Academic article

Study on Dynamic Tensile Mechanical Behavior and Damage Characteristics of DNAN-based Melt-cast Explosive

  • ZHAO Dong , 1 ,
  • QU Kepeng , 1, 2, * ,
  • HU Xueyao 1 ,
  • WANG Yixin 1 ,
  • XIAO Wei 1
Expand
  • 1 Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,Shaanxi,China
  • 2 School of Chemistry and Chemical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,Shaanxi,China

Received date: 2024-11-21

  Online published: 2026-01-24

Abstract

In order to obtain the mechanical properties and damage characteristics of 2,4-dinitroanisole (DNAN)-based melt-cast explosive under dynamic tensile conditions.Dynamic Brazilian test were carried out by combining the SHPB technique.The indirect tensile strengths of the DNAN-based melt-cast explosive were obtained under different loading intensities.The crack germination and evolution process on the surface of the sample was obtained through high-speed photography and the displacement field and strain field distributions on the surface of the sample were obtained by DIC technique.The damage characteristics of the sample section before and after loading were observed and analyzed with the SEM.The Visco-SCRAM model was established,and numerical simulation was carried out in dynamic Brazilian test to obtain the cloud diagrams of the sample's displacement field,strain field,stress field and the distribution of the degree of damage.The results showed that the indirect tensile strength and strain to failure of the explosive at the stress rates of 130GPa/s,190 GPa/s,and 340GPa/s were 2.14MPa and 6.11‰,2.96MPa and 2.38‰,and 5.10MPa and 1.64‰,respectively.More interfacial debonding occurred in sample sections under indirect tensile loading,and with the increase of loading intensity HMX particle damage mode shifted from intergranular fracture to transgranular fracture.The numerical simulation conforms well to the experimental results,and the established model can effectively describe the dynamic mechanical behavior and damage destruction process of explosives under indirect stretching conditions.

Cite this article

ZHAO Dong , QU Kepeng , HU Xueyao , WANG Yixin , XIAO Wei . Study on Dynamic Tensile Mechanical Behavior and Damage Characteristics of DNAN-based Melt-cast Explosive[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2025 , 45(6) : 1146 -1154 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.023

