高聚物粘结炸药结构与性能的计算模拟研究

高聚物粘结炸药力学性能的分子动力学模拟随着现代军事科技的迅速发展,对含能材料的能量性能和综合性能的要求越来越高。

高聚物粘结炸药(PBX)集单质炸药的爆轰性能和聚合物优异的力学性能于一体,被广泛运用于工业及军事等领域。

同时,随着计算机科学技术的迅猛发展,利用模拟和计算的方法研究PBX炸药的结构和性能,对PBX的配方设计具有理论指导意义。

本文采用分子动力学模拟方法,在不同压强和温度条件下对PBX9501粘结剂、氟聚物F2311和F2314体系进行了研究,探讨其在600K/700K下的等温压缩行为,并通过拟合P-V-T数据找到其适用的状态方程;利用静态力学方法,在295K及1atm条件下对这三种粘结剂的力学性能进行了模拟,并将结果进行了对比分析;采用COMPASS力场,探讨了温度和压强对PBX9501混合炸药力学性能的影响,同时通过该体系中各组分最大引发键键长的变化来判断温度对其热感度的影响;得出以下结论:1)通过对PBX9501粘结剂、F2311和F2314进行MD模拟,并利用Tait和Sun状态方程对各粘结剂等温压缩线进行拟合发现,两状态方程对不同粘结剂的拟合都存在一定的差异,但拟合的结果均较好,即可利用Tait和Sun两状态方程来描述各粘结剂的等温压缩行为。

2)PBX9501粘结剂体系随压强增大其刚性增强,弹性减弱;随温度的升高,其刚性逐渐减弱,弹性增强;同时,将三种粘结剂的力学性能进行对比发现,F2314的刚性较强、F2311次之,PBX9501粘结剂的塑性较之最强。

3)随着温度的升高,PBX9501复合炸药的刚性逐渐减弱,塑性和柔性渐强;在外界压强不断加载下PBX9501炸药逐渐表现出韧性,且随着压强的增大其韧性越好;同时利用MD方法对PBX9501热感度进行研究发现,随温度逐渐升高,PBX9501混合炸药体系变得更为敏感,且在375K时其引发键的最大键长显著增大。

研究结果为PBX配方设计中粘结剂的选择以及PBX9501的加工工艺的改进提供一定的理论支持。

HNIW基高聚物粘结炸药结构和性能的MD模拟研究钝感传爆药作为钝感弹药研究的关键技术之一，深受国内外研究者的重视。

传爆药对弹药系统的安全可靠性起着至关重要的作用和影响。

从美国及其他军事强国批准使用的和大量研制的传爆药情况看，表明高能化是传爆药今后的主要趋势，采用的途径主要有：应用高能量密度的材料炸药，如HNIW、DNTF等以提高传爆药的能量水平；合成了聚叠氮聚合物用作传爆药中的活性粘结剂、增塑剂，以提高传爆药的性能；引入分子间混合新技术、纳米技术、分子固体技术等以降低药剂制备过程中因界面效应造成的能量损失。

为了获得高能钝感传爆药的基本方法，就是选择高能密度材料作为主体炸药，选择吸附作用强、结合能大的包覆剂。

论文主要通过分子动力学（MD）模拟体系模拟和计算以高聚物粘结炸药(PBX)为主的多系列各类型高能复合材料的结构和性能。

以HNIW基高聚物粘结PBX为例，通过“吸附包覆”型MD模拟，探讨高聚物粘结剂及其浓度以及温度对PBX 的力学性能、结合能和爆炸性能的影响；比较了由不同粘结剂构成的PBX的平衡结构、结合能、力学性能和爆炸性能的差异，比较并选择性能优良、粘结效果好的粘结剂。

对Estane5703、EVA7350M及F2314与ε-HNIW分子间相互作用进行探讨，对粘结剂进行优选。

运用分子动力学软件中的DICOVER模块，以COMPASS 力场，运用量子化学（QM）方法，结果表明，三种粘结剂与ε-HNIW结合能顺序为：ε-HNIW/ Estane5703>ε- HNIW/EVA7350M>ε- HNIW/ F2314，PBX 体系内分子作用前后ε-HNIW分子结构未发生大的改变。

