火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (4): 369-374   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.009
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引用本文  

陈春燕, 栗保华, 李昆, 高立龙, 王晓峰, 南海, 宁栋. 冲击加载下PBX的点火特性与力学特性间的关系[J]. 火炸药学报, 2018, 41(4): 369-374. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.009
CHEN Chun-yan, LI Bao-hua, LI Kun, GAO Li-long, WANG Xiao-feng, NAN Hai, NING Dong. Relationship between Ignition Characteristics and Mechanical Properties of PBX under Impact Loading[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(4): 369-374. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.009

基金项目

国家安全重大基础研究项目

作者简介

陈春燕(1979-), 女, 工程师, 从事热固性浇注PBX的固化及力学性能研究。E-mail:ccyanzi04@163.com

通信作者

王晓峰(1967-), 男, 研究员, 从事混合炸药配方及工艺研究。E-mail:club204@163.com

文章历史

收稿日期:2017-11-17
修回日期:2018-01-30
冲击加载下PBX的点火特性与力学特性间的关系
陈春燕, 栗保华, 李昆, 高立龙, 王晓峰, 南海, 宁栋     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 为研究撞击加载下无CT可见疵病的高聚物黏结炸药(PBX)的点火特性,利用大落锤实验研究了PBX在冲击加载时的力学响应和点火机制;采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟计算了400 kg落锤、2 500 mm落高撞击加载下PBX的力学响应特性,探讨了PBX力学特性与其点火特性间的关系。结果表明,模拟加载应力曲线与实验测试曲线高度吻合;同一落高下,弹性模量为1.12~4.36 GPa时,随着PBX弹性模量的增加,作用在PBX上的最大应力增加,PBX的最大应变率增大,发生点火的概率增加。为了增加PBX的加载安全性,PBX围压加载模量的最佳值应调整到1.12 GPa。
关键词: 高聚物黏结炸药     PBX     点火特性     力学响应特性     应力     应变率    
Relationship between Ignition Characteristics and Mechanical Properties of PBX under Impact Loading
CHEN Chun-yan, LI Bao-hua, LI Kun, GAO Li-long, WANG Xiao-feng, NAN Hai, NING Dong     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: To study the ignition characteristics of non-CT visible defective plastic bonded explosive (PBX) under impact loading, the mechanical response and ignition mechanisms of PBX were studied by large drop hammer test. The mechanical response property of PBX under impact loading of 400 kg drop hammer and 2 500 mm drop height was simulated and calculated by ANSYS/LS-DYNA software. The relationship between the mechanical properties of PBX and its ignition characteristics was discussed. The results show that the simulated load stress curve is in good agreement with the experimental test curve. At the same drop height and under the elastic modulus of 1.12-4.36 GPa, with increasing the elastic modulus of PBX, the maximum stress, maximum strain rate and probability of ignition acted on PBX increase. To increase the loading safety of PBX, the optimum value of confined loading modulus of PBX should be adjusted to 1.12 GPa.
Keywords: plastic bonded explosive     PBX     ignition characteristics     mechanical response property     stress     strain rate    
引言

国内外关于炸药点火原因的研究很多,国外根据热点起爆机制提出炸药装药与壳体材料间形成的底隙、间隙、气泡、缩孔等缺陷是造成炸药点火的重要原因[1]。浇注PBX以其良好的低易损性成为炸药装药的重要品种。经组分及工艺控制,浇注PBX中已无宏观可见缺陷, 但研究发现PBX依然会发生点火[2-3]