0 引言

侵彻类武器是打击海上大型舰船、地面坚固工事的重要手段。目前侵彻类武器主要采用压装和浇注装药,但其工艺复杂,装药效率低。随着熔铸炸药配方、成型工艺的优化,其力学性能不理想,装药质量不佳的传统缺点显著改善,有望应用于侵彻类武器装药,大幅提高生产效率,降低成本。
侵彻类武器装药在侵彻过程中会经历复杂的拉伸、压缩、剪切、摩擦等受力状态,装药内部可能会产生宏观或细观损伤,使力学性能劣化,甚至进一步形成热点,影响其爆轰性能[1]。因此研究炸药装药的动态拉伸力学行为和损伤特性对指导侵彻类武器战斗部设计和安全性能研究具有重要意义。
由于巴西试验的试样制备要求简单,节省材料且实验成本低,广泛应用于研究炸药材料的拉伸断裂行为。刘龑龙等[2]开展了不同温度条件下Polymer Bonded Explosive (PBX)模拟材料的标准巴西试验,研究发现随温度的上升,在准静态条件下试样的拉伸强度和断裂韧性降低,其破坏模式主要由穿晶断裂向沿晶断裂转变。标准巴西实验容易在加载端出现应力集中,造成局部破坏影响试验结果。因此,Liu等[3]采用圆弧巴西实验,以弧形压头接触面进行加载,避免了应力集中,保证实验结果的有效性。Wang等[4]进一步将加载区域由曲面改成了平面,即平台巴西试验。只要保证试样两个平面的平整度和平行度,即可保证试样从中心断裂,同时平面加载也不易产生应力集中导致局部破坏。Grantham等[5]最早基于SHPB系统在动态条件下开展巴西试验研究某PBX模拟材料的拉伸力学性能。在此之后,赵玉刚、陈荣、李俊玲等[6-8]同样以SHPB系统作为动态巴西实验的加载装置,并结合DIC技术开展PBX炸药的动态间接拉伸试验,研究发现PBX炸药的动态拉伸力学性能具有明显的率相关性,损伤机制以界面脱粘和穿晶断裂为主。
以上研究多为对压装PBX炸药在准静态/动态条件下的拉伸断裂性能研究,目前有关熔铸炸药拉伸力学行为的研究主要集中在准静态加载条件下。DNAN基熔铸炸药相较于传统TNT基熔铸炸药具有更低的易损性和优异的综合性能,受到国内外广泛关注[9-11]。Zhu等[12]在不同温度下对DNAN基熔铸炸药开展准静态巴西实验,研究发现随温度增加DNAN基熔铸炸药的拉伸强度和弹性模量减小,而泊松比增大。蒙君煚[13]使用准静态巴西试验研究了添加不同功能助剂的DNAN-RDX熔铸炸药的拉伸性能和损伤特性,结果表明,界面粘附功越大则药柱抗拉强度越大。黏附功的提高改变了裂纹扩展方向,使损伤机制由穿晶/沿晶混合断裂向穿晶断裂转变。
炸药材料属于黏弹脆性材料,其动载下的力学行为和损伤特性难以准确描述。因此除试验方法外,许多数值计算方法也被应用于炸药的拉伸断裂行为的研究。赵四海[14]基于Visco-SCRAM本构模型开展PBX材料准静态圆弧巴西试验的数值模拟,结果表明试样与垫块接触处损伤变量较大且呈哑铃形分布。崔云霄等[15,16]基于无网格伽辽金(Element-Free Galerkin Method,EFG)方法和内聚裂纹模型,分别对准静态圆弧和动态平台巴西试验进行数值模拟,研究发现准静态加载下压缩载荷达到峰值后试样起裂,动态加载下试样的主要失效机制是沿加载方向的拉伸破坏和接触位置的剪切破坏。傅华等[17]采用离散元方法研究发现动态巴西试验中PBX材料的细观损伤演化机制主要为界面脱粘和穿晶断裂。除以上方法外,近场动力学(Peridynamics,PD)方法[18]、扩展有限元(Extended Finite Element Method,XFEM)方法[19]和守恒型再生核粒子(Conservative Reproducing Kernel Smoothed Particle Hydrodynamics,CRKSPH)[20]等方法也被用于炸药材料拉伸断裂行为的数值模拟研究。
以上报道广泛研究了压装PBX炸药在准静态/动态加载下的拉伸力学行为,但对DNAN基熔铸炸药的研究仅限于准静态条件,有关动态条件下DNAN基熔铸炸药的拉伸行为及损伤特性的研究少有报道。因此本研究选取某DNAN基熔铸炸药为研究对象,基于SHPB加载系统开展动态平台巴西试验,获取了不同加载强度下DNAN基熔铸炸药的间接拉伸强度和失效应变;利用高速摄影记录试样损伤破坏过程,并使用DIC技术获取试样表面的位移场和应变场分布;回收加载后样品,利用扫描电子显微镜观察并分析加载前后试样断面损伤特征;基于Visco-SCRAM本构模型开展动态巴西试验的数值模拟,有效描述了炸药的损伤破坏过程。研究结果为DNAN基熔铸炸药的进一步研究及应用提供支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验样品

本文研究的DNAN基熔铸炸药主要成分(质量分数)为:HMX,35%;DNAN,30%;铝粉,30%;功能助剂,5%。样品密度为1.77g/cm3,采用熔铸成型工艺。样品尺寸为Φ16mm×8mm,样品照片如图1所示。试验样品要求端面平整,无肉眼可见缺陷。
图1 样品照片

Fig.1 Photos of samples

目前侵彻类武器多采用压装装药,因此除DNAN基熔铸炸药外,本文还同步对组分相似的典型压装炸药展开试验用以对比分析。所用WY压装炸药的主要成分(质量分数)为:HMX,65%;铝粉,30%;黏结钝感剂,5%;密度为1.85g/cm3。试样采用模具压制成型工艺。

