Page 81 - 《含能之美》2019封面论文

812 刘睿，韩勇，代晓淦，李明，王军

文章编号：1006⁃9941（2019）10⁃0812⁃07

初始裂纹对高聚物粘结炸药低速撞击点火影响数值模拟研究

刘 睿，韩 勇，代晓淦，李 明，王 军

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）

摘 要： 应用 Visco⁃SCRAM 模型和热点模型研究初始裂纹对奥克托今基（Octogen，HMX）高聚物粘结炸药（Polymer bonded
explosive，PBX）炸药低速撞击点火的影响，主要针对标准低速撞击 Steven 试验进行模拟，分析初始裂纹尺寸和初始裂纹非均匀分
布对 PBX 炸药内部温升及热点形成的影响。计算结果表明，随着初始裂纹尺寸的增加，HMX 基 PBX 炸药内部裂纹表面的摩擦生热
-1
增 强 ，导 致 其 内 部 温 升 明 显 ，更 容 易 形 成 热 点 。 当 初 始 裂 纹 尺 寸 从 1 mm 增 加 到 3 mm 时 ，点 火 速 度 阈 值 从 45 m ∙s 降 低 到
-1
38 m∙s 。考虑初始裂纹非均匀性影响，在低速撞击过程中，PBX 炸药内部温升区域发生明显的改变。而且，初始裂纹非均匀性有
利于 PBX 炸药低速撞击过程热点形成，并导致点火速度阈值降低。当初始裂纹尺寸服从均匀分布 U（0.8，1.2）时，点火速度阈值为
-1
-1
36 m∙s 。当初始裂纹服从正态分布 N（1，0.115）时，点火速度阈值为 31 m∙s 。
关键词：爆炸力学；初始裂纹；PBX 炸药；低速撞击；点火速度阈值
中图分类号：O389 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2019152

ot 撞 击 试 验 ，用 于 研 究 炸 药 低 速 撞 击 点 火 问 题 。
1 引 言 Vandersall 等 ［6］ 应用 Steven 撞击试验，设计了不同的
弹头形状低速撞击试验，对炸药的点火进行评估。代
在低速撞击条件下高聚物粘结炸药（PBX）炸药点
晓淦等 ［7］ 研究了 Steven 撞击试验中，不同的弹头形状
火问题受到广泛的关注 ［1-2］ 。一方面，在炸药生产、输
对炸药的反应程度的影响。
送、使用和贮存等过程中，由于碰撞或者跌落等低速撞
对于低速撞击，炸药内部的初始裂纹演化过程对
击刺激，炸药存在意外点火的可能性。另一方面，由于
其点火反应有着极为重要的影响。Idar 等 应用多次
［8］
炸药非均质细观结构的复杂性，炸药低速撞击点火行
Steven 撞 击 试 验 研 究 了 含 有 缺 陷 炸 药 的 点 火 响 应 。
为变得难以预测 ［3］ 。因此，研究炸药低速撞击点火行
Chidester 等 ［9］ 得到了含有损伤炸药在不同弹形撞击
为具有重要的理论和实用价值。
下速度阈值的变化规律。孙宝平等 ［10］ 研究表明随着
相比于冲击点火，低速撞击产生更低的输入压力
裂纹的累积，炸药越容易发生低速撞击点火。尽管通
峰 值（量 级 约 100 MPa）和 更 长 的 压 力 脉 宽（量 级 约
过低速撞击试验方法能够获得炸药点火的宏观规律，
1~10 ms）。 为 了 实 现 具 有 低 幅 值、长 脉 宽 特 征 的 加
但是，炸药点火的微观机制，例如摩擦、剪切以及温度
载，发展了不同的动态加载技术，例如，霍普金森杆技
变化，很难通过试验观测。Bennett 等 ［11］ 发展了基于
术、落锤撞击、平板撞击等 ［4-5］ 。美国国家实验室确定
微裂纹界面的摩擦生热的点火模型（Visco⁃SCRAM 模
了一系列的炸药低速撞击点火的标准试验，例如，Ste⁃
ven 撞击试验、落锤撞击试验、Susan 撞击试验和 Spig⁃ 型），并应用该模型模拟了不同应变率条件下的炸药力
学响应及温度变化。该模型可以描述微裂纹的张开、
闭合以及扩展过程，同时，也描述了裂纹表面摩擦所引
收稿日期：2019‑05‑27；修回日期：2019⁃08‑29
网络出版日期：2019⁃09⁃06 起的温度变化。基于该模型，楼剑锋等 ［12］ 分析了热点
基金项目：国家自然科学基金项目（11902300） 尺度、应变率和裂纹界面压力对炸药点火的影响。杨
作 者 简 介 ：刘 睿（1985-），男 ，助 理 研 究 员 ，主 要 从 事 含 能 材 料 爆 轰 康 等 ［13］ 考 虑 了 材 料 应 变 率 效 应 和 裂 纹 扩 展 方 向 对
安全性研究。e⁃mail：liurui_icm@126.com
PBX 动态变形的影响。上述研究尽管讨论了炸药内部
通 信 联 系 人 ：韩 勇（1976-），男 ，研 究 员 ，主 要 从 事 含 能 材 料 爆 轰 性
能研究。e⁃mail：y_han76@126.com 裂纹演化与点火响应关联性问题，但是，并没有充分地
引 用 本 文 ：刘 睿 ,韩 勇 ,代 晓 淦 ,等 . 初 始 裂 纹 对 高 聚 物 粘 结 炸 药 低 速 撞 击 点 火 影 响 数 值 模 拟 研 究 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(10):812-818.
LIU Rui, HAN Yong, DAI Xiao⁃gan,et al. Numerical Simulation on the Influence of the Initial Crack on Polymer Bonded Explosive Ignition Under Low Velocity
Impact[J]. Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2019,27(10):812-818.
Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.10, 2019（812-818） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn