm 的硅橡膠泡沫，另一側(cè)不填充。實(shí)驗(yàn)測量了外層鋼板在不同半徑上的自由面速度： ?60 ?30 mm（ mm）位置上的測點(diǎn)S1、S2（S3、S4）分別位于硅橡膠泡沫一側(cè)和間隙一側(cè)。

采用有限元程序DYNA2D[24]，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二維軸對(duì)稱建模及模擬，簡化計(jì)算模型如圖2所示，其中，Z 為旋轉(zhuǎn)軸線方向的坐標(biāo)，R 為圓柱半徑方向的坐標(biāo)。根據(jù)孫承緯[25] 的研究結(jié)果，將平面波透鏡簡化為等效厚度為1.2 cm 的RHT-901；起爆位置設(shè)為Z = -1.2 cm，起爆方式為平面瞬時(shí)起爆，起爆模型為時(shí)間起爆模型。炸藥和鋼板的網(wǎng)格尺度為0.01 cm；硅橡膠泡沫的網(wǎng)格尺度為0.004 8 cm。R=0 處采用固壁邊界條件，其他邊界為自由邊界。炸藥與鋼板、鋼板與鋼板、鋼板與硅橡膠泡沫間的接觸面全部使用開穴滑移算法[24]。所有物質(zhì)均使用默認(rèn)的黏性系數(shù)和沙漏系數(shù)，CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）數(shù)取0.3。

材料模型中，45 鋼使用Mie-Grüneisen 狀態(tài)方程和Steinberg-Guinan（SG）本構(gòu)模型描述：

式中：ρ、p、e、T 分別為密度、壓力、比內(nèi)能和溫度（單位K），ρ0、c0 為初始密度及常壓聲速，S1、S2、S3、γ0 、λ為狀態(tài)方程參數(shù)，G、Y、G0、Y0、Ymax、Tm、Tm0分別為剪切模量、屈服強(qiáng)度、初始剪切模量、初始屈服強(qiáng)度、極限屈服強(qiáng)度、熔化溫度及初始熔化溫度，εp為塑性應(yīng)變，ε0為內(nèi)能-溫度變換函數(shù)，ε00、ε01、ε02、ε03、ε04為ε0的擬合參數(shù)， β為硬化系數(shù)，n 為硬化指數(shù)，b 為剪切模量硬化系數(shù)，h 為溫度軟化系數(shù)。若T＞Tm，則金屬熔化，取Y = G = 0。

模擬自由面附近45 鋼的拉伸斷裂過程時(shí)，采用Void-Growth 損傷模型：

式中：α、α0分別為材料孔隙度及初始孔隙度，αs、η為材料參數(shù)， 為材料損傷度，·α和·D分別為孔隙度及損傷度的變化率。當(dāng)D gt; Dcut（Dcut為臨界損傷度）時(shí)，材料斷裂，并以材料被再次壓縮到臨界斷裂狀態(tài)作為材料的再壓實(shí)判據(jù)。45 鋼的計(jì)算參數(shù)[26-28] 見表1。

未沖擊分解情況下，硅橡膠可采用式（1） 描述。針對(duì)炸藥爆轟高壓（10 GPa 量級(jí)）加載工況，忽略硅橡膠的彈塑性，采用純流體模型模擬。對(duì)于初始密度為 的硅橡膠泡沫，采用 模型[29-30] 和硅橡膠基體材料的Mie-Grüneisen 狀態(tài)方程來模擬。硅橡膠（泡沫）的計(jì)算參數(shù)[7，11] 見表2。

RHT-901 炸藥采用Jones-Wikins-Lee（JWL）狀態(tài)方程描述：

式中：A、B、R1、R2、ω為JWL 狀態(tài)方程參數(shù)， 為單位體積爆熱，V 為比體積。采用時(shí)間起爆模型計(jì)算所需的爆壓（pCJ）和爆速（DCJ）。炸藥的計(jì)算參數(shù)[31-32] 見表3。