1.2 试验原理及方法

动态平台巴西试验基于SHPB系统进行加载,使用的霍普金森压杆装置材质为LY12硬铝,子弹长度150mm,入射杆长度1800mm,透射杆长度1200mm,直径均为16mm。试验装置如图2所示,炸药采用平台巴西试样,示意图如图3所示。
图2 动态巴西试验装置

Fig.2 Arrangement of dynamic Brazilian test

图3 平台巴西试验试样示意图

Fig.3 Scheme of flat Brazilian test sample

加载时沿径向在圆柱形试样的侧面进行加载,使试样受垂直于加载方向的拉伸应力作用直至破坏。使用细砂纸将Φ16mm×8mm试样两侧的加载区域打磨出4mm的平台,对应加载角2θ=30°。基于二维弹性理论,试样中心位置拉伸强度σt计算公式为
σt= 2 P π D Lk(θ)
式中:P为作用在试样上的载荷峰值,单位为N;DL分别为试样的直径和厚度,单位为mm;2θ为加载平台所对应的圆心角,当2θ= 30°时k(θ) = 0.91。
应力信息通过透射杆上的应变片变形产生电压信号处理后得到。应变信息通过高速摄影结合DIC方法处理得到。高速相机拍摄幅频为100000fps,分辨率为512*320pixel。同时采用单次脉冲加载技术,使试样在加载过程中仅受一次加载。

2 试验结果与分析

2.1 加载过程

图4为高速摄影记录到的DNAN基熔铸炸药在动态间接拉伸加载下的典型破坏过程。载荷施加于图右侧的入射杆上。图4(a-e)对应加载过程的(a)加载前、(b)开始加载、(c)损伤累积、(d)裂纹出现和(e)裂纹扩展。图4(f)为间接拉伸加载下试样的典型最终破坏模式。
图4 DNAN基熔铸炸药破坏过程

Fig.4 Fracture process of DNAN-based melt-cast explosive

图4可见,随着加载进行试样出现形变,伴随着试样内部微裂纹的萌生和扩展,裂纹最先出现于试样中心位置,证明了对该DNAN基熔铸炸药进行巴西试验的有效性。随后裂纹从试样中心向试样两平台端面扩展,破坏路径呈沙漏状。最终试样在拉应力作用下发生劈裂破坏,垂直于加载方向向外飞出。
对获取的高速摄影图片进行数字图像相关分析,得到试样表面的y方向位移场如图5所示。图5(a)加载初期试样表面位移不均匀分布,局部位移很小。随着加载进行图5(b)中试样内部损伤不断累积,此时试样表面产生y方向的位移趋势,沿加载方向上下对称分布。图5(c)中,试样中心区域已经出现裂纹,位移的对称分布愈发显著,最大位移达到3个像素点。图5(d)中,中心裂纹向试样两端扩展,形成贯穿裂纹。同时由于试样中心的拉伸作用,裂纹张开位移进一步加大,裂纹区域图像变形严重导致无法继续识别计算。
图5 不同时刻的y方向位移场分布

Fig.5 The y-direction displacement field distribution at different times

y方向位移场进行微分得到应变场分布如图6所示。图6(a)的加载初期,整体应变较小,应变场并未明显的沿加载方向对称分布,而是出现一些局部应变较大的区域,且拉伸和压缩区域分布不规律。随着载荷的增加,图6(b)的损伤累积阶段,试样中心出现一条扁平带状拉应变集中区域。图6(c)时刻,试样表面已经出现了可见的宏观裂纹,此时试样中心红色的拉应变瞬间增大,应变场沿加载轴线对称分布。由于试样劈裂破坏后向上下两方向飞出,因此在图6(c)(d)中中心裂纹两侧都存在明显的压缩应变区域。
图6 不同时刻的y方向应变场分布