最后对传爆药ε-HNIW探讨了各种工艺条件对包覆效果的影响，采用水悬浮制备法制备了ε-HNIW基传爆药。

结果表明，粘附功计算结果和DSC实验结果证实MD方法可优选结合能大，相容性好的粘结剂。

高聚物粘结炸药力学性能的细观预测方法高聚物粘结炸药(PBX)因优异的综合性能广泛用于火箭推进剂和武器战斗部,其力学性能得到极大关注。

细观层次的实验研究与数值模拟层出不穷,但理论研究仍主要停留在宏观层面。

基于连续介质力学的宏观唯象类本构无法揭示材料细观结构与宏观响应的内在关系,发展细观力学方法预测PBX的力学性能具有重要意义。

将PBX的理论研究深入到细观层次能更好地了解其宏观力学行为,也是研究的必然趋势。

探究了细观力学界限法和经典解析法预测PBX有效弹性模量的适用性。

由于PBX颗粒含量极高(>80%)、颗粒与粘结剂模量相差3～4个数量级、粒径分布广(1μm～1000μm),无论界限法还是解析法都无法对其有效模量作出合理估计。

组分弹性常数的参数化分析表明,炸药颗粒性能对PBX有效模量的影响不大,而粘结剂性能对整体有效性能有很大影响。

在经典细观力学基础上,初步提出应变集中张量修正法与Eshelby张量修正法,分别考虑颗粒间相互作用与颗粒形貌的影响。

在细观力学方法中引入零厚度弹簧界面模型,以退化因子的形式研究颗粒/粘结剂弱界面对PBX有效弹性性能的弱化作用。

界面法向柔度参数与切向柔度参数分别独立影响着体积模量与剪切模量,柔度参数越大,对应模量退化越严重;炸药颗粒含量越高,弱界面影响越大。

计算中,含弱界面复合体有效性能的退化主要由附加应变与Eshelby张量的修正引起。

然而,对于PBX材料,可以仅考虑附加应变的影响,忽略Eshelby张量的修正,从而推导出的简化公式与原方法的预测结果十分吻合。

根据PBX的细观结构特征,将PBX视为由等效颗粒(包覆着粘结剂的炸药晶体)构成的“伪多晶体”,不含基体相,引入孔洞等缺陷和颗粒的尺寸特征,提出了伪多晶法预测PBX的有效模量。

将其应用于PBX9501与X0242,精度上有较大提升,并且适用于不同粒径分布的炸药配方。

采用代表性体积单元研究了颗粒分布形式、颗粒形貌对PBX有效弹性模量的影响。

高聚物粘结炸药结构与性能的计算模拟研究以高聚物粘结炸药（PBX）为主的高能复合材料的出现，赋予含能材料（如混合炸药、发射药、推进剂和传爆药等）以更多优良的综合性能，如较高的能量密度、优良的机械性能和较高的安全性能等，在现代国防和国民经济各相关领域获得极为广泛的应用。

探讨高能复合材料的结构与性能，为其配方设计提供信息、规律和指导，具有理论和实际双重意义。

本文以分子动力学（MD）为主结合量子化学等理论方法，对以PBX为主的多类型高能复合材料，进行了较为系统的模拟和计算，获得了一些有价值的结果。

首先，对以TATB为基的聚三氟氯乙烯（PCTFE）粘结炸药（TATB／PCTFE PBX）通过“吸附包覆”型MD模拟，发现添加高聚物于主体炸药中，使其弹性系数和模量减小，表明刚性减小，弹性增大，机械力学性能大为改善；TATB与PCTFE的相互作用较强，多为氢键和范德华作用。

还发现在一定范围内，随高聚物PCTFE在PBX中浓度的增加，体系结合能逐渐增大，刚性逐渐减弱，弹性逐渐增强；而随温度升高，PBX刚性减弱、弹性增强，结合能则逐渐减弱。

对4种不同氟聚物(PVDF，F₂₃₁₁，F₂₃₁₄和PCTFE)粘结TATB形成的PBX，MD模拟和爆轰性能计算表明，4种氟聚物均能增强体系的弹性，改善其力学性能，但同时又均降低体系的爆热和爆速。

求得爆热的大小顺序为TATB／PVDF＞TATB／F₂₃₁₁＞TATB ／F₂₃₁₄＞TATB／PCTFE，爆速的大小顺序则相反。

这些规律的发现，为优选粘结剂提供了依据和指导。

其次，将“吸附包覆”型MD模拟应用于四组分体系，模拟研究了两个HMX基PBX实际配方JOB-9003(即HMX／TATB／F₂₃₁₁／石蜡)和JO-9159(即HMX／NC／F₂₃₁₁／石蜡)，求得它们的结构、结合能、力学性能、计算了爆热和爆速，探讨了感度性质和各添加组分的作用。

ISSN 1002-4956 CN11-2034/T实验技术与管理Experimental Technology and Management第38卷第3期2021年3月Vol.38 No.3 Mar. 2021DOI:10.16791/ki.sjg.2021.03.013基于T K X-50的P B X s含能材料力学性能计算模拟杨犁，余庚泽，余晨，孙炜(武汉工程大学绿色化工过程教育部重点实验室和湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，化工与制药学院，湖北武汉430205 )摘要：在含能材料中添加高分子粘结剂来制备高聚物粘结炸药（PBXs )是改善其力学性能的一种重要手段。

含能材料l，r-二羟基-5J-联四唑二羟胺盐(TKX-50)具有高储能、高爆速、低灵敏度和低毒性等特点。

将TKX-50分别与HM X和RDX混合得到TKX-50/HMX混合体系和TKX-50/RDX混合体系。

该文利用分子动力学（MD )模拟分别计算在TKX-50、TKX-50/HMX混合体系和TKX-50/RDX混合体系中添加聚双（叠氮基甲基）氧杂环丁烷（poly-BAMO )和聚双（氟甲基）氧杂环丁烷（poly-BFMO )形成的PBXs的力学性能。

基于弹性力学原理计算的结果表明，TKX_50/高聚物PBXs的杨氏模量£、剪切模量G、体积模量尺较纯的TKX-50晶体模量均有下降。

且模量随所加入poly-BAMO和poly-BFMO的质量分数增加而降低越多，其中poly-BFMO对PBXs弹性和塑性的提高比poly-BAMO更显著。

TKX-50/HMX混合体系的PBXs与TKX-50/RDX混合体系的PBXs的A7G值分别相比TKX-50/HMX混合体系与TKX-50/RDX混合体系下降，在TKX-50/RDX混合体系中添加poly-BAMO或者poly-BFMO形成的PBXs相比TKX-50/RDX混合体系硬度增大，弹性下降。

第３５卷第１期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．１２０２４年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．１６０Ｇ１８０高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望孙海涛１㊀詹㊀梅１㊀樊晓光１㊀郭㊀靖２㊀韩㊀超２㊀张㊀君３１．西北工业大学材料学院,西安,７１００７２２．中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳,６２１９００３．中国重型机械研究院股份公司金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室,西安,７１００３２摘要:压装型高聚物黏结炸药(P B X )因具有优异的爆轰性能和力学性能而被广泛应用于现代高效毁伤武器战斗部.未来作战环境和战略需求的不断变化,促使压装型P B X 朝着高质量㊁高安全㊁高效率成型制造的方向发展.综述了压装型P B X 在成型质量与性能调控㊁压制安全性㊁自动化制造三方面的相关研究现状及面临的问题.首先探讨了P B X 在成型质量与性能调控方面的研究进展,包括炸药颗粒致密化演变规律与密度均匀性㊁损伤演化机制与界面性能调控㊁残余应力检测与调控;进而分析讨论了P B X 的压制安全性以及在数字化和自动化制造方面的研究现状;最后基于对研究现状的分析,展望了P B X 压制成型领域未来的发展趋势与面临的挑战.关键词:高聚物黏结炸药;压制成型;成型质量;安全性;数字化中图分类号:T J ５５D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０１．０１６开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):R e s e a r c hP r o g r e s s e s a n dP r o s p e c t s o fC o m p r e s s i o n M o l d i n g of H igh Ｇpe rf o r m a n c eP B X S U N H a i t a o １㊀Z H A N M e i １㊀F A N X i a og u a n g １㊀G U OJ i n g ２㊀H A N Ch a o ２㊀Z H A N GJ u n ３１．S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y,X i a n ,７１００７２２．I n s t i t u t e o fC h e m i c a lM a t e r i a l s ,C h i n aA c a d e m y o fE n g i n e e r i n g P h y s i c s ,M i a n y a n g,S i c h u a n ,６２１９００３．C h i n aN a t i o n a lH e a v y M a c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t eC o ．,L t d ．,S t a t eK e y L a b o r a t o r y ofM e t a l E x t r u s i o na n dF o r g i n g E q u i p m e n tT e c h n o l o g y,X i a n ,７１００３２A b s t r a c t :P r e s s e dP B X w a sw i d e l y u s e d i n m o d e r nh i g h Ｇe f f i c i e n c y d a m a g ew e a po nw a r h e a d sd u e t o t h e i r e x c e l l e n t d e t o n a t i o na n d m e c h a n i c s p r o p e r t i e s ．T h e c o n t i n u o u s c h a n g e s i nt h e f u t u r e c o m b a t e n v i r o n m e n t a n ds t r a t e g i c r e q u i r e m e n t sw e r ed r i v i n g t h ed e v e l o p m e n to f p r e s s e dP B Xt o w a r d sh i gh q u a l i t y ,h i g hs a f e t y ,a n de f f i c i e n tm o l d i n g a n dm a n u f a c t u r i n g．T h u s ,t h e c u r r e n t r e s e a r c hs t a t u s a n d p r o b l e m s f a c i n g t h e p r e s s e dP B Xi n m o l d i n gq u a l i t y a n d p e r f o r m a n c ec o n t r o l ,c o m p r e s s i o n m o l d i n gs a f e t y ,a n da u t o m a t i c m a n u f a c t u r ew e r es u mm a r i z e dh e r e i n ．F i r s t l y ,t h er e s e a r c h p r o gr e s s e s i nt h e c o n t r o l o f f o r m i n g q u a l i t y a n d p e r f o r m a n c e o f P B Xw a s e x p l o r e d ,i n c l u d i n gt h e e v o l u t i o n l a wa n d d e n Ｇs i t y i n h o m o g e n e i t y o f e x p l o s i v e p a r t i c l e d e n s i f i c a t i o n ,d a m a ge e v o l u t i o nm e c h a n i s ma n d i n t e rf a c e p e r Ｇf o r m a n c e c o n t r o l ,r e s i d u a l s t r e s s d e t e c t i o n a n d c o n t r o l ．F u r t h e r m o r e ,t h e c o m p r e s s i o nm o l d i ng s a f e t yo f P B Xa n dt h ec u r r e n t r e s e a r c hs t a t u s i nd i g i t a l a n da u t o m a t i cm a n u f a c t u r ew e r ea n a l yz e da n dd i s Ｇc u s s e d ．F i n a l l y ,b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tr e s e a r c h p r o g r e s s e s ,t h ef u t u r ed e v e l o pm e n t t r e n d s a n d c h a l l e n g e s i n t h e f i e l do f P B Xc o m p r e s s i o nm o l d i n g w e r e p r o s pe c t e d ．K e y wo r d s :p o l y m e rb o n d e de x p l o s i v e s (P B X );c o m p r e s s i o n m o l d i n g ;m o l d i n gq u a l i t y ;s a f e t y ;d i gi t i z a t i o n 收稿日期:２０２３０５２６基金项目:国家自然科学基金(５２００５４５９)０㊀引言高聚物黏结炸药(p o l y m e rb o n d e de x pl o Ｇs i v e s ,P B X )是由奥克托金(HM X )㊁黑索金(R D X )或者C L Ｇ２０(C ６H ６N O )等高能炸药为主体,以高聚物为黏结剂,再与其他添加剂混合配制而成的一种高分子基复合材料.作为近代军用混合炸药的典型代表,P B X 炸药具有能量密度高㊁安定性能良好且易于加工成型的特点,被广泛应用于常规武器㊁核武器等各种战斗部装药以及火箭推进剂等领域[１Ｇ２].压制成型作为一种古老且重要的装药方法,可有效提高P B X 炸药的装药密度和爆轰威力,在P B X 炸药的成型制造领域具有不可替代的地位.近年来,国际战争局势的日益紧张㊁战场环境的复０６１杂恶劣以及新型武器弹药的迅速发展,对压装型P B X 炸药的成型质量及性能㊁压制安全性以及数字化自动化水平提出了更高的要求.然而,P B X 炸药压制成型作为典型的 黑箱 过程,面临着实验观测难度大㊁致密化过程中颗粒演变行为和密度演化规律复杂㊁多物理场多刺激源下材料敏感性强易产生初始损伤和残余应力㊁界面强度低㊁压制安全性有待提高㊁生产效率低等众多科学与技术难题,严重制约了高性能P B X 炸药未来的发展.鉴于上述分析,本文首先介绍了P B X 炸药压制成型工艺原理及分类;之后对P B X 炸药压制成型过程中的成型质量与性能调控㊁压制安全性以及数字化和自动化方面的研究现状进行了归纳㊁总结和分析;最后,对P B X 炸药压制成型领域未来发展的趋势和面临的挑战进行了展望.１㊀P B X 炸药压制成型原理及分类１．１㊀模压成型过程及分类模压成型即钢模压制成型,其压制过程(图１)通常是将预制好的造型粉(０．２~２mm 左右)倒入不锈钢模具中,在压机上通过冲头加压的方式将散粒体炸药压制成具有一定形状㊁尺寸和强度的高致密化药柱,之后经过保压㊁卸载㊁退模等流程获得所需成型药柱[１].作为目前应用最广泛的压装成型工艺,模压成型具有工艺简便㊁对设备要求低㊁生产效率高等优点.图１㊀模压成型过程示意图F i g ．１㊀S c h e m a t i c o f c o m p r e s s i o nm o l d i n gpr o c e s s 随着模压成型工艺的不断发展,模压成型目前主要可分为单向模压㊁双向模压㊁冷压压制和热压压制几大类.相较于单向压制,双向压制采取上下冲头对药柱两端同时加压的方式,可缩短相对压制距离,提高药柱内部密度均匀性.相较于室温下的冷压压制,热压压制在装药前需要提前对模具和原材料进行预热处理,使压药时的环境温度处于高聚物黏结剂软化点以上,以保证成型过程中高聚物黏结剂充分软化,提高药柱的塑性和可压性.１．２㊀等静压成型原理及特点等静压成型的原理是根据流体力学中的帕斯卡定律,将待成型部件连同外部橡胶包套放入高压容器内,在一定温度和压力下,通过流体介质向橡胶软模和压坯施加各向均匀的压力,从而获得高致密化构件(图２[３]).图２㊀等静压成型示意图[３]F i g ．２㊀I s o s t a t i cm o l d i n g d i a gr a m [３]相较于模压成型,等静压成型具有受力环境均匀㊁柔性化水平高的工艺优势,并可大幅提高炸药件的密度均匀性和力学性能[４],在大长径比㊁形状复杂炸药件的生产制造中具有一定的优势.但由于等静压成型工艺复杂㊁设备昂贵㊁生产效率低,在常规武器弹药的应用推广中受到一定的限制.２㊀P B X 炸药压制成型质量与性能调控２．１㊀P B X 炸药致密化演变规律与密度均匀性P B X 炸药的压制成型过程是松散炸药颗粒在热力载荷下发生剧烈结构演变而致密化的过程,实现成型过程的精确可控是制造高质量高可靠P B X 炸药未来发展的迫切需求,然而该过程却面临着成型观测难度大㊁致密化成型过程中颗粒演变行为多样㊁密度演化规律复杂㊁均匀性差等难题,这严重阻碍了P B X 炸药先进成型制造技术的发展.近年来,随着无损检测技术的快速发展以及数值模拟计算水平的不断提高,众多学者对致密化成型过程中颗粒演变行为㊁密度演化规律及其均匀性问题开展了相关研究.２．１．１㊀P B X 炸药颗粒致密化行为及演变规律P B X 炸药颗粒致密化演变是一个涉及宏观尺度造型颗粒变形以及细观尺度多相介质间复杂结构演化的多尺度力学行为.阐明压制过程中宏观造型颗粒的形态演变规律以及细观尺度下晶体㊁黏结剂的致密化行为是实现P B X 炸药成型质量调控的关键难题.目前对该过程的研究主要分为致密化结构的实验表征和致密化演变过程的模拟计算两类,表１汇总了目前在致密化结构表征和数值模拟方面的主要研究方法及其适用问题㊁优缺点对比.在宏观造型颗粒的形态演变方面,张伟斌等[５]利用高分辨率X 射线层析成像技术无损观１６１ 高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望孙海涛㊀詹㊀梅㊀樊晓光等表１㊀致密化演变实验表征和数值模拟方法汇总T a b．