兵器科学与技术

兵器科学与技术

用 CSTBD 试样确定砂岩的动态起裂和扩展韧度

杨井瑞，张财贵，周妍，等

目的：本文研究两类岩石动态断裂韧度（动态起裂韧度和动态扩展韧度）的测试方法，尤其是动态扩展韧度目前研究很少。动态断裂研究一般分为两类：1）动荷载作用下裂纹的起裂问题；2）快速运动状态下裂纹的扩展与止裂问题。一方面材料惯性效应造成荷载以应力波的形式传播，使得动态应力强度因子的理论求解十分复杂；另一方面材料动态断裂韧度与加载速率和裂纹扩展速度有关，精确确定测试临界点和测量裂纹的扩展速度比较困难。原理：普适函数表征了裂速不超过Rayleigh 波速时裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响。普适函数适用于第2类动态断裂问题。现有的文献结果表明，裂纹在一定扩展速度下的动态应力强度因子应等于相同构型下静止裂纹的动态应力强度因子与该裂速普适函数值 k（v）的乘积，普适函数可以用于分析岩石断裂路径上扩展裂纹的动态应力强度因子；材料动态断裂过程中裂纹速度和动态断裂能之间有确定的关系。尽管应用普适函数已有一些成果，但就我们的知识所及，尚未见有利用普适函数测定岩石扩展断裂韧度的研究。方法和结果：利用大直径霍普金森压杆径向冲击中心直裂纹巴西圆盘（Cracked Straight-through Brazilian Disc，CSTBD）砂岩试样，完成 I 型动态断裂实验。利用实验-数值方法确定了不同动态加载率下砂岩的动态起裂韧度；结合实验-数值法以及普适函数确定了不同裂纹扩展速度下砂岩的动态扩展韧度。结论：1）利用CSTBD 试样和实验-数值法测可以有效地测定岩石的动态起裂韧度和动态扩展韧度。2）砂岩的动态起裂韧度随动态加载率的提高而增加，动态扩展断裂韧度随裂纹扩展速度的提高而增加。动态断裂韧度随加载率和裂纹扩展速度的变化规律与已有相关文献用其他方法所得到的结论一致。

来源出版物：爆炸与冲击, 2014, 34(3): 264-271

入选年份：2014

发射装药发射安全性评定方法研究

芮筱亭，冯宾宾，王燕，等

摘要：发射装药发射安全性是指发射过程中发射装药产生的膛压不超过允许值而不发生膛炸、膛胀的性能。随

着高初速、高膛压、高装填密度现代高性能火炮武器的不断发展，火炮膛内力学环境越来越恶劣，发射安全性问题愈来愈突出。发射装药发射安全性问题严重制约现代火炮武器的发展，成为各军事强国竞相攻关解决的重大理论与技术难题。作者及其合作者通过理论、计算、试验 3个方面连续 17年的系统深入研究，揭示了发射装药引起膛炸的“发射装药低温－挤压－破碎－增面－增燃－增压－膛炸”的机理，明确了突破发射装药发射安全性难题的主攻方向；引入起始动态活度比新概念，解决了发射装药破碎程度和安全程度定量表征的难题；建立了发射装药挤压破碎动力学，结合多体系统动力学理论、多体接触判别算法、离散单元法、材料强度理论，解决了由数千个弹塑脆性体药粒组成的巨大复杂多体系统动力学的计算量巨大和破碎表征的双重难题；结合挤压破碎动力学和内弹道两相流技术建立了伴随发射装药挤压破碎的内弹道两相流动力学算法，为发射装药发射安全性研究提供了新的理论支撑；发明并研制了系列试验装置，为发射装药发射安全性研究提供了全新手段，利用这些试验装置与技术对多种发射装药的发射安全性进行了系统的试验研究，逐步形成了完整的发射装药发射安全性评定理论和试验方法。据此，建立了我国首个基于发射装药起始动态活度比的发射装药发射安全性评定方法兵器行业标准和国家军用标准。文中包括：发射装药发射安全性评定原理、发射装药发射安全性评定流程、发射装药膛内力学环境试验方法、发射装药动态挤压破碎试验方法、发射装药起始动态活度比试验方法、发射装药发射安全性判据的确定方法、发射装药发射安全性评定方法。相关技术成果得到了广泛关注和重大工程应用，并得到了大量射击试验验证。为科学评估发射装药发射安全性提供了系统的理论依据、技术手段和技术标准。推广应用于火炮发射装药设计、定型（鉴定）试验、使用的各个环节，可大幅提升火炮发射安全性。

