光谱频移的炸药熔铸温度网络监测系统研究

为了准确、稳定、全面地获得炸药熔铸过程各个位置的温度变化情况,设计了基于布喇格光栅光谱频移的温度实时监测系统。通过光纤组网系统对炸药熔铸过程炸药指定位置的多个点同时进行实时温度监测,根据光栅的布喇格波长与光栅温度之间存在的线性关系,建立光栅布喇格波长线性频移与光栅温度的函数,获取炸药不同位置的准确温度。四个通道通过耦合器共用同一个宽带光源,每一根光纤上的5个光栅的布喇格波长相互分开。实验所用的光栅为自己设计封装好的光栅,用保偏熔接机将光栅与光纤熔接上,经解调仪获取温度数据。将获取的温度数据经Origin处理绘制时间―温度曲线。结果显示,布喇格光栅测得的温度能很好的满足实验要求。

炸药熔铸过程数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了熔铸炸药常压和加压条件下凝固过程中的温度场,得到了温度的冷却曲线、固液界面的变化过程以及缩孔缩松缺陷可能出现的位置。常压条件下关注位置的计算温度值与实测温度值误差在10%以内;加压在5~20个大气压之间时,随着压力的增大,炸药件的缩孔缩松缺陷显著减少。模拟结果表明加压凝固工艺能有效地消除熔铸炸药的缩孔缩松缺陷。

光纤布喇格光栅的炸药熔铸温度监测研究

为了实现对炸药熔铸过程的温度监测,利用多通道解调仪对炸药熔铸过程温度场进行监测,在炸药熔铸测温的过程中采用了经过特殊封装处理过的光栅传感器。简单介绍了光栅的传感原理、布喇格光栅数据解调仪的原理、实验所用光纤布喇格光栅的封装工艺。将获取的温度数据经Matlab和Origin处理并绘制时间―温度曲线,发现炸药熔铸相变发生的瞬间,温度曲线发生较大的变化。研究结果表明:炸药在熔铸过程中会释放出潜热,在释放潜热时炸药的温度会从88℃上升到90℃,特殊封装后的光纤布喇格光栅传感器能很好地对炸药熔铸过程进行温度测量。

炸药熔铸过程数值模拟研究

熔铸炸药指能以熔融态进行铸装的混合炸药，其综合性能良好，能适应各种形状药室的装药，目前各国在军事上广泛使用此类炸药，约占军用混合炸药的90％以上。美、日、法、德和前苏联等国用熔铸炸药大量地装填了各种榴弹、破甲弹、航弹、地雷及导弹战斗部等。

炸药熔铸过程数值模拟研究

熔铸炸药是目前各国在军事上广泛应用的一类混合炸药，约占军用混合炸药的90％以上。炸药浇铸若采用加压凝固的工艺方法，除了能有效减少或解决装药内部质量缺陷外，还能有效消除装药与壳体间缝隙和底隙，而药／壳间缝隙也是影响战斗部使用安全的重要因素。目前，采用压力条件下固化的工艺在国内外已有多个厂家用于生产线上，实际采用的压力约在0．6MPa有明显效果。由于计算机技术的飞速发展及其在浇铸生产中的广泛应用，已经可以对熔铸炸药工艺过程进行数值模拟，对过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而对不同时刻的流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数进行掌握，并以此为依据预测装药内部质量，可以实现浇铸工艺设计、校核、优化设计的全过程仿真。

TATB对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响研究

为提高弹药安全性,研究TATB组分含量对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响规律。采用3D-Fluent软件对熔铸炸药烤燃过程开展仿真计算,预测不同TATB含量熔铸炸药烤燃过程的响应时间及温度,结合烤燃试验验证仿真预测炸药反应的准确性。结果表明,烤燃过程中炸药内部梯度化温度及应特性与介质的传热系数密切相关。TATB含量的增大能够通过改变烤燃条件下的响应温度和时间来提高炸药的热安全性,且通过仿真计算方法预测炸药响应温度和时间可靠性较好。