1.2 初步模擬分析

不考慮硅橡膠的沖擊分解，對(duì)爆轟驅(qū)動(dòng)雙層鋼板實(shí)驗(yàn)[22] 進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證模擬建模及計(jì)算參數(shù)的可靠性，同時(shí)闡述一些異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖3 為起爆后5、6、7、8 和10 μs 模擬的雙層鋼板密度分布，為了突出硅橡膠區(qū)域，隱去了爆轟產(chǎn)物。可以看到，在約?50 mm范圍內(nèi)，鋼板自由面速度及內(nèi)部層裂破碎狀態(tài)基本相同，所以該區(qū)域近似為一維平面波加載區(qū)。為了避免由于模擬和實(shí)驗(yàn)中側(cè)向稀疏效應(yīng)不同引起的測速差異，在測點(diǎn)S3 及S4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。

圖4（a） 對(duì)比了間隙一側(cè)測點(diǎn)S4 處模擬和實(shí)驗(yàn)[22] 得到的自由面速度?？梢钥闯?，外鋼板自由面經(jīng)歷了2 次加載，對(duì)應(yīng)圖4（a） 中的2 次速度起跳過程。首次加載來自間隙閉合后內(nèi)、外板碰撞形成的入射沖擊波，首次加載的壓力峰值約為32 GPa。二次加載來自高壓爆轟產(chǎn)物的持續(xù)推動(dòng)，由于爆轟產(chǎn)物在經(jīng)過自由面反射的稀疏波區(qū)后才作用于外層鋼板的自由面，二次加載的壓力峰值較低（6～7 GPa）。間隙一側(cè)S4 處模擬的首次起跳時(shí)刻、首次起跳速度峰值、首次-二次加載的時(shí)間間隔以及二次加載后的穩(wěn)定速度平臺(tái)高度均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，驗(yàn)證了計(jì)算模型設(shè)置及除硅橡膠外材料參數(shù)的可靠性。

圖4（b） 給出了硅橡膠一側(cè)測點(diǎn)S3 處模擬和實(shí)驗(yàn)[22] 的自由面速度?？梢钥吹?，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要差異為：（1） 模擬的首次速度起跳峰值（1.49 km/s）比實(shí)驗(yàn)值（1.34 km/s）高約11%，首次起跳峰值時(shí)刻也比實(shí)驗(yàn)值提前0.2～0.3 μs；（2） 實(shí)驗(yàn)的首次起跳過程存在一個(gè)0.67 km/s 的速度平臺(tái)，持續(xù)約0.2 μs，而在模擬中沒有該速度平臺(tái)，表現(xiàn)為激波“一次”入射加載。此外，受這2 個(gè)差異的影響，模擬的首次-二次加載時(shí)間間隔和二次加載后的層裂片速度也與實(shí)驗(yàn)值不同。

為了分析差異產(chǎn)生的原因，基于不考慮硅橡膠沖擊分解的模擬結(jié)果，對(duì)硅橡膠泡沫的沖擊壓縮過程進(jìn)行初步的動(dòng)力學(xué)分析。圖5 給出了模擬得到的硅橡膠泡沫1/2 厚度（厚度方向第5 個(gè)網(wǎng)格）處的壓力、密度、內(nèi)能隨時(shí)間變化的曲線。硅橡膠泡沫內(nèi)的首次加載過程（4.32～4.5 μs）是由入射激波在2 層鋼板間多次反射疊加形成的。其中，首次入射（約4.32 μs）壓力約為4.6 GPa，粒子速度約為1.48 km/s，與李欣竹等[11] 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；在約4.43 μs，首次入射激波在外層鋼板內(nèi)界面的反射波形成二次加載，二次加載壓力約為15.0 GPa；在約4.5 μs，硅橡膠泡沫內(nèi)部的多次加載完成，壓力峰值約為35.0 GPa。模擬得到的各階段硅橡膠沖擊壓縮狀態(tài)符合計(jì)算模型中的材料模型設(shè)置，并且間隙一側(cè)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符，因此，硅橡膠一側(cè)模擬與實(shí)驗(yàn)的差異可能是由于硅橡膠材料模型沒有反映實(shí)驗(yàn)中的某種重要物理過程導(dǎo)致的。

由圖5 可知，硅橡膠首次加載的壓力峰值約為35 GPa，超過了Kerley[14] 給出的硅橡膠單次沖擊分解壓力閾值上限（約30 GPa）。因此，該實(shí)驗(yàn)可能觸發(fā)了硅橡膠的沖擊分解反應(yīng)，需要在計(jì)算模型中考慮該反應(yīng)才能準(zhǔn)確分析解讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 簡易的硅橡膠沖擊分解模型

目前關(guān)于硅橡膠沖擊分解的研究極少，基于對(duì)硅橡膠熱分解和炸藥爆轟過程的物理認(rèn)識(shí)，以下將提出一種可近似反映沖擊分解物理現(xiàn)象的簡易硅橡膠沖擊分解模型。

首先，分別給出未分解硅橡膠及分解產(chǎn)物的狀態(tài)方程。對(duì)于未分解的硅橡膠，采用Mie-Grüneisen狀態(tài)方程（式（1））描述。類比熱分解產(chǎn)物，硅橡膠沖擊分解后的氣相產(chǎn)物主要為氫氣、甲烷等多種氣體的混合物。參照炸藥爆轟產(chǎn)物混合氣體采用的Gamma 律狀態(tài)方程[33-35]，硅橡膠分解后的氣體混合物同樣采用Gamma 律狀態(tài)方程描述：

p =（γg -1）ρe （9）

式中：γg為混合氣體的等效γ值。當(dāng)壓力、溫度較高時(shí)，分子振動(dòng)自由度被激發(fā)，γ可近似取9/7。需要指出的是，硅橡膠熱分解后仍將殘留少部分固體或流體物質(zhì)（環(huán)氧烷及Si、O、C 組成的無定形物質(zhì)）。例如，通過熱解實(shí)驗(yàn)[36] 測量得到的某甲基乙烯基硅橡膠熱解后的固相物質(zhì)殘余率為4%，某苯基硅橡膠熱解殘余率為9%。目前，對(duì)沖擊分解后固相物質(zhì)組成及混合物物性的認(rèn)識(shí)依舊不足，本文中，忽略分解后的固相物質(zhì)，近似認(rèn)為硅橡膠完全分解為氣相物質(zhì)。這是可行的簡化，炸藥爆轟后亦產(chǎn)生少量固相產(chǎn)物，而多數(shù)情況下可將爆轟產(chǎn)物全部作為氣體考慮[33-35]。由此，無需定義分解后固相混合物的狀態(tài)方程，式（9） 可近似描述沖擊分解產(chǎn)物狀態(tài)。

然后，需要確定沖擊分解的觸發(fā)條件。參照炸藥爆轟中的臨界起爆壓力[37]，對(duì)于硅橡膠的沖擊分解，引入臨界沖擊分解壓力pd。當(dāng)沖擊壓力超過pd時(shí)，硅橡膠內(nèi)部化學(xué)鍵開始斷裂，分解反應(yīng)開始發(fā)生。顯然，pd是硅橡膠種類、溫度T 和溫度變化率·T等多種復(fù)雜因素的函數(shù)。針對(duì)本文中特定的硅橡膠、環(huán)境溫度及沖擊加載條件，分解應(yīng)力pd可取為固定值。