来源出版物：兵工学报, 2015, 36(1): 42746

入选年份：2015

镁/铝基水反应金属燃料推进剂的燃烧性能

高明，郭晓燕，邹美帅，等

摘要：目的：水冲压发动机是一种新型的先进动力装置，它只携带富燃的水反应金属燃料，采用外界的海水为主氧化剂。水冲压发动机的关键技术之一是研究和掌握水反应金属燃料与水的反应特性，其反应特性是该类发动机高效燃烧和高效能量转换的基础和核心。国内外对镁基和铝基等金属燃料进行了大量研究，为更好地解决金属/水推进剂点火和燃烧困难等问题，提高金属的反应速率和反应程度，本文对镁/铝基水反应金属燃料进行了研究。方法：通过高能球磨工艺制备高活性镁/铝合金，采用 XRD、TGA 和 SEM 等表征方法对雾化镁/铝合金、高活性球磨镁/铝合金的微观形貌和组成进行对比分析，对其氧化活性和其中镁/铝的氧化过程进行对比分析。并分别制备了两组镁/铝基水反应金属燃料推进剂，对镁/铝基水反应金属燃料的燃烧性能进行研究。采用固体推进剂燃速测试系统测定推进剂药柱的燃速，采用氧弹量热仪测定药柱的爆热值，并收集推进剂的一次燃烧固相产物，并将其放置于水蒸汽高温管式炉中模拟二次燃烧。采用 SEM、XRD 及化学分析方法对水反应金属燃料的一二次燃烧固相产物进行表征。分析了合金中镁和铝在一次燃烧和二次燃烧中的燃烧效率。结果：高能球磨后，雾化镁/铝合金由球状结构变为不规整的小颗粒，表层存在大量裂纹，增大了镁/铝合金的比表面积，同时可以破坏了镁/铝合金球形表面的氧化膜，其氧化活性提高。雾化镁/铝合金和高活性球磨镁/铝合金的主要成分都是 Mg17Al12，高能球磨没有改变镁/铝合金的物相组成。镁/铝合金的氧化过程主要分为两个阶段，镁的快速氧化和后期铝的氧化。高活性球磨镁/铝合金在这两个阶段都具有更低的氧化启始温度。高活性球磨镁/铝合金水反应金属燃料推进剂具有更高的燃速和爆热值。水反应金属燃料中的镁/铝合金发生分步氧化，在一次燃烧中主要是合金中的镁发生了氧化反应，在二次燃烧中随着一次燃烧产物中镁的进一步氧化，其中的铝在镁发生氧化后才能更好地氧化。在二次燃烧中，随着镁的彻底反应，存在未完全反应的剩余铝。高活性球磨镁/铝合金推进剂具有更高的镁和铝燃烧效率，其二次燃烧产物剩余铝含量更低，二次燃烧反应更彻底。结论：高能球磨后，镁/铝合金的氧化活性提高。镁/铝合金的氧化过程主要分为第一阶段镁的氧化和第二阶段铝的氧化，高活性球磨镁/铝合金在这两个阶段都具有更低的氧化启始温度。分析了镁/铝合金在其水反应燃料推进剂中的燃烧过程和氧化机理，确定了通过二次燃烧产物中的剩余铝含量研究/镁铝合金的燃烧效率的方法，研究了其水反应金属燃料的燃烧特性和其中镁、铝的燃烧效率。高活性球磨镁/铝合金能够改善其水反应金属燃料推进剂的一次燃烧效果，可提高其在二次燃烧中铝的燃烧效率。

来源出版物：火炸药学报, 2015, 38(2): 75-80

入选年份：2015

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

张龙辉，张晓晴，姚小虎，等

摘要：目的：夹层玻璃作为抵抗爆炸与冲击载荷的结构已经广泛应用在工业领域，以避免在冲击事件中给人员和结构造成的严重伤害。拥有高透明性、温度适应能力强等优异性能的聚氨酯胶片被新研发用于飞机和高铁风挡夹层玻璃的中间膜，以增强风挡玻璃的抗冲击能力。但是，高性能航空透明聚氨酯在宽泛应变率下的力学性能还未见报道。因此开展透明聚氨酯在高应变率动态加载下的响应特性研究工作就显得尤为重要，这将为飞机和高铁挡风玻璃的设计提供正确的材料模型和可靠的材料数据。方法：本文利用微型 Instron 试验机和霍普金森压杆（SHPB）研究了聚氨酯胶片在准静态和高应变率下的力学性能。动态实验中，基于应力波理论和软材料 SHPB 实验的试样尺寸设计，将聚氨酯胶片加工为长度为 2 mm，直径为 4 mm 的圆柱体。采用低阻抗的铝杆 SHPB 装置，以及应用入射波整形技术，通过适当地调整加载条件，获得恒定高应变率加载下的应力应变曲线。基于本构理论和实验数据，构建了聚氨酯胶片的超黏弹性本构方程，预测曲线与实验曲线一致性良好。结果：1）透明聚氨酯胶片的压缩行为表现出了明显的应变率效应。2）定义真应变为 0.15 处对应点到原点连线的斜率割线模量来表示杨氏模量，割线模量随着应变率的增加而提高，从 2500 s-1下的 151.53 MPa 增加到6500 s-1时的 236.67 MPa。取每条曲线真实应变 0.15 处对应的平台应力值进行比较，发现随着加载应变率的提高，应力值从 2500 s-1下的 22.73 MPa 增加到 6500 s-1时的 35.51 MPa。3）透明聚氨酯胶片工程压缩应变达到55%以上，卸载后试件基本恢复原状而没有残余变形。4）借鉴 ZWT 本构模型的思路和方法，确定了航空透明聚氨酯胶片的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由两部分组成：一个表征准静态下的超弹性行为，另一个描述非线性应变率相关特性。5）超黏弹性本构模型能够较好地拟合航空聚氨酯在不同应变率下的应力应变曲线，该模型能反映材料在动态压缩加载条件下的力学行为。结论：本文利用低阻抗的 SHPB 装置对航空透明聚氨酯胶片进行了动态压缩测试，结果表明，本工作所测试的透明聚氨酯胶片的动态压缩行为具有明显的应变率相关性。应用相关本构理论，构建了描述透明聚氨酯胶片动态压缩力学性能的率相关本构模型，该模型由描述准静态响应的 Mooney-Rivlin 超弹性模型和描述高应变率响应的非线性黏弹性模型组成，理论曲线与实验得到的应力应变曲线有很好的一致性，说明提出的模型能够很好地描述透明聚氨酯胶片的力学性能，为成功应用于飞机风挡、高铁风挡的抗冲击力学行为提供了材料参数和理论依据。

来源出版物：爆炸与冲击, 2015, 35(1): 51-56

入选年份：2015