沖擊加載下PBX的點火特性與力學特性間的關系

陳春燕，栗保華，李 昆，高立龍，王曉峰，南 海，寧 棟

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

國內外關于炸藥點火原因的研究很多，國外根據熱點起爆機制提出炸藥裝藥與殼體材料間形成的底隙、間隙、氣泡、縮孔等缺陷是造成炸藥點火的重要原因[1]。澆注PBX以其良好的低易損性成為炸藥裝藥的重要品種。經組分及工藝控制，澆注PBX中已無宏觀可見缺陷,但研究發現PBX依然會發生點火[2-3]。

圍繞PBX的點火特性，國內外對PBX的力學性能進行了大量研究[4-6]，試圖建立PBX力學行為與其點火響應間的關系。Yehuda[7]根據Susan和Steven試驗，認為LX-04炸藥的點火與壓力和炸藥的塑性應變率有關，并獲得了LX-04炸藥的點火閾值關系；Kim等[8]考慮炸藥細觀結構建立了粘彈塑性單球殼塌縮熱點反應模型；溫麗晶[9]在此基礎上建立了剛塑性黏結劑的雙球殼塌縮熱點反應模型，此熱點反應模型中都引入了炸藥的彈性模量；陳朗等[10]對多組分PBX細觀結構的點火進行了數值模擬，在模型中引入組分的彈性模量，表明沖擊作用下混合炸藥點火點位于大變形的TATB內；Coffey[11]在落錘實驗中對炸藥試樣采用溫度顯影技術，炸藥在撞擊表面發生點火，溫度顯影結果顯示了大應變徑向流動導致溫升，認為力學變形和剪切過程導致的局部溫升是落錘實驗的炸藥點火機制；屈可朋等[12]研究表明，PBX炸藥在被動圍壓下的動態屈服強度隨應變率增加而增加，進一步研究表明[13]隨著應力率的增加，PBX炸藥的撞擊安全性降低；盧芳云等[14]采用實驗和模擬相結合的手段研究了JHL-3炸藥的非沖擊點火機理，建立了考慮力學性能的細觀熱點機制的自定義模型程序，并首次提出“局部應變”和“局部應變率”可能導致炸藥的點火。

以上報道揭示了炸藥力學特性與其點火特性間存在某種聯系，但關于這種聯系的進一步研究未見報道。本研究以具有不同力學特性的PBX為研究對象，采用數值模擬和實驗相結合的方法，研究了不同力學特性PBX在落錘撞擊下的動態力學響應，以期為無CT可見疵病PBX的力學特性設計提供理論支持。

1 實 驗

1.1 樣品及儀器

Al粉，活性98.9%，粒徑為13μm，西安航天化學動力廠；RDX，甘肅銀光化學工業集團有限公司；HTPB，數均分子質量分別為1500、2800、4000g/mol，羥值分別為1.50、0.78、0.59mmol/g，黎明化工研究院；TDI，化學純，北京化學試劑公司。

FEI QUANTA 600型環境掃描電子顯微鏡(ESEM)，美國FEI公司，實驗電壓10kV，環境為高真空模式。

1.2 PBX的制備

PBX配方組成見表1。

表1 PBX的配方組成

注: N為鍵合劑；Mn為HTPB的數均分子質量。

依據文獻[15]的制備方法，將PBX澆注進Φ40mm×40mm的模具，60℃固化至硬度不變，脫模進行藥面修整后以備性能測試。

1.3 落錘加載下PBX的力學響應實驗

落錘加載試驗依據GJB 5403.2-2005《炸藥裝藥發射安全模擬試驗方法-第2部分：落錘沖擊試驗》進行。

試樣尺寸Φ40mm×40mm，落錘質量400kg。套筒尺寸：內徑為40mm，外徑為90mm，高度為150mm；墊片直徑為40mm，厚度為5mm。

2 數值模擬

2.1 材料模擬參數

依據文獻[16]的方法測試獲得了PBX在限制條件下的力學參數，見表2。

2.2 落錘加載下PBX力學響應的數值模擬

以落錘實驗裝置為基礎，利用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件建立三維模型，模型采用Lagrangian六面體網格劃分，各部分間采用自動面面接觸算法。計算過程中，落錘作為加載源以一定速度對模擬樣彈中的上擊柱進行撞擊，上擊柱將沖擊力作用于樣品。落錘質量400kg，通過落錘撞擊速度的改變調節作用在樣品上的應力，獲得一定彈性模量藥柱的力學響應曲線。落錘加載試驗的計算模型由底座、套筒、下擊柱、墊片、藥柱、上擊柱、落錘部分組成，計算模型如圖1所示。藥柱尺寸是Φ40mm×40mm。

落錘、套筒、擊柱和底座所用材料為T10鋼，利用Johnson-Cook(J-C)材料模型描述，見公式(1)：

(1)

墊片所用材料為聚四氟乙烯，采用彈塑性隨動硬化模型描述，見公式(2)：

(2)

藥柱采用分段線性塑性模型Mat piecewise linear plasticity來模擬。

3 結果與分析

3.1 落錘加載下的實驗結果

表3為落錘加載下具有不同彈性模量PBX上測得的最大應力(σm)和PBX加載后的狀態。圖2、圖3和圖4分別為落錘加載后裝載不同彈性模量PBX殼體的外觀圖、不同彈性模量落錘加載后的外觀圖及不同彈性模量PBX加載后的微觀圖。

表3 PBX沖擊加載實驗結果

從表3數據可見，對同一彈性模量PBX，隨著落高(H)的增加，作用在PBX上的應力增加，當落高達到2500mm時，PBX-2和PBX-3都發生了燃燒反應。

根據落高與應力間的公式：

H=v0t+1/2gt2

(3)

vt=v0+gt

(4)

(5)

mvs=Ft

(6)

式中：H為落高，m；g為重力加速度，N/kg；v0=0；vt為某一時刻的速度，m/s；m為落錘的質量，kg；vs為作用在樣品上的速度，m/s；F為作用在樣品上的力，kg·m/s2；t為作用時間，s。

由公式(6)可見，隨著落高的增加，落錘作用在樣品上的速度增加，相同時間的作用力增加。表3的實驗結果也證實了這一結論。

從圖2可見，大落錘實驗后，不同PBX的殼體外觀不同，裝有PBX-1藥柱的殼體未出現外觀變化；PBX-2藥柱的殼體出現了黑色附著物，經分析為PBX的燃燒產物；PBX-3藥柱的殼體出現裂紋和黑色附著物。由圖3可見，PBX-1藥柱結構完整，未發生燃燒反應，PBX-2藥柱上的聚四氟乙烯墊片上出現黑色附著物，斷面平整，可見黏結劑燃燒終止的痕跡，燃燒面積較小，PBX-2發生了燃燒反應；PBX-3藥柱的聚四氟乙烯墊片上出現黑色附著物，斷面不平整，可見大量孔洞且燃燒面積較大， PBX-3發生了劇烈的燃燒反應。由圖4可見，PBX-1藥柱為正常的PBX斷面圖；PBX-2藥柱的斷面平整連續性較好，分析為發生燃燒反應后的燃燒熄火面；PBX-3的斷面上有明顯的燃燒空洞，燃燒較為劇烈。

3.2 PBX力學響應的模擬結果

3.2.1 模擬應力曲線與實驗應力曲線的對比

大落錘撞擊時，PBX應力—時間曲線見圖5。

由圖5可知，大落錘從同一落高撞擊PBX時，PBX上的應力-時間曲線表現出正弦波形態，應力表現為先增大后減小的態勢。隨著PBX彈性模量的增加，作用在PBX上的最大應力值增加，應力上升階段的時間減小。

根據獲得的實驗測試曲線，驗證計算模型的準確性。將2500mm落高下模擬計算曲線與實驗測試曲線進行對比(見圖5)，可見模擬計算曲線與實驗測試曲線基本吻合，故認為該模型能夠合理地反應落錘沖擊加載過程。