１㊀S u m m a r i z e do f d e n s i f i c a t i o n e v o l u t i o n e x p e r i m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 研究方法适用问题优点缺点实验表征光学显微镜/扫描电镜(S E M)法局部微细结构表征可获得剖切面局部微/纳结构,观测精度高,需要破坏性逐层剖片,耗时长X射线微层析成像法(XＧC T)三维完整微细结构信息获取无损检测,不需要破坏样品的完整性只能识别出实体相和孔隙中子小角散射法(S A N S)内部多相界面㊁孔洞分布特征的定量表征可检测微观尺度结构难以区分晶体黏结剂孔隙间的界面小角X射线散射法(S A X S )内部密度和孔隙率测试可测量颗粒内部密闭的微孔,适用样品范围宽用于三相体系的研究较困难数值模拟有限元法(F E M)连续介质力学行为研究计算速度快,理论和方法均较为成熟处理大变形问题时,网格易发生扭曲与畸变无网格法大变形计算避免了网格重新划分的难题缺乏完善的理论基础,计算效率低离散元法(D E M)非连续介质力学问题不受变形量限制,计算灵活计算规模受到限制测获得了单向温模压P B X炸药致密化过程中颗粒排列方式,发现造型颗粒在成型后其形态沿压制方向呈扁长形㊁沿径向呈多边形分布.戴斌等[６Ｇ７]将圆片状可变形材料植入造型颗粒层中,同时与锥束微焦点C T(c o m p u t e dt o m o g r a p h y)技术相结合,建立了造型颗粒压制致密化成型过程结构演变动态检测技术,揭示了致密化成型过程中内部颗粒形态演变规律,见图３[５Ｇ７].(a)XＧμC T扫描示意图(b)植入变形橡胶片和造型颗粒的形态变化图３㊀XＧμC T观测下P B X炸药致密化成型过程中颗粒形态演变过程[５Ｇ７]F i g．３㊀E v o lu t i o no f p a r t i c l em o r p h o l o g y d u r i n g t h e d e n s i f i c a t i o n p r o c e s s o fP B Xu n d e rXＧμC To b s e r v a t i o n[５Ｇ７]为获得细观尺度多相介质的复杂致密化行为及演变规律,白亮飞等[８]采用中子小角散射(S A N S)技术分析了P B X炸药内部中子小角散射信号随成型压力的演变规律(见图４),并利用P o r o d定理获得了不同压力下细观尺度多相介质间界面面积的变化规律,发现成型压力较大时,除(a)压力p＝６４M P a(b)压力p＝１７８M P a(c)压力p＝３８２M P a图４㊀不同压力下成型P B X基样品的典型S A N S二维图像[８]F i g．４㊀T y p i c a l S A N S t w oＧd i m e n s i o n a l i m a g e s o fP B X b a s e d s a m p l e s f o r m e du n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e s[８]２６１中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月了颗粒被压实外,颗粒内部有大量的黏结剂流动至炸药晶体表面.该项工作从实验角度验证了P B X炸药在细观尺度的微结构演变行为,并对多相介质间不同界面进行了分类定量表征,为阐明细观尺度微结构演变规律及其内在物理机制建立了实验基础.近年来,学者们为深入揭示P B X炸药致密化过程中细观结构演变行为及致密化机制,开始对颗粒致密化演变行为进行细观尺度模拟.其中,唐红等[９]采用物质点法研究了P B X炸药颗粒在致密化演变过程中的细观力学行为,发现在压制前期,炸药颗粒在压力作用下发生重排,压块内部出现明显应力梯度;当进入压制后期,炸药颗粒主要产生塑性变形,压块内部应力梯度随之逐渐减小.HU等[１０]采用X C T(XＧr a y c o m p u t e d t o m oＧg r a p h y)原位扫描试验获得了造型粉颗粒三维形貌信息,通过压缩试验获得了单颗粒压缩特性,之后基于离散元(D E M)方法,建立了具有真实三维结构特征的聚合物晶体复合颗粒的D E M模型(见图５),揭示了压缩成型致密化过程中颗粒内部结构演变及致密化机理.G U O等[１１]通过实验和离散元(D E M)法模拟,研究了晶体尺寸对奥克托今(HM X)基P B X炸药模压致密化和细观力学行为的影响,发现在相同压力下,晶体尺寸越大,相对破碎率越大,进而导致密度增大,机械强度降低.综上所述,学者们通过实验设计㊁无损检测以及模拟计算等手段初步探明了P B X炸药在压制过程中的颗粒致密化行为及规律,并建立了相应图５㊀聚合物/晶体复合颗粒离散元模型[１０]F i g．５㊀D i s c r e t e e l e m e n tm o d e l o f p o l y m e r/c r y s t a lc o m p o s i t e p a r t i c l e s[１０]的理论体系和数值模型.然而,针对P B X炸药在动态压缩下造型颗粒内部细观尺度的原位表征技术相对缺乏,这使得目前对颗粒致密化演变行为的研究主要停留在宏观尺度造型颗粒的结构演变方面,而针对颗粒内部细观尺度上譬如晶体㊁黏结剂等微结构的致密化演变研究仍相对较少,特别是不同尺度间致密化行为的关联机制尚不清晰,这些将是接下来亟需研究的重点.２．１．２㊀P B X炸药密度分布规律及均匀性随着未来武器战斗部对P B X炸药爆轰波的精确输出形式以及环境适应性要求的不断提高,人们对P B X炸药件密度分布及均匀性要求变得更加严苛,对致密化程度高且均匀性良好P B X炸药的制造需求也越来越大.密度是反映颗粒材料在致密化成型后材料内部质量的关键指标,对密度分布规律的精确检测和调控成为提升炸药件综合性能的重要手段.对此,学者们开展了大量的研究工作,表２汇总了目前主要的密度检测方法和调控策略.表２㊀密度检测方法和调控策略T a b．２㊀D e n s i t y d e t e c t i o nm e t h o d s a n d c o n t r o l s t r a t e g i e s 研究方法适用问题特点/原理密度检测方法排水法构件整体密度检测成本低㊁效率高㊁操作简便,局部密度测量困难γ射线透射法无损检测局部密度精确检测高自动化,不需要破坏样品完整性,但对设备要求高双标准C T同步对称截面扫描复杂构型截面密度检测解决截面形状㊁面积变化产生的C T值测试差异问题,但测试流程不够简便密度调控策略延长保压时间提高温度复压等静压成型超声能场辅助成型提高药柱密度改善均匀性降低回弹变形降低颗粒机械强度,提高塑性增加二次重排和破碎程度增大受力均匀性,工艺柔性高促进颗粒重排能力㊀㊀为提高P B X炸药件密度分布的检测精度,并获得密度演化规律,田勇等[１２]研制了炸药柱径向密度分布γ射线透射法无损检测装置.