孔隙坍塌“热点”模型加上脆性破坏固体炸药

文摘

本文致力于建设一个数值孔隙坍塌模型与“热点”形成的影响损伤炸药。根据损伤力学脆性材料的进化,一维elastic-viscoplastic崩溃模型改进将损害在动态的影响毛孔的崩溃。炸药的损伤进行了研究使用统计裂纹力学(急停)。传热和化学反应的影响被考虑在“热点的形成。“来验证改进模型,数值模拟进行了不同压力状态和用于模型多次撞击实验。结果表明,重复疲软的影响会导致毛孔和“热点”的崩溃可能发生由于内部缺陷的积累伴随着软化的炸药。

1。介绍

众多研究表明,精力充沛的材料的影响会导致延迟爆炸,这是通常被称为XDT事件。XDT通常发生在软弱和温和的波按固体炸药。与冲击起爆爆轰(SDT)的阈值压力XDT显著降低和爆炸时间是长得多的时间。很多研究关注XDT现象进行了为了评估和提高武器的安全和刀枪不入(1- - - - - -4]。尽管XDT的具体机制尚不清楚,许多测试结果表明,该压固体炸药可能由于撞击破坏越来越敏感,随后的二次压缩波很容易导致爆炸发生。最近,一些研究XDT正聚焦于“热点”的形成造成影响损伤炸药(1- - - - - -3]。

直到现在许多“热点”机制,如孔隙坍塌,摩擦,和剪切带,进行了调查4- - - - - -8]。其中,孔隙坍塌机制被广泛研究,因为这种机制可以产生更多的能量比其他人在起始的影响(4]。假设“热点”形成的结果elastic-viscoplastic崩溃的毛孔在冲击载荷作用下固体炸药。很多改进基于elastic-viscoplastic孔隙坍塌模型执行为了考虑不同的物理机制。初始孔隙度影响爆炸可以显示1 d空心细观孔隙坍塌力学模型,开发并应用于反应速率函数的金(9]。考虑到粘塑性的工作是一个更高效的加热机制“热点”附近的倒塌的毛孔,惠氏(10,11)孔隙坍塌的过程分为三个阶段。此外,Zhang et al。12)被认为是融化的影响在毛孔的崩溃;温家宝et al。(13)开发双层空心球体上的模型,以考虑粘结剂材料的粘性效应形成的“热点”。

目前elastic-viscoplastic崩溃模型大多是基于Carroll-Holt基于塑性力学性能的模型(14]。相反,许多实验结果表明,炸药,兼有等典型脆性力学性能影响载荷作用下(15- - - - - -17]。炸药的初始缺陷或损坏是不可避免的在生产过程中或使用。这些缺陷和损伤的增长和传播中扮演重要角色的形成“热点”(18]。吴和黄19)建立了一个微观力学模型来描述“热点”形成的能量晶体粉末进行落锤冲击。在目前的研究中,一维elastic-viscoplastic崩溃模型提高了考虑损伤的增长按炸药。

本文提出孔隙坍塌模型与“热点”的形成影响损伤炸药。首先,炸药的损伤效应是添加到基于惠氏elastic-viscoplastic崩溃模型模型(部分2)。其次,形成“热点”两个典型案例研究的改进模型。一个案例是由弱爆炸加载压力长时间;另一个是由多个重复弱爆炸加载压力短时间(部分3)。第三,我们模拟多个重复的冲击试验,高et al。20.)来验证改进模型(部分4)。最后,给出了一些讨论和评论(部分5)。

2。改善Elastic-Viscoplastic孔隙坍塌模型

2.1。惠特沃思模型

一维空心球形模型图所示1根据惠氏模型(10,11),和分别为最初的内部和外部半径,半径。最初的膨胀率的体积比总固体材料相比,多孔材料。空心球的初始参数模型可以得到平均孔隙半径和初始总孔隙度的炸药。孔隙半径的时间演化给出如下: 在哪里是固体炸药的密度,是实时内部孔隙半径,是施加压力,粘性应力,是弹塑性应力,和表示了对时间的导数。

在惠特沃思模型中,孔隙的变形可分为三个阶段。

(我)弹性阶段:

(2)Elastic-viscoplastic阶段: 在哪里对应于弹性和粘塑性的流之间的时间界面,介绍了

(3)粘塑性的阶段: 在哪里剪切模量,屈服强度,粘度,实时外部半径,是径向位置,是最初的膨胀率,φ是当前膨胀比,。

增加温度的径向位置由于机械变形在给出孔隙径向运动 在哪里当地的温度,比热容,当地的速度在固体外壳。

2.2。改进的模型

报道[4,21,22),许多研究人员有许多不规则的缺陷或裂缝压炸药(如PBX9404 [21]和PBX9501 [22]),为简单起见,假设有一些缺陷或裂缝在外壳改进模型。的初始体积孔隙被定义为在惠氏模型一样,代表的平均孔隙半径和总孔隙度炸药。孔隙坍塌”可以形成热点。“壳炸药的财产可以受到裂缝的影响。构造裂缝的影响本文遵循Visco-SCRAM模型由贝内特et al。22]。此外,只有裂纹的扩张被认为是裂纹的起始被忽略。这些裂缝的扩张会导致一些炸药力学性能的退化,这将促进崩溃和“热点的形成。“加热效应参与崩溃过程爆炸时软化由于裂缝的扩张。摘要孔隙坍塌的加热效应被认为是主效应和热效应的裂缝被忽略。

基于损伤力学,众所周知,初始缺陷或裂缝炸药将开始传播时,应力强度超过了断裂韧性。如图2附近的微裂隙内部孔隙半径将首先与正交分布,因为最大应力强度会出现在内部外部压力下的孔隙半径。这些裂缝是45度空心孔的半径。这些裂缝的扩张会导致力学性能退化从而促进崩溃。摘要材料力学性能主要是关心所有裂缝的整体效果,而不是单一裂纹的扩张。

如上所述,在惠特沃思模型中,孔隙压的状态分为三个阶段:弹性,elastic-viscoplastic和粘塑性的。处于弹性状态,因为压力太小,使初始缺陷或裂缝迅速增加,裂缝对材料机械性能的影响可以忽略。粘塑性的状态,孔隙坍塌在几微秒,迅速完成初始裂缝没有足够的时间来传播。因此,裂缝的扩展和力学性能退化主要关心elastic-viscoplastic状态的改进模型。

本文描述的力学性能退化是使用损伤水平。在细观材料力学模型中,统计裂纹力学(急停)是由二烯烃和他的同事(22- - - - - -26)预测的动态机械变形和破碎脆性材料基于细观统计力学方法。基于安全,Visco-SCRAM模型是由贝内特et al。22),它可以用来获取损伤水平(23]。假定增长率取决于裂缝应力强度根据Visco-SCRAM模型: 在哪里平均裂缝半径,断裂韧性的炸药,应力强度因子,裂纹扩展的终端速度,是一个材料常数,•冯•米塞斯应力,是偏应力,表示,,。在Visco-SCRAM模型中,水平的损害所表达的是平均裂缝半径: 在哪里是初始裂纹半径。在这里,我们假设初始裂纹半径是相同的平均孔隙半径和价值是10μm。更大的裂纹初始半径导致损伤水平就越高。

通过包括损伤水平在((1)改进的模型,推导出孔隙半径的演变 此外,在不同位置的温度升高介绍了包括热传导和化学反应 在哪里是固体传导,是爆炸能量,是频率因子,阿伦尼乌斯活化能,是通用气体常数,是时候了。左边的第一个任期((10)表示热流出“热点”,第二项表示生成的化学热,第三项是机械的热变形。的右边((10)引爆热存储领域的“热点”。

3所示。应用改进的模型

为了演示了改进模型的可用性和有效性,炸药pbx - 9404模拟被选中。它的主要材料参数(10,11表中列出1。孔隙半径和最高温度在空心孔可根据不同的加载压力,和这两个参数是提高模型和惠氏模型之间的不同。使用英制标准模型,孔隙半径和最大温度历史预测的压力下MPa, 1 GPa, 2 GPa,如图3和4。可以看出,孔隙半径可以在两微秒的压力下迅速下降平均绩点和2 GPa。最高温度可以增加到650 K下平均绩点和2800 K下分别平均绩点。而MPa,孔隙半径的变化是温和的,最高温度不能超过330 K,这是低于熔化温度(通常是600 K)的爆炸。因此,得出的结论是,“热点”不能出现疲软的压力下MPa在惠氏模型中。

利用改进的模型,孔隙半径和最高温度历史的压力下MPa, 300 MPa, 500 MPa数据所示5和6。在初始时间的运动孔隙半径是一样的惠氏的模型。例如,孔隙半径等于9μ米在μ对两种模型MPa。

一般来说,爆炸可以扩大裂缝逐渐在持续的外部力量。因此损害水平逐渐增加和方法0.9最后,如图7。在这个过程中孔隙的运动的平衡可能会被打破,因为爆炸的强度下降。然后,孔隙半径迅速降低,最高温度达到1000 K的州MPa,μ史:MPa,μ年代:MPa,μ年代。在这些情况下,“热点”可以生成MPa的改进模型,因为损伤炸药的影响。相反,不能出现在“热点”MPa与惠氏模型。因此,在改进后的模型较弱的压力加载时间较长的还可以生成“热点。“这可能是更近似实践。然而,“热点”不可能发生,如果外部压力下降到非常低的水平,等MPa,因为爆炸在整个加载期间弹性状态。在这种情况下,应力强度因子不能超过平均断裂韧性和裂纹半径增加非常缓慢。根据模拟结果,可以看到较高的外部加载压力就能在短时间内产生“热点”,而较低的压力,需要更多的时间来生成“热点”。

