高聚物粘结炸药(PBX)的细观力学行为模拟研究

摘要

高聚物粘结炸药（Polymer Bonded Explosive,PBX）是由单质炸药晶体和高聚物粘结剂等组成的混合炸药，PBX的力学性能对其作用可靠性和使用安全性有着重要影响。数值模拟是研究PBX细观力学行为的重要途径。数值流形方法（Numerical Manifold Method,NMM）采用两套独立覆盖系统和截断不连续覆盖函数，适合于材料不连续力学行为的模拟。本文对PBX细观NMM模拟模型的建立，以及NMM方法中PBX基体和颗粒基体界面的材料本构模型进行了研究，进而对PBX细观力学行为特征和规律进行了模拟和分析。 首先，将有限元网格作为一种数学覆盖方式生成流形覆盖系统以避免细小流形单元的出现，并提出了将单个材料体描述为一个流形单元的独立覆盖方法。通过多种流形覆盖方式相耦合，降低了模型建立过程的复杂程度，减少了模型中的接触数量以及流形单元数量，提高了计算效率。 其次，在NMM中实现了ZWT粘弹性本构模型、Prony级数粘弹性本构模型和界面双线性本构模型。验证了粘弹性本构模型在不同应变率下模拟的正确性。通过简单模型的法向/切向接触力与接触位移的关系曲线，验证了界面双线性本构模型的准确性。 最后，通过两种途径建立PBX的细观结构模型，对不同颗粒级配、体积分数与分布形式下的PBX细观模型进行了单轴拉伸与压缩模拟。结果表明：PBX宏观等效应力增长速度随颗粒体积分数的增加而增加，即PBX的等效弹性模量随颗粒体积分数的增加而增大；界面脱粘和粘结剂断裂是主要的破坏模式，单轴压缩下，尺寸较小的炸药颗粒破碎也可以看作是早期较为主要的破坏模式；颗粒体积分数相近的细观模型中，不同的PBX细观模型有不同的宏观等效拉伸/压缩强度；由于粘结剂和炸药颗粒在PBX变形过程中的支配作用程度不同，造成PBX宏观等效模量在不同体积分数段的变化。

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