最后，給出沖擊分解過程的描述方法。由熱解實(shí)驗(yàn)[36] 可知，硅橡膠熱分解是吸能過程（某甲基乙烯基硅橡膠分解吸熱約為34 J/g，某苯基硅橡膠分解吸熱約為71 J/g），所以熱分解不可自持，當(dāng)壓力、溫度降低時(shí)分解會(huì)停止。目前，尚不清楚硅橡膠在高壓沖擊分解下的吸/放能行為。在高壓加載情況下，參考熱解吸能量級(jí)，假定沖擊分解的吸/放能相對(duì)于質(zhì)團(tuán)總能是小量，從而無需在控制方程中引入能量源項(xiàng)。對(duì)于硅橡膠沖擊分解的反應(yīng)速率，參照炸藥體積起爆模型中網(wǎng)格比體積達(dá)到預(yù)設(shè)的起爆比體積時(shí)炸藥瞬時(shí)起爆的做法，假定當(dāng)網(wǎng)格壓力達(dá)到或超過臨界沖擊分解壓力時(shí)，網(wǎng)格內(nèi)硅橡膠的分解反應(yīng)瞬時(shí)完成?？梢灶A(yù)見，這將造成網(wǎng)格內(nèi)分解反應(yīng)前后的壓力間斷。在后續(xù)研究中，在相關(guān)認(rèn)識(shí)充足的情況下，定義硅橡膠沖擊分解反應(yīng)速率的增長方程，結(jié)合未反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的壓力平衡模型，可使網(wǎng)格內(nèi)反應(yīng)率逐漸增加，同時(shí)避免壓力振蕩。

綜上，構(gòu)造一個(gè)簡易的硅橡膠沖擊分解模型來描述硅橡膠的沖擊分解前、后的動(dòng)力學(xué)行為：

式中： β為氣相反應(yīng)產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)，初始未分解時(shí)，β=0。式（10） 中共6 個(gè)可調(diào)參數(shù)，其中：未分解時(shí)，4 個(gè)材料參數(shù)（ρ0、c0、γ0、S 1）的取值見表2；高溫高壓時(shí)，γg≈9/7；臨界沖擊分解壓力pd則根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。

3 模擬結(jié)果及分析解讀

采用式（10）（需要先確定pd的取值）替代1.2 節(jié)中的Mie-Grüneisen 狀態(tài)方程，對(duì)爆轟驅(qū)動(dòng)雙層鋼板實(shí)驗(yàn)[22] 進(jìn)行再次模擬。由圖5 可知，在4.3～4.5 μs 范圍內(nèi)，硅橡膠經(jīng)歷多次沖擊加載，基體溫度（內(nèi)能）不斷上升。參考熱分解相關(guān)理論，基體溫度越高，分解反應(yīng)越容易發(fā)生，所以本文中臨界沖擊分解壓力pd的取值應(yīng)低于單次沖擊分解壓力。參考文獻(xiàn)[14] 中的單次沖擊分解壓力閾值范圍（20～30 GPa），這里pd分別取15、20 和25 GPa。

基于簡易沖擊分解模型，圖6 給出了硅橡膠一側(cè)測點(diǎn)S3 處模擬和實(shí)驗(yàn)[22] 的自由面速度，其中：黑色實(shí)線為實(shí)驗(yàn)值，藍(lán)色虛線為不考慮沖擊分解的模擬值（同圖4（b）），彩色實(shí)線為3 個(gè)不同臨界分解壓力下的模擬值。間隙一側(cè)的模擬結(jié)果與圖4（a） 相同，這里不再重復(fù)給出。由圖6 可知，臨界沖擊分解壓力影響了首次起跳速度平臺(tái)高度及首次起跳速度峰值：隨著pd 的增大，速度平臺(tái)高度增加，首次起跳速度峰值降低。未考慮沖擊分解（圖4（b））時(shí)，模擬與實(shí)驗(yàn)有兩點(diǎn)主要差異；而考慮沖擊分解后，如pd = 20 GPa 時(shí)，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合?？紤]沖擊分解后，兩點(diǎn)主要差異都得到了改善：（1） 模擬得到的鋼板自由面速度首次起跳高度、首次起跳時(shí)刻和首次起0：73 km=s跳峰值時(shí)刻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同；（2） 模擬結(jié)果出現(xiàn)了與實(shí)驗(yàn)類似的首次起跳速度平臺(tái)，平臺(tái)高度約為（實(shí)驗(yàn)得到的速度平臺(tái)高度約為0.67 km/s），且速度平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間基本相同（約0.2 μs）。并且，模擬的首次-二次加載時(shí)間間隔和二次加載速度峰值也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。排除鋼板層裂片內(nèi)部彈性波信號(hào)的影響后，二次加載后的層裂片速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值也基本一致。

