含預制缺陷PBX炸藥裂紋擴展過程的試驗研究

陳科全，藍林鋼，路中華，聶少云，胡榕希

(中國工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全彈藥研發中心，四川 綿陽 621900)

【化學工程與材料科學】

含預制缺陷PBX炸藥裂紋擴展過程的試驗研究

陳科全a,b，藍林鋼a，路中華a,b，聶少云a,b，胡榕希a,b

(中國工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全彈藥研發中心，四川 綿陽 621900)

以典型HMX基PBX炸藥為研究對象，采用圓弧巴西試驗和數字散斑方法，通過預制缺陷的方式研究了不同缺陷條件下炸藥裂紋的擴展過程。研究表明，不同缺陷下炸藥裂紋擴展過程的差異較大，當缺陷位于加載軸向時，主裂紋完整貫穿試樣中心，而當缺陷與加載方向存在夾角時，主裂紋從缺陷兩端附近向加載面擴展，且不再通過試樣中心。

高聚物粘結炸藥；巴西試驗；數字散斑方法；預制缺陷；裂紋擴展

炸藥是武器殺傷、破壞的重要組成部分，其安全可靠性直接關系到整個武器系統的優劣。高聚物粘接炸藥(PBX)是由炸藥顆粒和粘彈性粘結劑構成的聚合物基含能材料，通常經過炸藥造粒、結晶和冷熱合成等工藝制作而成，炸藥顆粒內部以及與基體之間不可避免地存在微缺陷[1,2]。在炸藥加工成形、運輸、貯存和使用過程中，受力、熱及其耦合荷載的作用，微缺陷可能逐漸發展為宏觀裂紋，裂紋進一步擴展不僅影響炸藥裝藥的爆轟特性和安全可靠性， 甚至導致炸藥裝藥失效，因此是炸藥裝藥安全性研究的重要內容之一。炸藥宏觀裂紋擴展過程研究可豐富對炸藥裝藥失效機理的認識，為各種荷載下炸藥裝藥力學失效的抑制、防護設計研究等提供參考。

國內外在炸藥微缺陷形成、演化對其性能的影響方面開展了大量研究，取得了系列研究成果[3-7]。受炸藥力學強度低、試驗試樣制備困難等限制，一般對其進行壓縮試驗或間接拉伸試驗(也稱巴西試驗)，如周忠彬等[8]采用半圓盤彎曲實驗和數字散斑相關方法，定量分析了試樣損傷局部化特征，證明了數字散斑方法用于炸藥變形破壞研究的有效性。本文作者則利用巴西試驗，研究了裂紋缺陷對PBX炸藥力學性能和破壞形式的影響[9]。值得一提的是，相關研究主要集中微缺陷形成演化及其對力學性能影響等方面，對含宏觀缺陷炸藥裂紋的擴展過程研究相對較少。

本研究以某典型HMX基PBX炸藥為對象，通過預制宏觀裂紋缺陷的方式，借助成熟的巴西試驗技術和數字散斑方法，研究了不同缺陷條件下炸藥裂紋的擴展過程，分析了試樣全場的變形特征。研究結果可加深對PBX炸藥性能的認識，為武器裝藥安全可靠性數值模擬研究提供基礎試驗數據。

1 試驗原理及方法

1.1 巴西試驗原理

巴西試驗也稱劈裂試驗，最早主要用于陶瓷、混凝土、巖石和玻璃等脆性材料拉伸強度的測試，具有試樣制備簡單、試驗成本低等特點。巴西試驗方法如圖1所示，通過對圓形試樣進行徑向壓縮，在受壓直徑上產生拉應力，當試樣拉應力大于其拉伸強度極限時發生破壞。在滿足平面應力狀態和試樣中心起裂的前提下，拉伸強度為

(1)

式中:σb為拉伸強度極限；P為集中載荷；d為試樣直徑；t為試樣厚度。

圖1 巴西試驗示意圖

1.2 數字散斑方法

數字散斑方法(DSCM)采用數學相關方法分析荷載作用下試樣表面的數字圖像數據，即通過數字圖像的灰度值精確測定材料變形[10]，其基本原理是跟蹤數字化散斑圖像上幾何點的運動，從而獲得材料表面的變形信息。數字散斑法的基本作用過程是：用高速錄像機采集加載過程中試樣表面的散斑圖，再由數字化記錄儀記錄成數字圖像格式，通過對圖像進行數學運算，以得到試樣表面的變形信息等。該方法在硬件配置上相比其他方法(如云紋干涉法)較為簡單，已獲得廣泛的應用。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗裝置及試樣制備

試驗采用改進后的圓弧巴西試驗裝置，如圖2(a)所示。采用差動變壓器式引伸計(LVDT)測量試樣徑向變形，其量程為0.5 mm，精度為0.5%。加載設備為INSTRAN 5582材料試驗機，量程5 kN，精度0.5%，測試環境溫度為(20±2)℃。圓弧壓頭為1.35倍試樣半徑。

試驗對象為某典型HMX基PBX炸藥(87HMX/13其他)，試樣為φ20 mm×6 mm的藥片，由同一壓機在相同工藝條件下壓制而成。真實地模擬炸藥裝藥中宏觀裂紋缺陷的形狀、數量和分布等尚不成熟，為此本文在現有炸藥機加工藝保證的前提下，通過精加工形式預制了3種不同形式的宏觀裂紋，預制裂紋缺陷均完全貫穿試樣，其橫截面近似為4 mm×1.5 mm的矩形。3種不同裂紋缺陷的位置分別為：第一種缺陷中心與試樣中心重合，缺陷位于試樣直徑上；第二種缺陷也位于試樣直徑上，但其中心與試樣中心距離5 mm；第三種缺陷垂直于試樣直徑方向，其中心距離試樣中心也為5 mm。