与排水法测密度相比,该装置具有高精确性和高自动化的特点,该装置为精确无损检测炸药柱局部密度分布提供了一种有效途径.杨雪海等[１３]建立了双标准C T同步对称截面扫描模型(见图６,图中１号㊁２号为标准密度件,０号为待测密度件,ρ１㊁ρ２㊁ρ０分别为三者的体密度,C T０i㊁C T１i㊁C T２i分别为对应截面C T值,ρa i r为空气密度,C T a i r为空气C T 值),将其与实验相结合,分别揭示了标准P B X密度件与复杂构型密度件内部截面C T灰度值的分布规律,该项技术提高了P B X截面密度测试的准确性.刘鹏华等[１４]采用小角X射线散射技术(S A X S)和排水法研究了不同温度下P B X构件内部的密度演变规律,发现在某个压制温度下P B X３６１高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望 孙海涛㊀詹㊀梅㊀樊晓光等构件内部密度值会发生突变.张远舸等[１５Ｇ１６]采用传统的压制方程,探明了在冷压和热压条件下不同加载阶段P B X 炸药内部密度演化规律,并基于经典机器学习算法支持向量机(S VM )的回归算法,将时间因素引入到不同加载阶段的映射关系中,得到了从压力㊁温度和时间到密度的更高维度映射.图６㊀C T 同步扫描测试模型示意图[１３]F i g ．６㊀S c h e m a t i c o fC Ts y n c h r o n o u s s c a n n i n gt e s tm o d e l [１３]炸药件的密度均匀性决定了构件质量的均匀程度及其爆轰性能,然而,炸药件密度均匀性受成型工艺影响较大,这是由于模压成型过程中炸药颗粒与模具壁以及炸药颗粒间不可避免地存在着流动摩擦,这导致沿压制方向将产生不同程度的压力损耗,从而造成药柱内部产生密度不均匀现象,严重影响炸药件的力学性能.而等静压成型具有更加均匀的受力环境,在P B X 炸药密度均匀性以及力学性能提升方面具有巨大优势.从２０世纪末开始,学者们综合对比了等静压成型相较于模压成型在提高密度均匀性方面的工艺优势,并揭示了成型参数对密度均匀性的影响规律.其中,张锋等[１７]采用等静压成型开展了P B X Ｇ０１炸药压制性能研究,发现与传统模压成型件相比,等静压P B X Ｇ０１炸药件成型过程受力均匀,C T 图像显示不同部位内部质量均匀(见图７).张德三等[１８]研究了等静压成型过程中温度㊁保压时间㊁压制次数等压制参数对成型密度的影响规律,并将其过渡到大型部件的成型,取得了良好的结果.梁华琼等[３,１９]在此基础上进一步研究了不同压力和初始相对装药密度下橡胶等静压成型性能的演变规律,发现在１６０M P a 的成型压力㊁６２％的初始相对装药密度下,成型构件的轴向密度差可以降低至０．４％左右,通过延长保压时间可有效提高炸药件压实密度.A Z H D A R 等[２０]研究了粉末聚合物高速压实(H V C )工艺,通过增加压实量和压实方向,研究了在有松弛辅助和无松弛辅助情况下,压实材料的压实特性和表面形貌,以及如何通过松弛辅助来提高压实粉末床上下表面的均匀致密性和上表面的均匀性.㊀㊀㊀(a )中部㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)上部图７㊀等静压P B X 炸药不同部位C T 图像[１７]F i g ．７㊀C T i m a ge s of d i f f e r e n t p a r t s o f i s o s t a t i c pr e s s u r eP B X [１７]近年来,随着超声能场在成型制造领域的兴起,有学者开始将其应用于P B X 炸药压制成型过程中,以明确超声能场下的颗粒演变行为及其在调控压坯均匀性方面的作用.L Y U 等[２１]设计了超声辅助P B X 压实技术及设备,发现超声振动可使P B X 压实件的密度增大,直径膨胀和密度差减小,并通过分析微观结构演变行为揭示了密度分布机理(见图８),发现在超声振动作用下,颗粒重排形成 致密 结构,颗粒尺寸变小,从而导致颗粒密度增大.刘春泽等[２２]设计了P B X 代用粉体超声成型装置,探明了超声波振动对P B X 炸药成型的作用效果,发现超声波辅助下压坯密度相对提高了１．７９％,C T 成像结果显示压坯均匀性有一定的提高.图８㊀超声辅助P B X 颗粒致密化演变行为及压实机制示意图[２１]F i g．８㊀S c h e m a t i c o f t h e d e n s i f i c a t i o n e v o l u t i o nb e h a v i o r a n d c o m pa c t i o nm e c h a n i s mo fP B X p a r t i c l e s a s s i s t e db y ul t r a s o u n d [２１]综上所述,等静压成型在提高密度均匀性方面具有巨大的工艺优势,然而,由于等静压成型存在工艺复杂㊁设备昂贵㊁生产周期长等缺点,目前在常规武器弹药的成型制造中尚未得到大范围推广,接下来亟需解决等静压成型的效率问题,从而扩大其制造产能和应用领域.此外,学者们探索４６１ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月了超声能场在提高模压件密度均匀性方面的内在潜力,这对未来进一步发展多能场辅助P B X炸药成型制造技术具有重要意义.然而,目前超声能场辅助技术主要用于模压成型,在等静压成型中的应用研究尚有待建立,在后续研究中,或可考虑将超声能场应用于等静压成型,以探索超声能场在成型效率提高方面的效用.２．２㊀P B X炸药损伤演化与界面性能调控P B X炸药作为一种脆性含能晶体高度填充(约９０％)的高分子基复合材料,其内部多相介质间物理属性存在显著差异,且对压力㊁温度等成型参数敏感,特别是脆性含能晶体在压制成型过程中热力载荷作用下易发生剧烈破碎,在晶体内部㊁晶体与黏结剂界面处可能产生微裂纹㊁微空洞等初始细观损伤,这将导致炸药件力学性能降低和起爆热点增加,严重威胁其服役性能和安全性能,因此,揭示压制过程中细观损伤的演化规律与机制,探明界面黏结特性并实现界面性能调控具有重要意义.２．２．