高聚物粘结炸药力学性能的细观预测方法

高聚物粘结炸药力学性能的细观预测方法
高聚物粘结炸药(PBX)因优异的综合性能广泛用于火箭推进剂和武器战斗部,其力学性能得到极大关注。

细观层次的实验研究与数值模拟层出不穷,但理论研究仍主要停留在宏观层面。

基于连续介质力学的宏观唯象类本构无法揭示材料细观结构与宏观响应的内在关系,发展细观力学方法预测PBX的力学性能具有重要意义。

将PBX的理论研究深入到细观层次能更好地了解其宏观力学行为,也是研究的必然趋势。

探究了细观力学界限法和经典解析法预测PBX有效弹性模量的适用性。

由于PBX颗粒含量极高(>80%)、颗粒与粘结剂模量相差3～4个数量级、粒径分布广(1μm～1000μm),无论界限法还是解析法都无法对其有效模量作出合理估计。

组分弹性常数的参数化分析表明,炸药颗粒性能对PBX有效模量的影响不大,而
粘结剂性能对整体有效性能有很大影响。

在经典细观力学基础上,初步提出应变集中张量修正法与Eshelby张量修正法,分别考虑颗粒间相互作用与颗粒形貌的影响。

在细观力学方法中引入零厚度弹簧界面模型,以退化因子的形式研究颗粒/
粘结剂弱界面对PBX有效弹性性能的弱化作用。

界面法向柔度参数与切向柔度参数分别独立影响着体积模量与剪切模量,柔度参数越大,对应模量退化越严重;炸药颗粒含量越高,弱界面影响越大。

计算中,含弱界面复合体有效性能的退化主要由附加应变与Eshelby张量的修正引起。

然而,对于PBX材料,可以仅考虑附加应变的影响,忽略Eshelby张量的修正,从而推导出的简化公式与原方法的预测结
果十分吻合。

根据PBX的细观结构特征,将PBX视为由等效颗粒(包覆着粘结剂的炸药晶体)构成的“伪多晶体”,不含基体相,引入孔洞等缺陷和颗粒的尺寸特征,提出了伪多晶法预测PBX的有效模量。

将其应用于PBX9501与X0242,精度上有较大提升,并且适用于不同粒径分布的炸药配方。

采用代表性体积单元研究了颗粒分布形式、颗粒形貌对PBX有效弹性模量的影响。

随着颗粒含量的上升,颗粒形貌和分布形式的影响逐渐增强,有必要更精准地刻画PBX的细观结构特征。

不规则多边形颗粒的Voronoi模型更接近于PBX的真实细观形貌,并且颗粒含量随意调控,能较好地预测PBX的有效弹性模量。

在此基础上提出粘结剂杂化
法考虑细颗粒对有效性能的影响,初步发展了 PBX的双分布模型。

细颗粒实体的构建使RVE内部易于形成应力桥,抑制结构的局部变形,从而提高整体刚度。