基于条件变分自编码器的熔铸炸药成型缺陷快速模拟和预测

为了实现凝固缺陷的快速模拟和预测,提出了一种基于条件变分自编码器(CVAE)的熔铸炸药成型缺陷预测模型;以注液温度、冒口预热温度等工艺参数为条件,通过条件变分自编码器建立工艺参数与熔铸炸药缺陷的条件概率模型;采用多层神经网络和变分推断方法结合进行模型训练,实现了RHT和DNP基熔铸炸药凝固成型缺陷预测。结果表明,成功构建了熔铸炸药凝固过程数值模拟的条件概率分布,实现了基于仿真数据的RHT和DNP基熔铸炸药凝固缺陷预测;与有限元直接数值计算结果比较,CVAE算法计算缺陷位置的准确率可达到99%,计算时间小于2 s;CVAE在熔铸炸药缺陷概率分布建模上具有性能高、泛化性强的特点,能有效实现熔铸炸药成型缺陷的智能预测。

DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则

3,4-二硝基吡唑(3,4-dinitropyrazole,DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药在不同应力状态下的力学性能和失效形式,将对其工程化提供理论和试验支撑。采用美国伊斯特朗(INSTRON)5965万能材料试验机、分离式霍普金森压杆对DNP基熔铸炸药典型配方进行准静态压缩力学性能、动态压缩力学性能以及准静态拉伸力学性能测试,分析添加剂(Cellulose Acetate Butyrate,CAB)含量、应变率等因素对力学性能的影响,研究DNP基熔铸炸药在准静态压缩、动态压缩和准静态巴西劈裂条件下的失效形式。研究结果表明:DNP基熔铸炸药的抗压强度整体随应变率的升高而增加;在准静态加载下,抗压强度随着添加剂含量的增加而降低,而在动态加载下则呈相反的变化趋势,当添加剂含量达到一定值时,熔铸炸药的抗拉强度显著提高;不同加载条件下DNP基熔铸炸药满足的强度失效准则不同,其中准静态压缩符合最大剪应力准则,动态压缩符合最大拉应变准则,巴西圆盘试验符合最大拉应力准则。

不同温度下RDX基熔铸炸药的力学性能研究

为了探究温度对RDX基熔铸炸药的力学性能影响,采用了单轴压缩试验和直接拉伸试验,利用颗粒流数值模拟软件建立相应的数值模型并进行数值模拟试验,对不同温度下RDX基熔铸炸药的力学性能进行了研究。结果表明,研究不同温度下试样在不同应力状态阶段的微观损伤机理,发现温度显著影响试样的抗压强度、抗拉强度和弹性模量,抗变形能力明显依赖于温度。随着温度的升高,试样的峰值强度增大,弹性模量先增大后降低。根据微观裂纹、接触力链以及颗粒位移场的发育演化过程可以看出,温度越低,试样破坏后分块数越少,越容易出现应力集中现象,发生局部破坏,试样完全破坏后,裂纹数量随温度降低而减少,接触力链数量增大,颗粒位移方向由复杂分散逐渐有序,抗变形能力增大。

聚合物对DNAN及其熔铸炸药力学性能的影响

为了研究聚烃、聚酯、聚氨酯、聚醚各类聚合物对2,4⁃二硝基苯甲醚(DNAN)及其混合炸药力学性能的影响规律,采用X射线无损检测法研究了微晶蜡(WAX)、聚异丁烯(PIB)、聚丁二酸丁二醇(PBS)、聚己二酸己二胺(PA)、聚3,3,⁃二(硝酸酯基甲基)氧丁环(PBNMO)与DNAN的物理互熔性;通过显微镜观测含聚合物试样的凝固过程,分析了试样在凝固过程中的结晶特征,计算了样品的凝固线速率;在优选的聚合物基础上,采用材料试验机研究了聚合物含量对DNAN及混合炸药力学强度影响规律;分析了聚合物对DNAN及DNAN基混合炸药力学性强化机理。结果表明,与DNAN分子具有氢键或π键作用的PBS、PA、PBNMO可与DNAN试样良好互熔;可熔聚合物的加入使DNAN结晶固液界面平滑,凝固线速率降低54%以上,其中PBNMO对DNAN结晶形貌及凝固线速率改善最为明显;PBNMO可显著提高DNAN及其混合炸药试样的力学性能,添加2%PBNMO可使混合炸药抗拉强度、抗剪强度提高100%以上;机理研究表明,可熔聚合物通过改善试样微观凝固形貌,形成“钢筋混凝土”结构,达到减少材料内部缺陷、提高裂纹生长阻力的效果进而增强DNAN基混合炸药力学性能。