綜上，本文的簡易沖擊分解模型能在一定程度上描述硅橡膠沖擊分解前、后的動(dòng)力學(xué)行為。不考慮沖擊分解，模擬與實(shí)驗(yàn)有兩點(diǎn)主要差異；采用簡易模型后，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，說明爆轟驅(qū)動(dòng)雙層鋼板實(shí)驗(yàn)[22] 中的硅橡膠發(fā)生了沖擊分解。

為了深入理解實(shí)驗(yàn)[22] 中首次起跳速度平臺(tái)的產(chǎn)生過程及起跳速度峰值降低的原因，量化分析了硅橡膠沖擊分解對(duì)自由面速度的影響。圖7 給出了硅橡膠泡沫1/2 厚度處的壓力和單位質(zhì)量內(nèi)能隨時(shí)間變化的曲線，其中，紅色實(shí)線為不考慮沖擊分解的模擬值（同圖5），藍(lán)色虛線為臨界沖擊分解壓力pd = 20 GPa時(shí)的模擬值。在首次加載過程中，最初的2 次沖擊加載（p 為4.6 和15.0 GPa）未能觸發(fā)沖擊分解反應(yīng)，2 條曲線完全重合。在約4.47 μs，加載壓力達(dá)到了臨界沖擊分解壓力（20 GPa），觸發(fā)了沖擊分解反應(yīng)，如圖7（a） 所示，2 條曲線出現(xiàn)了分叉。由于觸發(fā)沖擊分解反應(yīng)前、后的壓力是間斷的，瞬時(shí)反應(yīng)后，氣體產(chǎn)物的壓力較低（小于20 GPa），需要一定的弛豫時(shí)間使氣體產(chǎn)物再次達(dá)到?jīng)_擊分解壓力，才能觸發(fā)下游硅橡膠繼續(xù)沖擊分解。因此，考慮沖擊分解情況下，在4.47～4.68 μs 內(nèi)壓力出現(xiàn)了振蕩平臺(tái)，直至整個(gè)硅橡膠區(qū)域全部完成沖擊分解。振蕩平臺(tái)階段的壓力傳播入射外層鋼板后，反映在鋼板的自由面速度上，形成持續(xù)時(shí)間約0.20 μs 的首次起跳速度平臺(tái)。由于沖擊分解后氣體產(chǎn)物的可壓縮性較高，首次加載激波中較多的能量被用于壓縮氣體，圖7（b） 中，分解后氣相產(chǎn)物的內(nèi)能（藍(lán)色虛線）顯著高于不考慮沖擊分解時(shí)的內(nèi)能（紅色實(shí)線），導(dǎo)致首次波傳播至鋼板外界面時(shí)能量衰減，壓力降低，從而使鋼板自由面的首次起跳速度峰值降低。

4 結(jié) 論

提出了一種簡易的硅橡膠沖擊分解模型，以描述爆轟驅(qū)動(dòng)下硅橡膠可能發(fā)生的沖擊分解反應(yīng)?；谠撃Ｐ?，對(duì)爆轟驅(qū)動(dòng)含硅橡膠夾層鋼板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。不考慮沖擊分解時(shí)，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明顯差異；采用簡易模型后，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，說明該實(shí)驗(yàn)中的硅橡膠發(fā)生了沖擊分解。

隨著對(duì)硅橡膠沖擊分解過程認(rèn)識(shí)的深入，本文的模型可進(jìn)一步改進(jìn)，例如，臨界沖擊分解壓力可隨壓力、溫度、應(yīng)變率等因素變化。

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（責(zé)任編輯 王影）

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（12101062，12271054）