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TATB基PBX炸药的准静态本构模型与强度准则

高聚物粘结炸药(PBX)由于相对优越的爆轰性能和安全性能,在武器弹药领

域中应用广泛,其构件作为毁伤武器的关键部件,不仅需要提供能量,还需作为结

构件承受装配、储运过程中的力学载荷。工程中炸药构件的意外破坏偶有发生,

影响着武器系统的使用安全性和毁伤功能实现,研究PBX炸药的变形与破坏规律

意义重大。本文针对炸药构件装配和储运环境下(准静态平衡力)的变形破坏问题,

以一种TATB基PBX炸药为研究对象,基于各向同性连续介质力学研究了准静态

(10-7s-1～10s-1)下的本构模型和强度准则问题。PBX炸药准静态下的变形在

工程上可视为非线性弹性变形和长时蠕变变形两个部分,研究中采用非线性弹性

本构模型和蠕变本构模型叠加组合的方式建立了TATB基PBX炸药的准静态本构

模型,并实现了在数值模拟中的应用。

非线性弹性本构模型的研究在试验测试和本构特性分析的基础上,解决了拉

压一起考虑时本构曲线的非线性问题,基于Boltzmann函数建立了拉压四/双参

数本构模型;研究表明双参数模型已能很好地满足工程需要,模型参数少且无须

拟合,工程实用性强;四参数模型可描述PBX-9502、LX-17、PBX-9501及EDC-37

等典型PBX炸药,聚砜树脂、碳纤维环氧树脂、铸铁及铜基合金等非炸药材料的

本构行为,普适性较强;基于ANSYS软件的UPFs功能实现了双参数Boltzmann本

构模型进行了嵌入开发,结合巴西圆盘和缺口圆柱试验,验证了双参数本构模型

应用于复杂应力状态时的适应性。蠕变本构模型在元件模型的局限性分析基础上,

基于修正时间硬化理论建立了PBX炸药的蠕变本构数学模型;依据试验数据确

定了拉伸/压缩蠕变的模型参数及适用范围,并在有限元软件中完成了数值实现;

同时根据不同温度下直接破坏、蠕变破坏以及蠕变后破坏的破坏应力/应变的定

量分析结果,获得了单轴应力下“当一点总应变达到临界值时即可视为破坏,而不

论是载荷直接引起的应变还是时温诱发蠕变引起的应变”这一重要结论,这对于

建立考虑粘弹性影响的炸药多参数强度准则数学模型具有重要意义。强度准则的

研究根据是否考虑材料粘弹性分为两个部分,前者针对PBX炸药还未建立综合考

虑静水压力及三向主应力影响强度准则的问题,在总结强度理论发展简史和炸药

强度研究进展的基础上,基于端部约束压溃/拉溃试验考核分析了炸药材料的中

间主应力效应和静水压力效应,基于双剪统一强度理论建立了TATB基PBX炸药

的应力强度准则数学模型,达到了岩石类材料的强度认知水平。另外由于粘弹性

的影响,PBX炸药的强度在试验过程中体现出了与时温相关的特性,而目前强度

理论对此尚未进行过系统论述,考虑粘弹性的强度准则模型研究工作提出了把材

料粘弹性体现到主应变的变化上,视三向主应变为变量(随蠕变变化)建立粘弹性

强度准则的思路,获得了粘弹性应变五参数强度准则模型。

同时,研究中通过炸药模拟材料的常规三轴/真三轴破坏试验,探索了炸药材

料不同围压下的强度边界,掌握了炸药围压加载测试中的关键技术,最终研制了

PBX炸药主动围压试验装置,实现了0～30MPa的围压加载和20℃～60℃的温度

加载,开展了不同温度和围压下PBX炸药的复杂应力强度试验,接着在适应性分

析的基础上,建立了TATB基PBX及模拟材料的分段应力五参数强度准则,并根据

描述精度的物理意义及空间几何意义,建立了实际极轴与理论极轴比表征描述精

度的方法,评估了准则的描述精度,得到了π平面上的包络线和应力空间中的包

络面。需要指出,本研究还存在诸如本构模型不能描述强度失效后的力学行为,

模型参数适用范围还有待拓宽,以及广义拉伸应力状态下强度准则的描述精度尚

不能评估等问题。