基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

黄西成, 李尚昆, 魏 强, 田 荣, 陈成军, 王理想, 柳 明

(1. 中国工程物理研究院总体工程研究所, 四川 绵阳 621999; 2. 中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088)

1 引 言

高聚物粘结炸药(PBX)是由颗粒性主体炸药(如HMX)和高聚物粘结剂、增塑剂、钝感剂等经一定工艺压制而成[1-2],如PBX-9502炸药是95%的TATB晶粒与5%的粘结剂Kel-F800组成的复合材料[4]。最近几十年,由于低速撞击下结构安全性和可靠性受到政府与工程界的高度重视,PBX炸药的破坏问题也备受学术界关注[5-12]。

通常认为低速撞击下炸药的点火机制包括: 弹塑性或粘弹塑性变形、损伤与破坏、裂纹萌生与发展、塑性功局域化及塑性功转化为热、热传导等[13]。从试验观察发现,含能材料的塑性变形与后继开裂问题,直接影响了反应演化(如增加表面积会加速燃烧率)以及响应等级[14]; 材料内部的非均质损伤对炸药的力学性能及感度影响很大,裂纹扩展也将直接影响到结构完整性[15-16]。因此,研究PBX的裂纹产生及扩展,对正确认识这种材料对机械刺激的响应非常必要,同时也为评估裂纹发生的风险、研发裂纹抑制技术等提供理论支撑。

材料力学性能试验表明,不同应力状态下PBX表现出不同的力学特性[17-19],这给数值建模带来很大的困难[20-22]。本研究采用应力状态相关的强度模型、非关联流动法则, 描述材料在复杂应力状态下的非线性本构行为。同时,PBX在破坏模式方面表现出脆性/准脆性特点,这种材料即使整体上承受压缩载荷,但由于材料内部存在非均质(如微孔洞)特性[23-24],在外部压应力作用下,材料内部微孔洞附近产生局部的拉伸裂纹,随着载荷发展微裂纹进一步演化、扩展,最终导致材料或结构的整体破坏[25-27]。……