１㊀P B X炸药损伤演化规律及内在机制材料宏观尺度上的断裂破坏往往是细观尺度上的损伤缺陷在外部载荷作用下逐渐演化的结果.P B X炸药内部不同尺度下损伤行为的发生将直接对武器弹药的安全性及可靠性产生不同程度的影响.目前,国内外学者针对P B X炸药在不同尺度下的损伤演化规律及内在机制进行了大量研究工作.在宏观断裂方面,目前学者主要借助实验设计和图像分析的方法表征宏观损伤行为及分布情况.其中,C H A T T I等[２３]介绍了一种P B X模拟材料宏观损伤行为的原始实验研究,通过拉伸㊁压缩㊁交替拉伸/压缩㊁受限压缩㊁通道模具和动态力学分析(d y n a m i c m e c h a n i c a l a n a l y s i s,D MA),研究了不同加载状态下损伤诱导的各向异性和材料行为中的有效性.为揭示P B X炸药在加载状态下表面宏观裂纹的动态演化行为,许盼盼等[２４]采用计算机断层扫描(C T)技术探究了单轴压缩下P B X模拟材料损伤演化行为,并将试件表面灰度分析与数字图像相关(D I C)方法相结合,捕捉了加载过程中P B X模拟材料表面裂纹扩展过程(见图９).此外,L I等[２５]采用瑞利面波层析成像方法对聚合物黏结炸药的表面裂纹进行了定量评价,并利用有裂纹和无裂纹试样中瑞利面波传播的实测信号进行层析成像,重建了缺陷图像,发现采用最优传感器阵列和形状因子计算方法生成的图像与实际缺陷形状吻合较好.该方法进一步为P B X表面缺陷的检测㊁定位和成像提供了新的途径.为精确捕捉材料内部的损伤分布,WA N G 等[２６]将声发射(A E)和数字图像相关(D I C)方法相结合(见图１０),对单轴压缩下P B X炸药的损伤演化进行了测量,通过声发射(A E)测量全局损伤演化,采用D I C观察局部(空间)损伤分布,研究发现,主导定位带(d o m i n a n t l o c a l i z a t i o nb a n d, D L B)在试样的损伤和断裂中起着关键作用.㊀㊀㊀㊀(a)F＝０㊀㊀㊀㊀(b)F＝２１５６N㊀㊀㊀(c)F＝２７２５N㊀㊀㊀(d)F＝２９５６N㊀㊀㊀(e)F＝３３６０N㊀㊀㊀(f)F＝３５１８N㊀㊀㊀(g)F＝３６３２N㊀㊀㊀(h)F＝３７３９N图９㊀不同载荷条件下P B X试件表面裂纹发展过程[２４]F i g．９㊀S u r f a c e c r a c kd e v e l o p m e n t p r o c e s s o fP B Xs p e c i m e n s u n d e r d i f f e r e n t l o a d c o n d i t i o n s[２４]上述研究主要为宏观断裂行为的表征分析,而目前对宏观断裂机制研究的相关报道较为缺乏,这是由于宏观断裂的发生往往是由细观尺度损伤不断累积和演化造成的,因此,对细观损伤的演化及机制研究是国内外学者一直以来关注的重点.在细观损伤方面,从２０世纪９０年代开始,学者们为获得P B X炸药在细观尺度上的损伤演化规律及内在机制,分别从实验研究和模拟计算两５６１高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望 孙海涛㊀詹㊀梅㊀樊晓光等图１０㊀耦合A E和D I C的实验原理示意图[２６]F i g．１０㊀S c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l p r i n c i p l e f o rc o u p l i n g A Ea n dD I C[２６]方面开展了大量相关研究.实验研究方面,国外早期的研究思路是将压制实验与电镜观测相结合,通过对细观结构的表征分析来反映材料内部细观损伤演化规律.其中,S K I D MO R E等[２７]对样品剖切后,在扫描电镜下观察压制过程不同阶段的P B X炸药细观结构,发现炸药晶体在压制过程中主要发生晶体的破碎和孪晶变形.P E T E R S O N等[２８]利用晶体粒度来表征P B X构件的细观结构特征,通过对比不同压制条件下P B X炸药晶体粒度,揭示了压制成型条件对细观结构的影响规律,发现压制压力越大,晶体粒度越小,这从侧面验证了材料内部晶体破碎现象及其随压力变化的演化规律.B U R N S I D E 等[２９]对比了松装状态和压制后的炸药晶体形态和粒度,揭示了压制过程晶体的破碎和重排过程,并利用前后晶体颗粒的比表面积来表征炸药晶体的破碎程度.在此基础上,国内学者进一步分析了压制条件和材料参数对细观损伤的影响规律.梁华琼等[３０Ｇ３２]研究了不同压制条件下P B X晶体的损伤演化规律,发现颗粒破碎及孪晶形成与成型压力成正相关.张伟斌等[３３]借助X射线微层析成像(XＧC T)技术研究了不同温压成形工艺对P B X炸药内部三维初始细观损伤分布的影响(见图１１),并统计对比了三种成型工艺下初始细观损伤种类和尺寸,结果表明,单向㊁双向模压法成型的P B X 炸药内部存在着百微米至毫米尺度的初始细小裂纹和一些残余孔隙,而软模温等静压法能避免这些初始细观损伤的产生,其研究结果为不同温压成形P B X炸药热力承载下断裂行为及机制研究提供了基础.闫冠云等[３４]利用X射线小角散射(S A X S)技术研究了热损伤奥克托金(HM X)基P B X炸药内部微空洞演变规律,对比分析了压力㊁温度及P B X晶体尺寸对热力加载下P B X炸药内部微空洞形成及长大的影响规律,结果表明,富含大晶体尺寸的P B X样品内部微空洞含量达到峰值的速度更快.刘佳辉等[３５Ｇ３６]对比了粒度分布对含能晶体损伤程度的影响,发现随着P B X晶体粒径的增大,其包覆效果和力学强度降低,在晶体尖端和棱角处更易发生破碎从而形成裂纹,而采用两种粒度的P B X级配,可减小压制过程中晶体的损伤程度.(a)单向模压下P B X 初始微裂纹(b)双向模压下P B X 残余孔隙(c)温等静压下P B X三维结构图１１㊀不同成型工艺下P B X内部三维结构及初始细观损伤分布[３３]F i g．１１㊀I n t e r n a l t h r e eＧd i m e n s i o n a l s t r u c t u r e a n d i n i t i a l m e s o s c o p i c d a m a g e d i s t r i b u t i o no fP B Xu n d e r d i f f e r e n tf o r m i n gp r o c e s s e s[３３]将压制实验设计与结构表征分析相结合,可有效捕捉材料表面和内部损伤行为的复杂演化过程.然而P B X炸药损伤行为的发生往往受到多６６１ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月。