如图8外部加载有四个脉冲(每次脉冲持续500年μ年代和间隔是4500μ是用来预测”热点。“使用改进的模型,损伤水平,孔隙半径,最高温度历史计算,如图9- - - - - -11在三种不同的压力下(、300和400 MPa)。当爆炸加载的第一次加载脉冲,孔隙半径略有下降;的材料是近的,elastic-viscoplastic状态。当第一个外部加载被内部裂纹停止扩张,孔隙半径保持一定位置(如μ米的时候MPa)。当第二个脉冲应用于爆炸裂纹继续扩展和下降的孔隙半径略大于第一个脉冲。如上所述,当第二个脉冲结束后,内半径也保持当前位置。第三压力,孔隙半径的减少大于前面的两个州。第四个脉冲应用时,孔隙半径迅速拒绝初始孔隙半径的二十分之一,因为累积裂缝已经软化了炸药。随后,在孔隙表面的最高温度增加,这可能激发“热点。“时间的进化水平的损害和孔隙半径数据所示9和10。在孔隙表面温度的时间演化图所示11。的数据,我们可以看到,最高温度可能会上升到620 KMPa和上升到920 KMPa。当MPa,最高温度超过950 K。在这种情况下,“热点”可以轻易出现。

4所示。讨论

研究炸药的撞击感度、高et al。20.)进行了中等规模的渗透测试针对多层目标,电荷在爆燃的579 m / s的速度的影响。自从炸药在第一次遭到破坏的影响,其更容易会发生爆燃重复加载时的影响。

实验现象也可以证明由落锤试验。multi-impulse影响测试,五PBX标本在相同加载测试。五个维度标本都Φ40毫米×40毫米。测试结果列在表中2。第一外部影响,所有5个标本是安全的和没有发生爆燃,但在每个样品有明显的裂缝。当标本爆燃加载第二外部影响发生在两个标本。此外,其他三个标本时引爆第三影响应用。

根据测试结果,重复的影响很容易使爆炸产生“热点。”来获得更多细节,穿透弹头的多层目标测试使用LS_DYNA电荷模拟。在模拟,但是目标是由混凝土,第一层是300毫米的厚度,和其他人都是200毫米。穿透弹头重450公斤,长度和直径的比例是4.1。弹头的冲击速度是579米/秒,一样的数据所做的实验高et al。20.]。的渗透过程模拟图所示12。压力的头部电荷可以从仿真结果中提取,如图13。使用数据,最高气温在孔隙表面可以计算新模型和惠氏模型和图所示13。可以看出,最大温度与新模型计算上升到850 K当弹头穿透目标的第二层。这可能产生爆炸的“热点”。然而,从惠特沃思模型获得的最高温度只有上升到310 K与孔隙半径的高原剩下的0.95不断μm。因此,改进后的模型能够解释XDT反复现象当炸药的影响。

在实验中由高et al .,弹头爆炸时渗透的第四层具体的目标。这不同于我们的模拟结果。可能在两个方面解释的区别。一个是仿真中使用的材料参数不能反映真正的炸药的性质;另一个是缓冲层夹在炸药和壳被忽略的模拟。然而,我们的模型能够进一步阐述了XDT现象在某种程度上爆炸时反复冲击。

5。结论

本文改进的基于一维模型elastic-viscoplastic崩溃模型被开发,被认为是脆性破坏的炸药。在模型中,孔隙的崩溃由于炸药的力量下降被认为是“热点的主要原因。“使用改进的模型,孔隙坍塌,爆炸不同外部载荷作用下的温度进行了分析。结果表明,“热点”可能出现在中度和弱加载脉冲,持续了很长时间或重复。刺激“热点”,外部压力较高的加载需要更少的时间,而较弱的加载需要更多的时间。扩张的内部缺陷和损伤积累下重复外部压力的主要影响因素是形成的“热点”。仿真结果和实验结果的比较文学与新模型进行验证。虽然有点区别建模预测和实验结果,该模型实际上使XDT初步解释的现象。此外,在未来的工作中,该模型可以提高关于更多的伤害细节,如果可能的话,它可以介绍一些相关的动力学项目评估的安全炸药在各种各样的弹头。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的开放的基础爆炸科学与技术国家重点实验室(批准号理工学院,北京KFJJ11-9Y)和中国自然科学基金会(国家自然科学基金委)通过批准号。11202232,11172328,11132012。

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