两种新型炸药的准静态力学性能

为推动炸药在侵爆战斗部中的应用,采用万能材料试验机对HMX基压装高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX)和DNAN基熔铸炸药的准静态力学性能进行研究。获得2种炸药在2.0×10-5 s-1~1.0×10-3 s-1应变率范围内的应力应变试验数据。结果表明:2种炸药的力学性能均具有明显的应变率效应,但前者失效应变约为后者的6倍,呈现出较大区别。基于唯象方法,建立描述2种炸药1维准静态压缩力学行为的幂指数硬化本构模型,并拟合得到本构模型参数。通过与试验结果对比表明,模型计算结果与试验结果误差小于3%,吻合较好。该研究结果可为描述2种炸药的力学行为提供参考。

热刺激约束DNAN基不敏感熔铸炸药装药点火后反应演化调控模型

针对热刺激下熔铸炸药点火时基体炸药已处于熔融液化状态,反应产生的高温气体以气泡云形式在液态炸药中扩展和反应的物理特性,考虑燃烧气泡云尺度分布和激活发展机制,建立了熔铸炸药点火后燃烧气泡云反应演化调控模型,可较好地反映炸药本征燃烧速率、壳体约束强度、装药结构尺寸、预留空气隙体积、泄压孔面积等对装药反应演化过程和终态反应度的影响规律,并通过与实验结果对比验证了模型的适应性。结果表明:随着壳体约束强度和装药尺寸增加,装药自增强燃烧速度增长越快,装药反应烈度增大;通过泄压孔结构冲开阈值和泄压孔面积的匹配设计,实现装药反应烈度控制,在本研究装药条件下,泄压孔面积占壳体总面积达8.6‰时可控制装药反应烈度为燃烧,为装药热安全性设计和烈度评估提供理论依据。

损伤对DNAN基熔铸炸药点火后反应增长的影响

为了研究损伤对2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药点火后反应增长的影响,获取反应增长过程特性参数,对预置了不同损伤的5组样品开展了点火后反应增长的试验研究。采用单色光屏蔽技术屏蔽炸药反应过程中产生的强光干扰;采用高速相机加装单色光透镜观察记录整个反应增长过程,获得炸药反应增长过程的图像演化;采用压力测试系统测量反应容器内压力变化过程,获得反应增长过程压力变化。结果表明,DNAN基熔铸炸药点火后反应增长过程主要包括点火、缓慢反应和快速反应等阶段;试验中样品点火延滞时间随着损伤的增加而减少,受挤压形成1.26%损伤的样品除外;5组样品点火延滞时间均值为1.140ms;缓慢反应持续时间随着损伤程度的增加不断减少直至为0,损伤的出现加速了反应增长的进程;在快速反应阶段,反应持续时间和容器内最大压力均随着损伤程度的增加而减小;最大压力变化率随着损伤程度的增加先变大后减小,但均大于没有损伤的样品;在受高温刺激具有0.44%损伤程度的样品中,最大压力变化率为13.67MPa/ms。