為滿足數字散斑法跟蹤點的運動，通過人工噴漆標記斑點的方法制作了散斑場，如圖2(b)所示。試驗采用雙攝像頭進行圖像采集，采集時間間隔為0.5 s，利用Correlated Solutions公司的Vic 3D軟件對采集的圖片進行處理和分析，通過預計算和標定校正等得到試樣應變場圖像。

圖2 圓弧巴西試驗裝置

1.3.2 試驗加載方式

針對加工的預制缺陷試驗樣品，綜合考慮宏觀缺陷空間位置及其與加載方向夾角等對炸藥裂紋擴展過程的影響，設計了5種典型試驗加載方式。試樣編號及加載方式如圖3所示，包括：預制缺陷位于加載方向，并考慮了兩種不同空間位置(圖3(b)～圖3(c))；預制缺陷與加載方向夾角45°，并包含預制缺陷垂直試樣直徑和位于直徑方向兩種情況(圖3(b)～圖3(c))。同時與傳統巴西試驗密實樣品試驗結果進行對比(圖3(a))。試驗均為擬靜態加載，材料試驗機加載速度v為0.1 mm/min。

2 結果與分析

試驗加載過程中，利用高速錄像機記錄試樣表面全場區域，計算機同步記錄圖像和荷載，通過相關數學算法計算出試樣從受壓直到裂紋擴展、破壞的全過程。不同缺陷條件下，PBX炸藥裂紋擴展過程典型時刻變形測試結果如圖4所示。可見，無缺陷PBX炸藥試驗結果與相關文獻報道結果一致，即主裂紋從樣品中心完整貫穿試樣直徑，同時受加載面應力集中的影響，加載面附近產生兩條次裂紋[見4(a)]。不同缺陷條件下炸藥裂紋擴展過程差異較大。當缺陷位于加載方向(軸向)時，試樣在較短時間內即失去承載能力，且主裂紋仍然完整貫穿試樣中心，如圖4(b)～圖4(c)所示。需要說明的是： 2#樣品受力分布基本對稱，缺陷兩端產生的裂紋也一致，這與試樣結構和受力對稱有關；3#樣品由于軸向受力不對稱，因此與預制裂紋較近的下加載面應力集中現象明顯，除主裂紋以外加載面附近也形成兩條次裂紋，如圖4(c)所示。

圖3 樣品編號及加載方式

當預制缺陷與加載方向存在一定夾角時如圖4(d)～圖4(e)，受預制缺陷附近應力集中的影響，裂紋從缺陷兩端附近開始起裂，且隨著裂紋長度的增加，裂紋逐漸向加載面擴展，直至失去承載能力，此時主裂紋未通過樣品中心。分析其原因是，試樣預制缺陷與加載方向(軸向)的夾角引起炸藥試樣水平、軸向應力非對稱，不在滿足經典巴西試驗起裂條件。此外，同樣受試樣加載面應力集中的影響，主裂紋擴展過程中加載端附近試樣逐步被壓潰，同樣形成了次裂紋，如何改善巴西試驗加載面附近試樣的受力特性尚需進一步研究。

圖4 擬靜態壓縮下含不同預制缺陷PBX炸藥的破壞過程

3 結論

針對典型HMX基PBX炸藥，通過預制宏觀裂紋缺陷的方式，試驗研究了不同加載條件下裂紋的擴展過程，研究表明：不同缺陷下炸藥裂紋擴展過程的差異較大，尤其是預制缺陷與加載方向存在夾角時，主裂紋從缺陷兩端開始起裂，且不再通過試樣中心。研究結果可為炸藥裝藥裂紋擴展的抑制防護設計提供參考。

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[10]李明，張鈺，溫茂萍，等.數字散斑相關技術及其應用[J].信息與電子工程，2005，3(1):36-39.

(責任編輯唐定國)

Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects

CHEN Ke-quana,b, LAN Lin-ganga, LU Zhong-huaa,b, NIE Shao-yuna,b, HU Rong-xia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

The crack growth of polymer bonded explosives with different prefabricated defects were studied by improved arc Brazilian test and digital speckle correlation method, using HMX based PBX explosive as the object, and the whole strain field and displacement vector plot were obtained. Research shows that the explosive crack propagation process under different defects are quite different, and when the defect is located in axial loading, the main crack complete throughout the center of the specimen, and when the defect is at loading direction when there is an angle between the crack defects, from near the ends to the loading surface, and the main crack is no longer pass the specimen center.

polymer bonded explosive; Brazilian test; digital speckle correlation method; prefabricated defects; crack growth

2016-08-22；

2016-09-30

國家自然科學基金(11372293)；中物院化材所青年人才培養基金(QNRC-201312)

陳科全(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事安全彈藥與數值模擬研究。

10.11809/scbgxb2017.01.031

陳科全，藍林鋼，路中華，等.含預制缺陷PBX炸藥裂紋擴展過程的試驗研究[J].兵器裝備工程學報，2017(1):134-136.

format:CHEN Ke-quan, LAN Lin-gang, LU Zhong-hua,et al.Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):134-136.

TJ55；O34

A