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PBX裂纹尖端失效区及宏观起裂机理研究

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2019-1-7 14:39:00 访问数:

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PBX炸药部件在整装储存中受到机械和温度载荷作用会产生裂纹,一定程度上影响武器系统的安全与可靠性。美国阿拉莫斯实验室(LANL)C. LiuPBX型裂纹尖端核心区域进行了大量的实验观测,分析其数据发现PBX裂纹尖端存在失效区,即在失效区内材料发生力学失效。PBX-9502失效应变约为0.2%~0.3%,可以估计出PBX-9502裂纹尖端失效区域最大尺寸约为3.5 mm,如图1所示。由于实验观测手段有限,对于该失效区域具体的形状和大小尚不明确。本研究将通过理论计算,定量描述PBX型以及-复合型裂纹尖端失效区。

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1  三种强度准则下PBXⅠ型裂纹尖端失效区

本研究基于断裂力学裂纹尖端核心区理论,结合Mohr-CoulombTwin-shearDrucker-Prager强度准则,建立了反应材料拉压不对称的PBX型裂纹尖端失效区域理论模型。Drucker-Prager强度准则为例,建立型裂纹尖端失效区理论模型。

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以无量纲失径R=rst /K研究PBX型裂纹尖端失效区。图2给出Mohr-CoulombTwin-shearDrucker-Prager强度准则下PBX型裂纹尖端失效区。Drucker-Prager准则在考虑PBX材料拉压比的基础上,综合了平均应力和偏应力的影响,相对更加保守,计算的裂纹尖端失效区最大。

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以某TATBPBX为例,采用Drucker-Prager强度准则计算20 60 下裂纹尖端极限失效区,如图3所示。高温条件下,该TATBPBX裂纹尖端失效区显著增大,这是粘接剂超过其玻璃化温度(Tg=35~55 ),材料进而发生软化脆性减弱导致的。

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(1)和式(2)中包含拉伸强度、泊松比、强度准则等参量,以及描述PBX材料脆性大小的断裂韧性、拉压比,因此我们认为裂纹尖端失效区大小和形状可以定量表征PBX材料的脆性。

2  PBX-复合型裂纹尖端失效区及起裂机理

对于无限大平板倾角为b的中心贯穿-复合型裂纹,如图4所示。基于Drucker-Prager强度准则,建立复合型尖端失效区理论模型。

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(3)和式(4)分别为平面应力和平面应变状态下的解。b为斜裂纹与远场应力的方向夹角。远场应力水平S=s0/sts0st分别为远场应力和拉伸强度,an为材料拉压比和泊松比。以无量纲失径R=r/(a×S)研究PBX-复合型裂纹尖端失效区。

5中给出不同裂纹倾角b下,无限大平板中心裂纹尖端失效区形状和大小。随着裂纹倾角b减小(90°®0°),裂纹从型转变为-复合型,并最终趋于型。裂纹尖端失效区显著减小。   

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当裂纹尖端失效区无量纲失径R取最小值Rmin时,对应临界角为θ=θ0。图6给出了Rminq 随裂纹倾角b的变化情况。对于-复合型裂纹,有研究者提出裂纹将沿塑性区半径最小的方向扩展,即图6q0-b曲线。而ErdoganG.C.Sih1963年提出的最大周向应力断裂准则,无法考虑其他应力分量以及区分平面应力与平面应变问题,并且不能在准则中考虑材料差异性。结合最小塑性区半径开裂准则思想,本研究可以实现对最大周向应力断裂准则的修正。

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