Fig.6 The y-direction strain field distribution at different times

2.2 拉伸强度及失效应变

根据式(1)计算得到的动态巴西试验中试样中心位置的间接拉伸应力时程曲线如图7所示。
图7 动态巴西试验应力时程曲线

Fig.7 Stress time history curve of dynamic Brazilian test

图7可见,试样在40μs内完成了从开始加载到劈裂破坏的全过程。曲线在加载初期上升缓慢,可能是由于部分试样平台与杆端存在间隙造成的。随着加载进行,应力以一个相对稳定的速率迅速增大。随后曲线逐渐变缓,这一过程对应损伤累积阶段,微裂纹等细观损伤在试样中不断萌生扩展使加载应力率逐渐降低,最终应力曲线达到峰值,此时试样表面形成宏观裂纹,随后曲线开始下降。
使用DIC技术处理高速摄影图片,获取试样中心位置的应变。图6中当试样表面出现宏观裂纹后,试样中心拉应变水平显著提高,将出现宏观裂纹前一时刻试样中心的应变作为失效应变。最终由表1给出间接拉伸条件下不同应力率加载下DNAN基熔铸炸药和WY压装炸药的相关力学性能参量。
表1 间接拉伸状态不同应力率下的力学性能参量

Table 1 Mechanical property coefficients at different stress rates in the indirect tensile state

Explosives Stress rate
/(GPa/s)
Tensile strength
/(MPa)
Failure strain
/(‰)
DNAN-based melt-
cast explosive
130 2.14 6.11
190 2.96 2.38
340 5.10 1.64
WY pressed
explosive
90 1.86 1.66
150 2.60 4.43
450 4.38 9.62
表1可见,两种炸药动态拉伸力学性能均表现出明显的率相关性。其中二者的间接拉伸强度都随应力率的增加而增大,DNAN基熔铸炸药由130GPa/s下的2.14MPa增大到340GPa/s下的5.10MPa,WY压装炸药由90GPa/s下的1.86MPa增大到450GPa/s下的4.38MPa。在相近的应力率下,DNAN基熔铸炸药的拉伸强度略高于WY压装炸药。二者的失效应变随加载强度变化的变化趋势不同,其中DNAN基熔铸炸药的失效应变随加载强度的增大而减小,由130GPa/s下的6.11‰减小到340GPa/s下的1.64‰;WY压装炸药的失效应变随加载强度的增大而增大,由90GPa/s下1.66‰增大到450GPa/s下的9.62‰。

2.3 加载前后损伤特征分析

为进一步研究DNAN基熔铸炸药在间接拉伸条件下的损伤特性。使用扫描电镜观察未加载试样和加载后试样断面的微观形貌并进行分析。图8为未加载试样断面的微观形貌。图像中,较大颗粒为HMX炸药颗粒,较小的圆球为铝粉,其余连续相为DNAN炸药及功能助剂。由图8可见,未加载DNAN基熔铸炸药断面较为平整,HMX与铝颗粒分布均匀,颗粒间被熔铸载体紧密填充,同时炸药内部存在大小不一的圆形气孔和裂纹。
图8 未加载状态DNAN基熔铸炸药断面SEM图像

Fig.8 SEM image of unloaded state DNAN-based melt-cast explosive section

图9为间接拉伸加载后试样断面的微观形貌。由图9(a)可见,拉伸加载后DNAN基熔铸炸药断口凹凸不平;断面存在大量HMX炸药颗粒被从熔铸载体中直接拉出的现象,界面脱黏后晶体拔出形成的凹坑明显。同时有少部分HMX颗粒发生断裂,断裂的HMX颗粒大多表面平整,断面有带状条纹,表明发生沿晶断裂。随着加载强度的增大,图9(b)中,部分断裂的HMX颗粒表面凹凸不平,表明除沿晶断裂外HMX颗粒还发生了穿晶断裂。图9(c)中,加载强度进一步增大,HMX颗粒发生穿晶断裂的比例增加,颗粒破碎更加显著。
图9 拉伸加载后DNAN基熔铸炸药断面SEM图像

