高聚物粘结炸药微裂纹统计本构模型研究

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高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX)是由主体炸药颗粒和高聚物粘结剂等组成的固体高能炸药,是一种含损伤的复合材料。PBX力学行为的研究是武器安全性和可靠性研究的基础。  微裂纹统计模型(Statistical Crack Mechanics,SCRAM)是基于微裂纹扩展的本构模型,具有明确的物理基础。本文利用SCRAM模型,通过数值计算的方法,分析了PBX的力学行为及相应的细观物理过程。  首先,对PBX的细观损伤特征及其表征方法进行了总结与分析。结果表明,PBX是一种含初始损伤的材料,在不同的加载方式下,PBX损伤的演化存在差异性。将PBX细观损伤的表征方法归纳为唯象型和物理型两种,分别探讨了其优缺点。  然后,利用Visco-SCRAM模型,通过数值计算的方法,对PBX拉伸、压缩以及循环加载下的应力应变曲线进行了分析,结果表明:a)Visco-SCRAM模型能够较好地反映PBX关于模量与强度的拉压不对称性,以及模量与强度随应变率增大而增大的特征;b)Visco-SCRAM模型能够反映PBX经过循环加载后破坏应力和破坏应变减小,且减小的幅度随循环周数和最大循环应力的增大而增加的特征;c)在进入软化阶段前,Visco-SCRAM模型的计算结果与PBX的实验结果吻合较好,软化后的偏差较大。利用计算结果中微裂纹平均半径的变化情况,对PBX在加载过程中的细观物理过程也进行了一定的分析。结果表明,Visco-SCRAM模型能够反映PBX在加载过程中的细观物理过程。  最后,编写了Visco-SCRAM模型的材料子程序,并嵌入到ABAQUS有限元软件中,对PBX圆盘对径压缩实验进行模拟。结果表明,位移载荷曲线和应变场分布在达到应力峰值前与实验结果吻合较好。基于微裂纹平均半径,定义了一个无量纲的损伤度参数,并将其写入Visco-SCRAM模型材料子程序,模拟出了加载过程中该损伤度的分布。
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