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PBX裂紋尖端失效區及宏觀起裂機理研究

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019-1-7 14:39:00 訪問數:

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PBX炸藥部件在整裝儲存中受到機械和溫度載荷作用會產生裂紋,一定程度上影響武器系統的安全與可靠性。美國阿拉莫斯實驗室(LANL)C. LiuPBX型裂紋尖端核心區域進行了大量的實驗觀測,分析其數據發現PBX裂紋尖端存在失效區,即在失效區內材料發生力學失效。PBX-9502失效應變約為0.2%~0.3%,可以估計出PBX-9502裂紋尖端失效區域最大尺寸約為3.5 mm,如圖1所示。由于實驗觀測手段有限,對于該失效區域具體的形狀和大小尚不明確。本研究將通過理論計算,定量描述PBX型以及-復合型裂紋尖端失效區。

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1  三種強度準則下PBXⅠ型裂紋尖端失效區

本研究基于斷裂力學裂紋尖端核心區理論,結合Mohr-CoulombTwin-shearDrucker-Prager強度準則,建立了反應材料拉壓不對稱的PBX型裂紋尖端失效區域理論模型。Drucker-Prager強度準則為例,建立型裂紋尖端失效區理論模型。

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以無量綱失徑R=rst /K研究PBX型裂紋尖端失效區。圖2給出Mohr-CoulombTwin-shearDrucker-Prager強度準則下PBX型裂紋尖端失效區。Drucker-Prager準則在考慮PBX材料拉壓比的基礎上,綜合了平均應力和偏應力的影響,相對更加保守,計算的裂紋尖端失效區最大。

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以某TATBPBX為例,采用Drucker-Prager強度準則計算20 60 下裂紋尖端極限失效區,如圖3所示。高溫條件下,該TATBPBX裂紋尖端失效區顯著增大,這是粘接劑超過其玻璃化溫度(Tg=35~55 ),材料進而發生軟化脆性減弱導致的。

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(1)和式(2)中包含拉伸強度、泊松比、強度準則等參量,以及描述PBX材料脆性大小的斷裂韌性、拉壓比,因此我們認為裂紋尖端失效區大小和形狀可以定量表征PBX材料的脆性。

2  PBX-復合型裂紋尖端失效區及起裂機理

對于無限大平板傾角為b的中心貫穿-復合型裂紋,如圖4所示。基于Drucker-Prager強度準則,建立復合型尖端失效區理論模型。

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(3)和式(4)分別為平面應力和平面應變狀態下的解。b為斜裂紋與遠場應力的方向夾角。遠場應力水平S=s0/sts0st分別為遠場應力和拉伸強度,an為材料拉壓比和泊松比。以無量綱失徑R=r/(a×S)研究PBX-復合型裂紋尖端失效區。

5中給出不同裂紋傾角b下,無限大平板中心裂紋尖端失效區形狀和大小。隨著裂紋傾角b減小(90°®0°),裂紋從型轉變為-復合型,并最終趨于型。裂紋尖端失效區顯著減小。   

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當裂紋尖端失效區無量綱失徑R取最小值Rmin時,對應臨界角為θ=θ0。圖6給出了Rminq 隨裂紋傾角b的變化情況。對于-復合型裂紋,有研究者提出裂紋將沿塑性區半徑最小的方向擴展,即圖6q0-b曲線。而ErdoganG.C.Sih1963年提出的最大周向應力斷裂準則,無法考慮其他應力分量以及區分平面應力與平面應變問題,并且不能在準則中考慮材料差異性。結合最小塑性區半徑開裂準則思想,本研究可以實現對最大周向應力斷裂準則的修正。

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