围绕PBX的点火特性,国内外对PBX的力学性能进行了大量研究[4-6],试图建立PBX力学行为与其点火响应间的关系。Yehuda[7]根据Susan和Steven试验,认为LX-04炸药的点火与压力和炸药的塑性应变率有关,并获得了LX-04炸药的点火阈值关系;Kim等[8]考虑炸药细观结构建立了粘弹塑性单球壳塌缩热点反应模型;温丽晶[9]在此基础上建立了刚塑性黏结剂的双球壳塌缩热点反应模型,此热点反应模型中都引入了炸药的弹性模量;陈朗等[10]对多组分PBX细观结构的点火进行了数值模拟,在模型中引入组分的弹性模量,表明冲击作用下混合炸药点火点位于大变形的TATB内;Coffey[11]在落锤实验中对炸药试样采用温度显影技术,炸药在撞击表面发生点火,温度显影结果显示了大应变径向流动导致温升,认为力学变形和剪切过程导致的局部温升是落锤实验的炸药点火机制;屈可朋等[12]研究表明,PBX炸药在被动围压下的动态屈服强度随应变率增加而增加,进一步研究表明[13]随着应力率的增加,PBX炸药的撞击安全性降低;卢芳云等[14]采用实验和模拟相结合的手段研究了JHL-3炸药的非冲击点火机理,建立了考虑力学性能的细观热点机制的自定义模型程序,并首次提出“局部应变”和“局部应变率”可能导致炸药的点火。

以上报道揭示了炸药力学特性与其点火特性间存在某种联系,但关于这种联系的进一步研究未见报道。本研究以具有不同力学特性的PBX为研究对象,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同力学特性PBX在落锤撞击下的动态力学响应,以期为无CT可见疵病PBX的力学特性设计提供理论支持。

1 实验 1.1 样品及仪器

Al粉,活性98.9%,粒径为13μm,西安航天化学动力厂;RDX,甘肃银光化学工业集团有限公司;HTPB,数均分子质量分别为1 500、2 800、4 000 g/mol,羟值分别为1.50、0.78、0.59 mmol/g,黎明化工研究院;TDI,化学纯,北京化学试剂公司。

FEI QUANTA 600型环境扫描电子显微镜(ESEM),美国FEI公司,实验电压10 kV,环境为高真空模式。

1.2 PBX的制备

PBX配方组成见表 1

表1 PBX的配方组成 Table 1 Composition of PBX

依据文献[15]的制备方法,将PBX浇注进Φ40 mm×40 mm的模具,60℃固化至硬度不变,脱模进行药面修整后以备性能测试。

1.3 落锤加载下PBX的力学响应实验

落锤加载试验依据GJB 5403.2-2005《炸药装药发射安全模拟试验方法-第2部分:落锤冲击试验》进行。

试样尺寸Φ40 mm×40 mm,落锤质量400 kg。套筒尺寸:内径为40 mm,外径为90 mm,高度为150 mm;垫片直径为40 mm,厚度为5 mm。

2 数值模拟 2.1 材料模拟参数

依据文献[16]的方法测试获得了PBX在限制条件下的力学参数,见表 2

表2 PBX的力学参数 Table 2 Mechanical parameters of PBX
2.2 落锤加载下PBX力学响应的数值模拟

以落锤实验装置为基础,利用ANSYS/LS-DYNA模拟软件建立三维模型,模型采用Lagrangian六面体网格划分,各部分间采用自动面面接触算法。计算过程中,落锤作为加载源以一定速度对模拟样弹中的上击柱进行撞击,上击柱将冲击力作用于样品。落锤质量400 kg,通过落锤撞击速度的改变调节作用在样品上的应力,获得一定弹性模量药柱的力学响应曲线。落锤加载试验的计算模型由底座、套筒、下击柱、垫片、药柱、上击柱、落锤部分组成,计算模型如图 1所示。药柱尺寸是Φ40 mm×40 mm。

图 1 落锤仿真计算模型 Figure 1 Calculation model of drop harmmer

落锤、套筒、击柱和底座所用材料为T10钢,利用Johnson-Cook(J-C)材料模型描述,见公式(1):

$ {\sigma _y} = \left( {A + B{{\left( {{\varepsilon ^p}} \right)}^n}} \right)\left( {1 + C{\rm{ln}}\frac{{{{\dot \varepsilon }^p}}}{{{{\dot \varepsilon }_0}}}} \right)\left( {1-{T^{*\mathit{m}}}} \right) $ (1)

垫片所用材料为聚四氟乙烯,采用弹塑性随动硬化模型描述,见公式(2):