3.2.2 力學響應的模擬結果

圖6為PBX不同時刻的模擬應力圖。

由圖6可看出，PBX上的應力分布不均勻，呈現出藥柱表面中心應力小、邊緣應力大的特點，因為藥柱邊緣在受落錘撞擊力的同時，還受殼體的摩擦剪切作用，結果呈現出邊緣總應力更大。

目前，由于測試技術的限制，還無法準確表征PBX 在落錘加載下的實時應變，模擬獲得的應力-時間曲線與測試應力-時間曲線高度吻合，本研究又測試了限制條件下PBX的彈性模量，根據公式σ=Eε可計算獲得應變-時間曲線，再對應變-時間曲線求導，可獲得落錘加載下PBX的應變率-時間曲線，見圖7。

由圖7可知，應變率為實時應變率，在某時刻PBX有一個最大值。

表4為不同PBX的力學響應模擬計算結果，根據此數值可進一步分析PBX的點火機制。

表4 PBX的力學響應模擬結果

由表4和圖7可見，具有不同力學強度的PBX，在落錘加載時，PBX上的最大力學響應數值不同，具體表現為隨著彈性模量的增大，在藥柱邊緣的最大應力和最大應變率增加。

3.3 PBX的點火特性與其力學特性間的關系

模擬計算結果表明，圍壓彈性模量在1.12～4.36 GPa范圍內，藥柱上的應力和應變率隨著彈性模量的增加而增加，且應力和應變率在藥柱邊緣較大。結果表明，彈性模量較大的PBX在應力和應變率較大的邊緣部位發生了劇烈的燃燒反應。

PBX屬于高分子基黏彈性材料，在撞擊加載下，發生了黏彈性變形，即彈塑性變形，根據材料在動態變形過程中的生熱公式[19]

塑性熱：Q=βσγ

式中：Q為熱量，J；β為功熱轉換系數，σ為應力，N/m2；γ為應變率，s-1。

彈性熱：Q=αETγ

式中：α為導熱系數，W/(m·K)；E為材料的彈性模量，N/m2；T為溫度，K。

當材料應力越大、應變率越高時，在撞擊加載條件下因塑性變形產生的熱量越多；當材料彈性模量越大，應變率越高，實驗溫度越高時，因材料發生彈性變形產生的熱量越多。且塑性生熱公式和彈性生熱公式表明生熱量的大小都與材料加載下的應變率相關。

根據撞擊加載下PBX力學響應的模擬結果，藥柱邊緣某時刻的應力和應變率乘積達到最大值，此刻產生的熱量使炸藥邊緣點的溫度急劇升高，成為熱點，進而發生點火反應。

不同彈性模量在同一落高撞擊下的實驗結果也進一步印證了上述結論。

可見撞擊加載下，導致無疵病PBX點火的根本原因是PBX上某時刻的應力和應變率的乘積很大，高的應力和應變率使PBX內部界面間因摩擦剪切產生的熱量大于PBX燃燒反應所需的熱量，從而使PBX發生點火反應。同一落高加載下(彈性模量在1.12～4.36GPa范圍內)，具有較大彈性模量的PBX上的作用應力和應變率都較大，所以具有較大彈性模量的PBX更易發生點火反應。為了確保PBX的安全性，PBX配方的彈性模量應向小模量方向設計。

4 結 論

(1)落錘撞擊結果表明，圍壓模量為1.12GPa的PBX完好無損，圍壓模量為2.25GPa的PBX發生了輕微的燃燒反應，圍壓模量為4.36GPa的PBX發生了劇烈的燃燒反應。

(2)采用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬計算不同彈性模量PBX在落錘加載下的內部力學行為，結果表明，隨著PBX彈性模量的增加，最大應力和最大應變率增大。

(3)結合動態變形過程中的生熱公式和實驗結果，獲得PBX的點火特性與PBX的彈性模量，應力和應變正相關，彈性模量可通過配方和工藝控制，進而影響應力和應變，為保證PBX安全，設計PBX的圍壓加載彈性模量為1.12GPa。