兵器科學(xué)與技術(shù)

用 CSTBD 試樣確定砂巖的動態(tài)起裂和擴展韌度

楊井瑞，張財貴，周妍，等

目的：本文研究兩類巖石動態(tài)斷裂韌度（動態(tài)起裂韌度和動態(tài)擴展韌度）的測試方法，尤其是動態(tài)擴展韌度目前研究很少。動態(tài)斷裂研究一般分為兩類：1）動荷載作用下裂紋的起裂問題；2）快速運動狀態(tài)下裂紋的擴展與止裂問題。一方面材料慣性效應(yīng)造成荷載以應(yīng)力波的形式傳播，使得動態(tài)應(yīng)力強度因子的理論求解十分復(fù)雜；另一方面材料動態(tài)斷裂韌度與加載速率和裂紋擴展速度有關(guān)，精確確定測試臨界點和測量裂紋的擴展速度比較困難。原理：普適函數(shù)表征了裂速不超過Rayleigh 波速時裂紋擴展速度對動態(tài)應(yīng)力強度因子的影響。普適函數(shù)適用于第2類動態(tài)斷裂問題?，F(xiàn)有的文獻結(jié)果表明，裂紋在一定擴展速度下的動態(tài)應(yīng)力強度因子應(yīng)等于相同構(gòu)型下靜止裂紋的動態(tài)應(yīng)力強度因子與該裂速普適函數(shù)值 k（v）的乘積，普適函數(shù)可以用于分析巖石斷裂路徑上擴展裂紋的動態(tài)應(yīng)力強度因子；材料動態(tài)斷裂過程中裂紋速度和動態(tài)斷裂能之間有確定的關(guān)系。盡管應(yīng)用普適函數(shù)已有一些成果，但就我們的知識所及，尚未見有利用普適函數(shù)測定巖石擴展斷裂韌度的研究。方法和結(jié)果：利用大直徑霍普金森壓桿徑向沖擊中心直裂紋巴西圓盤（Cracked Straight-through Brazilian Disc，CSTBD）砂巖試樣，完成 I 型動態(tài)斷裂實驗。利用實驗-數(shù)值方法確定了不同動態(tài)加載率下砂巖的動態(tài)起裂韌度；結(jié)合實驗-數(shù)值法以及普適函數(shù)確定了不同裂紋擴展速度下砂巖的動態(tài)擴展韌度。結(jié)論：1）利用CSTBD 試樣和實驗-數(shù)值法測可以有效地測定巖石的動態(tài)起裂韌度和動態(tài)擴展韌度。2）砂巖的動態(tài)起裂韌度隨動態(tài)加載率的提高而增加，動態(tài)擴展斷裂韌度隨裂紋擴展速度的提高而增加。動態(tài)斷裂韌度隨加載率和裂紋擴展速度的變化規(guī)律與已有相關(guān)文獻用其他方法所得到的結(jié)論一致。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2014, 34(3): 264-271

入選年份：2014

發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定方法研究

芮筱亭，馮賓賓，王燕，等

摘要：發(fā)射裝藥發(fā)射安全性是指發(fā)射過程中發(fā)射裝藥產(chǎn)生的膛壓不超過允許值而不發(fā)生膛炸、膛脹的性能。隨

著高初速、高膛壓、高裝填密度現(xiàn)代高性能火炮武器的不斷發(fā)展，火炮膛內(nèi)力學(xué)環(huán)境越來越惡劣，發(fā)射安全性問題愈來愈突出。發(fā)射裝藥發(fā)射安全性問題嚴(yán)重制約現(xiàn)代火炮武器的發(fā)展，成為各軍事強國競相攻關(guān)解決的重大理論與技術(shù)難題。作者及其合作者通過理論、計算、試驗 3個方面連續(xù) 17年的系統(tǒng)深入研究，揭示了發(fā)射裝藥引起膛炸的“發(fā)射裝藥低溫－擠壓－破碎－增面－增燃－增壓－膛炸”的機理，明確了突破發(fā)射裝藥發(fā)射安全性難題的主攻方向；引入起始動態(tài)活度比新概念，解決了發(fā)射裝藥破碎程度和安全程度定量表征的難題；建立了發(fā)射裝藥擠壓破碎動力學(xué)，結(jié)合多體系統(tǒng)動力學(xué)理論、多體接觸判別算法、離散單元法、材料強度理論，解決了由數(shù)千個彈塑脆性體藥粒組成的巨大復(fù)雜多體系統(tǒng)動力學(xué)的計算量巨大和破碎表征的雙重難題；結(jié)合擠壓破碎動力學(xué)和內(nèi)彈道兩相流技術(shù)建立了伴隨發(fā)射裝藥擠壓破碎的內(nèi)彈道兩相流動力學(xué)算法，為發(fā)射裝藥發(fā)射安全性研究提供了新的理論支撐；發(fā)明并研制了系列試驗裝置，為發(fā)射裝藥發(fā)射安全性研究提供了全新手段，利用這些試驗裝置與技術(shù)對多種發(fā)射裝藥的發(fā)射安全性進行了系統(tǒng)的試驗研究，逐步形成了完整的發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定理論和試驗方法。據(jù)此，建立了我國首個基于發(fā)射裝藥起始動態(tài)活度比的發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定方法兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。文中包括：發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定原理、發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定流程、發(fā)射裝藥膛內(nèi)力學(xué)環(huán)境試驗方法、發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗方法、發(fā)射裝藥起始動態(tài)活度比試驗方法、發(fā)射裝藥發(fā)射安全性判據(jù)的確定方法、發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評定方法。相關(guān)技術(shù)成果得到了廣泛關(guān)注和重大工程應(yīng)用，并得到了大量射擊試驗驗證。為科學(xué)評估發(fā)射裝藥發(fā)射安全性提供了系統(tǒng)的理論依據(jù)、技術(shù)手段和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。推廣應(yīng)用于火炮發(fā)射裝藥設(shè)計、定型（鑒定）試驗、使用的各個環(huán)節(jié)，可大幅提升火炮發(fā)射安全性。