$ {\sigma _y} = \left[{1 + {{\left( {\frac{{\dot \varepsilon }}{C}} \right)}^{\frac{1}{p}}}} \right]\left( {{\sigma _0} + \beta {E_p}\varepsilon _p^{ef}} \right) $ (2)

药柱采用分段线性塑性模型Mat piecewise linear plasticity来模拟。

3 结果与分析 3.1 落锤加载下的实验结果

表 3为落锤加载下具有不同弹性模量PBX上测得的最大应力(σm)和PBX加载后的状态。图 2图 3图 4分别为落锤加载后装载不同弹性模量PBX壳体的外观图、不同弹性模量落锤加载后的外观图及不同弹性模量PBX加载后的微观图。

表3 PBX冲击加载实验结果 Table 3 Experimental results of PBX under impact loading
图 2 落锤加载后PBX的壳体外观图 Figure 2 Appearance of the PBX shell after dropping hammer loading
图 3 落锤加载后不同模量PBX的外观图 Figure 3 Appearance of different modulus PBX after dropping hammer loading
图 4 落锤加载后不同模量PBX的SEM图 Figure 4 SEM images of different modulus PBX after dropping hammer loading

表 3数据可见,对同一弹性模量PBX,随着落高(H)的增加,作用在PBX上的应力增加,当落高达到2 500 mm时,PBX-2和PBX-3都发生了燃烧反应。

根据落高与应力间的公式:

$ H = {v_0}t + 1/2{\rm{g}}{\mathit{t}^2} $ (3)
$ {v_t} = {v_0} + {\rm{g}}\mathit{t} $ (4)
$ {\mathit{v}_{\rm{s}}} = \sqrt {2{H_{\rm{g}}}} $ (5)
$ m{v_{\rm{s}}} = Ft $ (6)

式中:H为落高,m;g为重力加速度,N/kg;v0=0;vt为某一时刻的速度,m/s;m为落锤的质量,kg;vs为作用在样品上的速度,m/s;F为作用在样品上的力,kg·m/s2t为作用时间,s。

由公式(6)可见,随着落高的增加,落锤作用在样品上的速度增加,相同时间的作用力增加。表 3的实验结果也证实了这一结论。

图 2可见,大落锤实验后,不同PBX的壳体外观不同,装有PBX-1药柱的壳体未出现外观变化;PBX-2药柱的壳体出现了黑色附着物,经分析为PBX的燃烧产物;PBX-3药柱的壳体出现裂纹和黑色附着物。由图 3可见,PBX-1药柱结构完整,未发生燃烧反应,PBX-2药柱上的聚四氟乙烯垫片上出现黑色附着物,断面平整,可见黏结剂燃烧终止的痕迹,燃烧面积较小,PBX-2发生了燃烧反应;PBX-3药柱的聚四氟乙烯垫片上出现黑色附着物,断面不平整,可见大量孔洞且燃烧面积较大,PBX-3发生了剧烈的燃烧反应。由图 4可见,PBX-1药柱为正常的PBX断面图;PBX-2药柱的断面平整连续性较好,分析为发生燃烧反应后的燃烧熄火面;PBX-3的断面上有明显的燃烧空洞,燃烧较为剧烈。

3.2 PBX力学响应的模拟结果 3.2.1 模拟应力曲线与实验应力曲线的对比

大落锤撞击时,PBX应力—时间曲线见图 5

图 5 应力-时间曲线模拟结果与实验结果的对比 Figure 5 Comparison of the simulated σ-t curves and the experimental ones

图 5可知,大落锤从同一落高撞击PBX时,PBX上的应力-时间曲线表现出正弦波形态,应力表现为先增大后减小的态势。随着PBX弹性模量的增加,作用在PBX上的最大应力值增加,应力上升阶段的时间减小。

根据获得的实验测试曲线,验证计算模型的准确性。将2 500 mm落高下模拟计算曲线与实验测试曲线进行对比(见图 5),可见模拟计算曲线与实验测试曲线基本吻合,故认为该模型能够合理地反应落锤冲击加载过程。

