前言
炸药是各种武器弹药破坏与毁伤目标的基本能源,也是国民经济建设中最重要的高功率能源。炸药的性能与武器的高效毁伤性能是决定武器先进性的重要因素之一。随着炸药在军民领域应用的不断深入和日益广范,对炸药起爆、爆轰安全性能的要求也越来越严格,对炸药起爆机理和爆轰特性的研究也由此不断深入。
计算机技术、损伤力学及微细观力学的迅速发展为炸药起爆及其爆轰机理的研究提供了新的有力工具。计算机技术的高速发展,使得利用计算机数值模拟功能研究炸药起爆及其爆轰机理成为可能。特别是高性能计算机的普及,通过建立相应的模型研究炸药的起爆和爆轰机理为研究炸药的机理提供了更详细、更直观的数据,一些数值仿真模型已经得到了广泛的应用。损伤力学经过多年的发展已经在金属、混凝土复合材料等惰性材料中得到了成功的应用。损伤是材料结构组织在外界因素作用下发生的力学性能劣化,并导致体积单元破坏的现象。炸药特别是PBX类炸药可以看成是颗粒高度填充的复合材料,在冲击载荷的作用下炸药材料具有与惰性材料类似的损伤特性。但是炸药由于其含能敏感性又具有与惰性材料不同的特点,在冲击载荷作用下炸药会产生结构的微细观损伤变化,这些变化一方面影响材料的力学特性,另一方面,微细观损伤又会导致炸药的含能特性(即起爆特性和爆轰特性)发生变化。因此在研究炸药的冲击损伤特性时必须借助损伤力学的研究方法,建立起宏观的描述模型,同时借助微细观力学方法,研究微细观对起爆的影响。当前起爆机理的研究在宏观机理研究的基础上逐渐向微损伤、微细观结构等方向拓展,并从跨尺度的角度开始了相关研究。
炸药作为一种特殊的材料,由于冲击载荷作用下的爆炸危险性,使得借助损伤和微观力学的研究具有较大的难度,因此通过研究替代物研究微细观结构损伤具有较大的优越性。利用计算机仿真技术和实验技术研究微损伤对起爆特性的影响是两个主要的手段。
由于炸药冲击损伤的有关理论及损伤对起爆特性的研究还处于初级阶段,相关的资料和论著比较少。本书正是在这个背景下编写的,通过对当前一些研究成果的总结论述,使相关的研究人员和技术人员能够尽快了解这方面的进展,以起到抛砖引玉的作用。
全书共分5章,第1章介绍了当前含能材料损伤研究理论及现状,以及损伤对冲击起爆安全性能的影响。第2章对炸药及其替代物的冲击损伤实验技术、细观损伤观测和表征技术进行了分析,并以PBX为典型材料进行了讨论。第3章介绍了微裂纹的稳定扩展准则和失稳扩展准则,并结合动态断裂理论中微裂纹扩展的速度公式建立了微裂纹的损伤演化方程;应用细观损伤力学中的Taylor模型方法将微裂纹引入柔度张量的计算方程中,并通过统计积分的方式建立了微裂纹体元的细观损伤本构模型;最后,通过微裂纹体元和广义黏弹性体元的串联耦合关系推导了材料体元的应力与应变关系,建立了PBX类炸药的黏弹性统计细观损伤本构模型。第4章主要介绍了损伤对炸药冲击起爆特性影响的试验研究,并对拉氏分析技术进行了说明。第5章主要介绍了利用数值仿真技术研究损伤对起爆性能的影响,通过对炸药冲击起爆机理和化学反应速率方程的理论分析,建立了带损伤的宏观化学反应速率方程和一个与炸药初始孔隙率、孔隙尺寸相关的细观反应速率模型,并将其嵌入有限元程序DYNA2D中。本书通过对不同初始密度、不同孔隙尺寸的PBX炸药进行一维和二维冲击起爆过程计算,比较了这些参数对冲击起爆感度的影响。通过数值计算结果对试验现象及结果进行了分析,事实说明所建立的模型能够正确模拟炸药的起爆过程,并对损伤炸药的起爆机理进行了合理解释。
本书是在以往及目前所做研究工作的基础上编写而成的,黄风雷教授、段卓平教授等对本书中的研究内容给予了悉心指导,在此对他们的关怀和帮助表示衷心的感谢。周栋、姚惠生博士对本书也提供了许多资料。此外本书的内容参考了一些国内外的文献,在此一并表示致谢。
本书适合作为从事与军事技术有关的专业技术人员的阅读材料,同时适合作为含能材料专业、弹药工程与爆炸技术,以及军工领域有关专业的高等学校在校本科生及研究生的参考资料。
由于作者能力有限,疏漏和不足之处在所难免,恳请广大读者批评指正。
作者
2008年12月