高聚物粘结炸药（PBX）的细观力学行为模拟研究高聚物粘结炸药(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。

高聚物黏结炸药损伤断裂的数值模拟示例文章篇一：《高聚物黏结炸药损伤断裂的数值模拟：探索神秘的爆炸能量世界》我呀，一直对那些超级神秘又超级厉害的东西感兴趣。

高聚物黏结炸药，一听这名字就感觉很不得了。

那它要是损伤断裂了，会发生什么呢？这就像一个超级神秘的大宝藏，等着我们去探索呢。

有一次，我在电视上看到关于炸药的节目。

那些专家们说起炸药的威力，眼睛都放光呢。

我就想啊，高聚物黏结炸药肯定也有它独特的地方。

数值模拟这个东西，就像是给这个炸药做一个超级详细的画像。

我们可以在电脑上，通过各种数字和算法，来看看这个炸药在不同情况下会怎么损伤、怎么断裂。

我跑去问我的科学老师。

我对老师说：“老师，高聚物黏结炸药的数值模拟到底是咋回事呀？”老师笑了笑说：“哎呀，小朋友，这就像是给炸药做一个虚拟的体检。

我们用数学的方法，来看看它里面的结构什么时候会出问题。

”我似懂非懂地点点头。

我和我的小伙伴们也讨论这个事儿呢。

我的小伙伴小明说：“我觉得这就像搭积木，每一个小部分都很重要，要是有一块积木坏了，整个积木房子可能就塌了。

高聚物黏结炸药也是这样，它里面的每个小结构要是有损伤，可能就会影响整个炸药的性能。

”小红接着说：“那数值模拟是不是就像我们玩游戏的时候，预测这个积木房子什么时候会倒呀？”我们都觉得这个比喻还挺形象的呢。

那数值模拟到底是怎么做到的呢？我又去查了好多书。

原来啊，它要先把高聚物黏结炸药的各种参数搞清楚，就像知道一个人的身高、体重、血型一样。

然后把这些参数输入到电脑程序里。

这个程序就像一个超级大脑，它会根据这些数据，算出炸药在不同压力、温度等条件下的情况。

我想象着那些密密麻麻的数字在电脑里跳动，就像一群小蚂蚁在忙碌地工作。

它们不断地计算着炸药内部的应力、应变。

这应力就像是有人在用力拉或者推炸药里面的小颗粒，应变呢，就是这些小颗粒被拉或者推之后的变化。

如果应力太大，超过了炸药能承受的范围，那就可能会出现损伤，就像我们拉一根橡皮筋，拉得太狠了，橡皮筋就会断一样。