Fig.9 SEM image of DNAN-based melt-cast explosive section after tensile loading

以上研究表明,在间接拉伸条件下DNAN基熔铸炸药内部裂纹沿颗粒边界传播导致发生较多界面脱黏。同时应力波作用使HMX炸药颗粒发生破碎,断裂模式随加载强度的增大,由沿晶断裂向穿晶断裂转变。

3 数值计算与分析

3.1 计算模型

DNAN基熔铸炸药具有黏弹脆性特征,其动态力学行为和损伤特性十分复杂,难以准确描述。黏弹性统计裂纹本构模型(Visco-SCRAM)基于微裂纹扩展描述材料的力学响应和损伤演化行为,能较好地反映炸药材料受载的细观物理过程[21]。但应用该模型对动态巴西试验展开数值模拟,描述炸药动态拉伸力学行为的研究少有报道。
Visco-SCRAM模型由一个包含多个Maxwell体并联的黏弹性体和一个由SCRAM模型定义的微裂纹损伤体串联而成,Visco-SCRAM的偏应力率与偏应变率之间的关系为
S   · i j = 2 G e   · i j - n = 1 N S i j ( n ) τ ( n ) - 3 c a 2 c   · a S i j 1 + c a 3
式中:G为材料的总剪切模量,MPa; S i j ( n )为第n个Maxwell粘弹性单元的偏应力,MPa;τ(n)为第n个Maxwell粘弹性单元的松弛时间,s;c为微裂纹体元中微裂纹的平均半径,mm;a为初始缺陷尺寸,mm; c   ·为微裂纹扩展速率,mm·s-1
每个黏弹性体元的偏应力率为
S   · i j ( n )=2G(n) e   · i j- S i j ( n ) τ ( n )- G ( n ) G 3 c a 2 c   · a S i j + c a 3 S   · i j
式中: S   · i j ( n )为每个黏弹性体元的偏应力率,MPa·s-1;G(n)为第n个Maxwell粘弹性单元的剪切模量,MPa。
微裂纹尺寸演化扩展速度 c   ·的经验公式为
c   · = v R K K 1 m , c   · = v R 1 - K 0 K 2 , K < K 0 1 + 2 m 1 2 K K 0 1 + 2 m 1 2
式中:vR为最大裂纹扩展速度,mm·s-1;K为应力强度因子,Pa·m1/2;K0为起裂韧性,Pa·m1/2;K1=K0 1 + 2 m 1 2 1 + m 2 1 m
不同拉压状态下应力强度因子K采用不同的计算公式:
K 2 = 3 2 π · c S i j S i j σ m 0 K 2 = 3 2 π · c σ i j σ i j σ m > 0
另外,模型假设静水应力空间的应力应变关系为线弹性,即
Δσm=KVΔεkk
式中:Δσm为体应力增量,MPa;KV为体积模量,MPa;Δεkk为体积应变增量。
编写Visco-SCRAM本构模型自定义材料子程序,并通过二次开发接口嵌入有限元软件ABAQUS中。DNAN基熔铸炸药的本构模型参数根据力学试验标定得到,涉及的主要材料参数见表2。建立动态平台巴西试验三维数值计算模型如图10所示,模型尺寸与试验尺寸一致,采用拉格朗日六面体网格划分,试样网格尺寸为0.2mm,共46792个单元。将试验中应变片记录的入射波直接加载到入射杆加载面上。
图10 动态巴西试验有限元模型

Fig.10 Finite element model for dynamic Brazilian test

表2 DNAN基熔铸炸药的Visco-SCRAM本构模型参数

Table 2 Mechanical property parameters of DNAN-based melt-cast explosive

ν* c*/mm m* a*/mm ν R */
(m·s-1)
K/(Pa·m1/2)
0.3 0.03 10 1 300 5.69×105
Gn G1/MPa G2/MPa G3/MPa G4/MPa G5/MPa
140.77 67.69 193.08 441.54 607.31
τn τ1/s τ2/s τ3/s τ4/s τ5/s
0 1×10-3 1×10-4 5×10-5 1×10-6