來源出版物：兵工學(xué)報, 2015, 36(1): 42746

入選年份：2015

鎂/鋁基水反應(yīng)金屬燃料推進劑的燃燒性能

高明，郭曉燕，鄒美帥，等

摘要：目的：水沖壓發(fā)動機是一種新型的先進動力裝置，它只攜帶富燃的水反應(yīng)金屬燃料，采用外界的海水為主氧化劑。水沖壓發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一是研究和掌握水反應(yīng)金屬燃料與水的反應(yīng)特性，其反應(yīng)特性是該類發(fā)動機高效燃燒和高效能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)和核心。國內(nèi)外對鎂基和鋁基等金屬燃料進行了大量研究，為更好地解決金屬/水推進劑點火和燃燒困難等問題，提高金屬的反應(yīng)速率和反應(yīng)程度，本文對鎂/鋁基水反應(yīng)金屬燃料進行了研究。方法：通過高能球磨工藝制備高活性鎂/鋁合金，采用 XRD、TGA 和 SEM 等表征方法對霧化鎂/鋁合金、高活性球磨鎂/鋁合金的微觀形貌和組成進行對比分析，對其氧化活性和其中鎂/鋁的氧化過程進行對比分析。并分別制備了兩組鎂/鋁基水反應(yīng)金屬燃料推進劑，對鎂/鋁基水反應(yīng)金屬燃料的燃燒性能進行研究。采用固體推進劑燃速測試系統(tǒng)測定推進劑藥柱的燃速，采用氧彈量熱儀測定藥柱的爆熱值，并收集推進劑的一次燃燒固相產(chǎn)物，并將其放置于水蒸汽高溫管式爐中模擬二次燃燒。采用 SEM、XRD 及化學(xué)分析方法對水反應(yīng)金屬燃料的一二次燃燒固相產(chǎn)物進行表征。分析了合金中鎂和鋁在一次燃燒和二次燃燒中的燃燒效率。結(jié)果：高能球磨后，霧化鎂/鋁合金由球狀結(jié)構(gòu)變?yōu)椴灰?guī)整的小顆粒，表層存在大量裂紋，增大了鎂/鋁合金的比表面積，同時可以破壞了鎂/鋁合金球形表面的氧化膜，其氧化活性提高。霧化鎂/鋁合金和高活性球磨鎂/鋁合金的主要成分都是 Mg17Al12，高能球磨沒有改變鎂/鋁合金的物相組成。鎂/鋁合金的氧化過程主要分為兩個階段，鎂的快速氧化和后期鋁的氧化。高活性球磨鎂/鋁合金在這兩個階段都具有更低的氧化啟始溫度。高活性球磨鎂/鋁合金水反應(yīng)金屬燃料推進劑具有更高的燃速和爆熱值。水反應(yīng)金屬燃料中的鎂/鋁合金發(fā)生分步氧化，在一次燃燒中主要是合金中的鎂發(fā)生了氧化反應(yīng)，在二次燃燒中隨著一次燃燒產(chǎn)物中鎂的進一步氧化，其中的鋁在鎂發(fā)生氧化后才能更好地氧化。在二次燃燒中，隨著鎂的徹底反應(yīng)，存在未完全反應(yīng)的剩余鋁。高活性球磨鎂/鋁合金推進劑具有更高的鎂和鋁燃燒效率，其二次燃燒產(chǎn)物剩余鋁含量更低，二次燃燒反應(yīng)更徹底。結(jié)論：高能球磨后，鎂/鋁合金的氧化活性提高。鎂/鋁合金的氧化過程主要分為第一階段鎂的氧化和第二階段鋁的氧化，高活性球磨鎂/鋁合金在這兩個階段都具有更低的氧化啟始溫度。分析了鎂/鋁合金在其水反應(yīng)燃料推進劑中的燃燒過程和氧化機理，確定了通過二次燃燒產(chǎn)物中的剩余鋁含量研究/鎂鋁合金的燃燒效率的方法，研究了其水反應(yīng)金屬燃料的燃燒特性和其中鎂、鋁的燃燒效率。高活性球磨鎂/鋁合金能夠改善其水反應(yīng)金屬燃料推進劑的一次燃燒效果，可提高其在二次燃燒中鋁的燃燒效率。

