【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及含能材料，尤其涉及一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法。
技术介绍
1、高聚物黏结炸药(pbx)是一类由炸药晶体和软质聚合物粘结剂组成的复合材料，被广泛应用于国防和军用领域。在贮存、运输、装配及使用过程中，pbx可能受到温度循环、温度梯度、温度冲击等多种类型的温度载荷作用，由于pbx炸药具有典型的低强度高线胀特征，在温差作用下易产生裂纹，是环境适应性的薄弱环节。目前主要采用炸药材料热冲击实验来确定材料的抗热冲击性能，但是实验周期长、成本高。尤其是在炸药配方研制初期，不适合采用实验的方法来确定炸药的抗热冲击性能。如何快速评价pbx的抗热冲击性能，是影响配方研制进度的关键因素，需要构建pbx炸药的抗热冲击性能的快速评价方法。
2、为快速评价抗热冲击性能，陶瓷领域利用材料的基本物性特征，定义了一些抗热冲击阻力参数，如反映材料力学性能对抗热冲击性能影响的第一抗热冲击阻力参数、反映材料力学性能和热导率对抗热冲击性能影响的第二抗热冲击阻力参数等。但是这些抗热冲击阻力参数只考虑了材料级的力热特性的影响，没有考虑结构效应(结构尺寸、结构形状等)的影响。此外，这些抗热冲击阻力参数采用线弹性的本构模型将热应变转换成热应力，并根据应力失效判据来确定材料能承受的临界温差。这样的方式对于陶瓷材料来说合适的，但是对于pbx炸药这类存在明显的非线性的材料，采用线弹性本构来进行换算会有较大的偏差。因此，目前仍然缺少综合考虑材料物性、结构效应和材料非线性的pbx炸药抗热冲击性能预测方法。
技术
1、本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，本专利技术针对pbx圆柱、pbx半球壳等典型pbx炸药抗热冲击性能考核构件，综合考虑材料物性、结构效应和材料非线性对抗热冲击性能的影响，可用于pbx圆柱、pbx半球壳等典型高聚物黏结炸药结构的抗热冲击性能预测。
2、本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：
3、一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，包括以下步骤：
4、目前一般采用pbx圆柱、pbx半球壳等炸药构件的急速降温热冲击实验来确定pbx炸药的抗热冲击性能。它的实验过程就是将炸药件样品放入温度箱，然后以缓慢的升温速率准静态地将样品加热到某一初始温度(t0)并恒温，使样品在t0下达到热平衡。然后快速降低温度箱内的环境温度直至试样破坏，采用初始温度(t0)与炸药件破坏时的表面温度(t1)的差值来表征抗温冲性能。这样的加载方式接近于瞬时环境温变。
5、在准静态(温度不随时间发生变化)的加载场景下，温度变化产生的热变形为：
6、εt＝αδt (9)
7、其中，α为线膨胀系数，δt＝t0-t1为温差。
8、若像第一抗热冲击阻力参数一样，采用应力失效判据，则需要采用本构模型将热应变转化为热应力。但是pbx炸药存在明显的非线性，不适合采用线弹性本构，非线性本构模型构造对不同pbx形式也可能不同。因此，本方法采用应变失效判据来确定材料能承受的临界温差，这样不仅能解决材料非线性本构的问题，而且在温冲实验中，可直接测得应变而很难获得应力数据。因此，在准静态场景下，pbx炸药能承受的临界温差为：
9、
10、其中，εf为材料拉伸破坏应变。
11、在此基础上，为了准确预测材料抵抗热应力的能力，进一步考虑结构形状影响，其能承受的温差修正为：
12、
13、其中，s为形状因子。结构件由于形状不同，会在结构中产生不同情况的应力集中，因此形状因子其实就是应力集中系数的倒数。根据应变破坏准则，当结构中的最大应变达到破坏应变，结构就会发生破坏，所以需要确定的形状因子就破坏危险点的形状因子。而危险点可能存在弯曲面、孔洞等多种几何特征，因此形状因子为：
14、s＝s几何特征1×s几何特征2×...s几何特征n (12)
15、对于急速降温热冲击实验这样的瞬态温冲场景，其最大热应力数值及出现时间与biot数有关。biot数越大，表面换热占比越大，热应力越大；biot数越小，热传导占比越大，热应力越小。biot数β为：
16、
17、其中，rm为结构件的特征尺寸，λ为导热系数(表征内部热传导的能力)，h为对流换热系数(表征表面交换热量的能力)。
18、由于内部热传递和表面热交换的共同作用，当biot数为有限值时，结构件上的温度呈非线性分布。为考虑温度非线性分布的影响，借鉴kingey等人的方法，引入温度修正公式f(β)，此时可承受的温差进一步修正为：
19、
20、其中，f(β)＝1+c/β，c＝0.8(根据现有的一组pbx药柱温冲试验进行标定)。构件的特征尺寸，λ为导热系数(表征内部热传导的能力)，h为对流换热系数(表征表面交换热量的能力)。
21、综上，综合考虑材料物性(α，λ，h，εf)、结构效应(rm，s)和材料非线性的pbx炸药抗热冲击性能预测方法表达式为：
22、
23、在具体计算时，先根据试验标定/直接测试获得所需的pbx炸药基础力热参数，包括线膨胀系数性α、导热系数λ、对流换热系数h及拉伸破坏应变εf；
24、其次，确定结构的特征尺寸，pbx圆柱的特征尺寸取圆柱半径、pbx半球壳的特征尺寸取球壳厚度；
25、再次，确定形状因子，根据结构的几何特征，采用应力集中系数手册查询或弹性理论计算获得。本方法主要针对pbx圆柱、pbx半球壳构件，并考虑孔洞和球窝这两种典型局部几何特征。
26、对于pbx圆柱这种简单构形，根据应力集中系数手册查询，形状因子取1。
27、对于pbx半球壳，根据曲杆弯曲理论，球壳内表面和外表面的应力集中系数分别为：
28、
29、其中，a和b为球壳内径和外径。
30、对于孔洞，根据拉梅公式计算可得，孔边的应力集中系数为2，所以形状因子为s孔＝1/2。
31、对于球窝，由弹性理论计算可得，在球窝顶部应力集中系数最大，为2.086，因此s球窝＝1/2.086。
32、本专利技术的有益效果在于：
33、本专利技术的一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，根据试验标定/直接测试获得所需的pbx炸药基础力热参数，确定结构的特征尺寸，确定形状因子，最后得出预测方法表达式；该预测方法考虑材料物性、结构效应和材料非线性对抗热冲击性能的影响，可用于pbx圆柱、pbx半球壳等典型高聚物黏结炸药结构的抗热冲击性能预测，预测效果好；该预测方法无需仿真进行，预测过程迅速便捷。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，其特征在于，所述步骤3中，确定形状因子，根据结构的几何特征，采用应力集中系数手册查询或弹性理论计算获得，以下为PBX圆柱、PBX半球壳构件，并考虑孔洞和球窝这两种典型局部几何特征的形状因子确定方法：
【技术特征摘要】
1.一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种考虑结构效应的高聚物黏结炸药抗热冲击性能预测方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李云欣，袁洪魏，唐维，唐明峰，王丽君，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。