3.2.2 力学响应的模拟结果

图 6为PBX不同时刻的模拟应力图。

图 6 不同时刻PBX模拟应力图 Figure 6 The simulation stress of PBX at different times

图 6可看出,PBX上的应力分布不均匀,呈现出药柱表面中心应力小、边缘应力大的特点,因为药柱边缘在受落锤撞击力的同时,还受壳体的摩擦剪切作用,结果呈现出边缘总应力更大。

目前,由于测试技术的限制,还无法准确表征PBX在落锤加载下的实时应变,模拟获得的应力-时间曲线与测试应力-时间曲线高度吻合,本研究又测试了限制条件下PBX的弹性模量,根据公式σ=可计算获得应变-时间曲线,再对应变-时间曲线求导,可获得落锤加载下PBX的应变率-时间曲线,见图 7

图 7 PBX的应变率-时间曲线 Figure 7 Strain rate-time curves for PBX

图 7可知,应变率为实时应变率,在某时刻PBX有一个最大值。

表 4为不同PBX的力学响应模拟计算结果,根据此数值可进一步分析PBX的点火机制。

表4 PBX的力学响应模拟结果 Table 4 Simulation results of the mechanical response of PBX

表 4图 7可见,具有不同力学强度的PBX,在落锤加载时,PBX上的最大力学响应数值不同,具体表现为随着弹性模量的增大,在药柱边缘的最大应力和最大应变率增加。

3.3 PBX的点火特性与其力学特性间的关系

模拟计算结果表明,围压弹性模量在1.12~4.36 GPa范围内,药柱上的应力和应变率随着弹性模量的增加而增加,且应力和应变率在药柱边缘较大。结果表明,弹性模量较大的PBX在应力和应变率较大的边缘部位发生了剧烈的燃烧反应。

PBX属于高分子基黏弹性材料,在撞击加载下,发生了黏弹性变形,即弹塑性变形,根据材料在动态变形过程中的生热公式[19]

塑性热:Q=βσγ

式中:Q为热量,J;β为功热转换系数,σ为应力,N/m2γ为应变率,s-1

弹性热:Q=αETγ

式中:α为导热系数,W/(m·K);E为材料的弹性模量,N/m2T为温度,K。

当材料应力越大、应变率越高时,在撞击加载条件下因塑性变形产生的热量越多;当材料弹性模量越大,应变率越高,实验温度越高时,因材料发生弹性变形产生的热量越多。且塑性生热公式和弹性生热公式表明生热量的大小都与材料加载下的应变率相关。

根据撞击加载下PBX力学响应的模拟结果,药柱边缘某时刻的应力和应变率乘积达到最大值,此刻产生的热量使炸药边缘点的温度急剧升高,成为热点,进而发生点火反应。

不同弹性模量在同一落高撞击下的实验结果也进一步印证了上述结论。

可见撞击加载下,导致无疵病PBX点火的根本原因是PBX上某时刻的应力和应变率的乘积很大,高的应力和应变率使PBX内部界面间因摩擦剪切产生的热量大于PBX燃烧反应所需的热量,从而使PBX发生点火反应。同一落高加载下(弹性模量在1.12~4.36 GPa范围内),具有较大弹性模量的PBX上的作用应力和应变率都较大,所以具有较大弹性模量的PBX更易发生点火反应。为了确保PBX的安全性,PBX配方的弹性模量应向小模量方向设计。

4 结论

(1) 落锤撞击结果表明,围压模量为1.12 GPa的PBX完好无损,围压模量为2.25 GPa的PBX发生了轻微的燃烧反应,围压模量为4.36 GPa的PBX发生了剧烈的燃烧反应。

(2) 采用ANSYS/LS-DYNA软件,模拟计算不同弹性模量PBX在落锤加载下的内部力学行为,结果表明,随着PBX弹性模量的增加,最大应力和最大应变率增大。

(3) 结合动态变形过程中的生热公式和实验结果,获得PBX的点火特性与PBX的弹性模量,应力和应变正相关,弹性模量可通过配方和工艺控制,进而影响应力和应变,为保证PBX安全,设计PBX的围压加载弹性模量为1.12 GPa。


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