注:*为参考前人研究给出的经验值[21]

3.2 模拟结果

选取应力率为190GPa/s的工况进行数值模拟,定义无量纲损伤变量D=c3/(a3+c3)用以表征炸药的损伤程度,图11为不同时刻试样的损伤度分布云图。
图11 试样中损伤变量的演化过程

Fig.11 Growth process of damage in sample

图11(a)中由于试样与杆端接触处存在应力集中,试样左端与入射杆接触端面出现两道微裂纹。随着加载的进行,图11(b)对应图4(d)裂纹出现时刻,此时试样中部出现一道损伤集中区。靠近入射杆一侧的损伤变量略大,这是由于动态加载下试样两端应力无法完全平衡导致的,试样裂纹出现时入射杆还在继续加载,试样内部应力波与加载波叠加使试样靠近端面一侧损伤变量更大。随加载的进行损伤不断演化,最终损伤分布特征如图11(d)所示,与图4(f)的最终破坏形貌接近。Visco-SCRAM模型将损伤以损伤变量的形式宏观地储存在单元中,因此在损伤演化过程中,无法将损伤处应力有效释放,导致损伤向四周扩散,而非沿单一方向扩展,使模拟结果最终形成了较宽的裂纹。
破坏前试样表面竖直方向的位移场、应变场和应力场的分布云图如图12所示。
图12 破坏前试样表面y方向响应参量分布云图

Fig.12 Distribution of y-direction response coefficients on the surface of the sample before the failure in numerical simulation

图12可见,数值模拟得到的破坏前试样表面位移、应变和应力均以加载轴线为中心对称分布。对比图12(a)图5发现,数值模拟与试验获取的位移场分布较为一致,试样沿直径对称向上下两侧运动。图12(b)中试样中心出现明显的红色拉应变集中区,沿加载方向对称分布,呈沙漏状分布特征。此时试样中心位置拉应变约为3.5‰相较于表1中试验结果2.38‰略大。图12(c)的应力场中,试样中心沿加载方向存在扁平带状拉应力集中区,应力大小在3~4MPa之间,与试验结果2.96MPa相比略大。同时试样与杆端接触边缘存在明显的压应力集中区域。
综合来看,模拟结果与试验结果各响应参量分布特征符合较好,但具体数值存在一定差异。考虑到炸药材料的非均质特性和复杂的黏弹脆性力学响应,模拟与试验结果间的差异是可以接受的。因此认为建立的模型能有效描述间接拉伸条件下DNAN基熔铸炸药的动态力学行为和损伤演化过程。

4 结论

1)对某DNAN基熔铸炸药进行了动态巴西试验,其在间接拉伸应力状态下的拉伸强度和失效应变随加载强度的增大分别增大和减小。在130GPa/s、190GPa/s、340GPa/s应力率下的间接拉伸强度和失效应变分别为2.14MPa和6.11‰、2.96MPa和2.38‰、5.10MPa和1.64‰。
2)使用高速摄影并结合DIC技术,分析了试样受载后的变形及裂纹演化过程。使用SEM观察加载前后试样断口损伤特征,发现间接拉伸加载下,DNAN基熔铸炸药内部的HMX炸药颗粒与熔铸载体之间发生较多界面脱黏,HMX颗粒的破坏模式随加载强度的增大由沿晶断裂向穿晶断裂转变。
3)基于Visco-SCRAM本构模型对DNAN基熔铸炸药的动态巴西试验进行数值模拟。试样首先在与杆端接触处产生微裂纹,随后在试样中心出现拉应力/应变集中区,并在该区域产生损伤并不断演化最终贯穿试样。模拟结果与试验结果比较符合,建立的模型能有效描述DNAN基熔铸炸药在间接拉伸条件下的动态力学行为和损伤破坏过程。
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