來源出版物：火炸藥學(xué)報, 2015, 38(2): 75-80

入選年份：2015

高應(yīng)變率下航空透明聚氨酯的動態(tài)本構(gòu)模型

張龍輝，張曉晴，姚小虎，等

摘要：目的：夾層玻璃作為抵抗爆炸與沖擊載荷的結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，以避免在沖擊事件中給人員和結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重傷害。擁有高透明性、溫度適應(yīng)能力強等優(yōu)異性能的聚氨酯膠片被新研發(fā)用于飛機和高鐵風(fēng)擋夾層玻璃的中間膜，以增強風(fēng)擋玻璃的抗沖擊能力。但是，高性能航空透明聚氨酯在寬泛應(yīng)變率下的力學(xué)性能還未見報道。因此開展透明聚氨酯在高應(yīng)變率動態(tài)加載下的響應(yīng)特性研究工作就顯得尤為重要，這將為飛機和高鐵擋風(fēng)玻璃的設(shè)計提供正確的材料模型和可靠的材料數(shù)據(jù)。方法：本文利用微型 Instron 試驗機和霍普金森壓桿（SHPB）研究了聚氨酯膠片在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的力學(xué)性能。動態(tài)實驗中，基于應(yīng)力波理論和軟材料 SHPB 實驗的試樣尺寸設(shè)計，將聚氨酯膠片加工為長度為 2 mm，直徑為 4 mm 的圓柱體。采用低阻抗的鋁桿 SHPB 裝置，以及應(yīng)用入射波整形技術(shù)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整加載條件，獲得恒定高應(yīng)變率加載下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。基于本構(gòu)理論和實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了聚氨酯膠片的超黏彈性本構(gòu)方程，預(yù)測曲線與實驗曲線一致性良好。結(jié)果：1）透明聚氨酯膠片的壓縮行為表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。2）定義真應(yīng)變?yōu)?0.15 處對應(yīng)點到原點連線的斜率割線模量來表示楊氏模量，割線模量隨著應(yīng)變率的增加而提高，從 2500 s-1下的 151.53 MPa 增加到6500 s-1時的 236.67 MPa。取每條曲線真實應(yīng)變 0.15 處對應(yīng)的平臺應(yīng)力值進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著加載應(yīng)變率的提高，應(yīng)力值從 2500 s-1下的 22.73 MPa 增加到 6500 s-1時的 35.51 MPa。3）透明聚氨酯膠片工程壓縮應(yīng)變達到55%以上，卸載后試件基本恢復(fù)原狀而沒有殘余變形。4）借鑒 ZWT 本構(gòu)模型的思路和方法，確定了航空透明聚氨酯膠片的松弛時間應(yīng)變相關(guān)的超黏彈性本構(gòu)形式。該本構(gòu)模型由兩部分組成：一個表征準(zhǔn)靜態(tài)下的超彈性行為，另一個描述非線性應(yīng)變率相關(guān)特性。5）超黏彈性本構(gòu)模型能夠較好地擬合航空聚氨酯在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，該模型能反映材料在動態(tài)壓縮加載條件下的力學(xué)行為。結(jié)論：本文利用低阻抗的 SHPB 裝置對航空透明聚氨酯膠片進行了動態(tài)壓縮測試，結(jié)果表明，本工作所測試的透明聚氨酯膠片的動態(tài)壓縮行為具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。應(yīng)用相關(guān)本構(gòu)理論，構(gòu)建了描述透明聚氨酯膠片動態(tài)壓縮力學(xué)性能的率相關(guān)本構(gòu)模型，該模型由描述準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)的 Mooney-Rivlin 超彈性模型和描述高應(yīng)變率響應(yīng)的非線性黏彈性模型組成，理論曲線與實驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線有很好的一致性，說明提出的模型能夠很好地描述透明聚氨酯膠片的力學(xué)性能，為成功應(yīng)用于飛機風(fēng)擋、高鐵風(fēng)擋的抗沖擊力學(xué)行為提供了材料參數(shù)和理論依據(jù)。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2015, 35(1): 51-56

入選年份：2015