基于热压耦合护理工艺的熔铸炸药凝固过程数值模拟

为了消除熔铸炸药装药过程中形成的药柱内部缺陷,分别以三硝基甲苯(TNT)、二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药为研究对象,模拟分析了不同工艺条件下药料内部缺陷的形成机制及其晶体形态的演变规律,并结合加压补缩、冲头保温和水浴降温等工艺探索凝固护理对熔铸炸药成型质量的影响规律。结果表明,药柱在单一加压护理工艺下由外向内逐层凝固,容易在芯部形成V字型缩孔与缩松区域,且护理温度越高、缺陷区域越大;进一步结合冲头保温与水浴降温等护理工艺不仅可以促进药料的纵向梯度凝固及其内部缺陷的可控迁移,还可以借助水浴环境有效提高其换热效率以缩短凝固周期,从而实现“微缺陷”或“零缺陷”药柱的高效率制备。

约束对DNAN基熔铸炸药点火反应特性的影响

为了探究约束对2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药点火反应特性的影响,设计了不同壁厚条件下单端点火试验和相同壁厚的爆轰试验;基于爆炸相似理论,通过对比爆轰试验与点火试验产生的冲击波超压,估算了炸药在点火试验中产生的等效反应药量。结果表明,DNAN基熔铸炸药在一般约束条件下(壁厚小于10mm),经黑火药引燃后仅发生燃烧反应;在强约束条件下(壁厚20、30、40及50mm)反应更为剧烈,但未发生典型的燃烧转爆轰过程,反应烈度为爆燃或爆炸级。DNAN基熔铸炸药发生反应的等效反应药量随着管体壁厚增大,爆炸百分比从23.9%依次增加至34.8%、77.3%及78.7%。可知在一定范围内增强约束条件,炸药燃烧进程会随之加快,反应更为剧烈,但当约束条件足够强时,这种促进作用将不再明显。

熔铸炸药载体的研究评述

综述了熔铸炸药载体的国内外研究现状,包括苯环类、杂环类、脂肪类、含能盐类等四类,介绍了近20年来发展的18种熔铸炸药载体的物理化学性能、爆轰性能与合成方法,分析了它们作为熔铸炸药载体的优缺点,为促进上述低熔点炸药更好地应用到熔铸炸药配方中提供参考。

TNT基熔铸炸药冷却过程温度场变化规律研究

利用多通道数据采集仪对几种熔铸炸药冷却过程温度场进行测试,发现熔铸炸药冷却过程特别是相变发生的瞬间,温度曲线发生较大的拐点变化,通过对实验数据的分析,探讨了相变发生机理,得到了几种熔铸炸药的相变温度,随着熔铸炸药固相含量的增加,相变温度有下降趋势。所探讨的的两种熔铸炸药的相变温度在76～77℃内,均低于TNT的熔点。

TNT基熔铸炸药:增韧增弹的途径及作用

综述了含能材料中TNT为基熔铸炸药(MeltCastExplosives)在增韧增弹上的实验研究,介绍了可用于熔铸炸药增韧增弹的新途径,以及熔铸炸药组分间作用的相关理论研究。熔铸炸药长期以来存在的感度高、脆性易裂等问题限制了其在高性能武器系统中的应用。目前,国内外关于熔铸炸药增韧增弹的研究较少,早期的文献大都针对熔铸炸药的改性研究。因此,解决现今熔铸炸药的问题,实现对其增韧增弹具有重要的科学意义和应用前景。文献表明:(1)国内外在"熔铸炸药增韧增弹"概念上未进行系统总结,也未见任何文献中提出;熔铸炸药改性剂(聚酯纤维、聚氨酯弹性体、HNS晶形控制剂)的研究主要针对的是熔铸炸药的渗油、降感研究,尚未解决熔铸炸药脆性、易裂的根本问题;(2)其它复合材料的增韧增弹技术对熔铸炸药有所借鉴,尤其是纳米粒子以及高分子材料的增韧增弹技术;(3)通过设计和制备与熔铸炸药相容的增韧增弹剂,再将其与熔铸炸药进行物理共混或颗粒级配等技术完成浇铸后进行力学性能、微观性能研究等,可以初步建立熔铸炸药增韧增弹的模型并总结出有关增韧增弹的机理。

熔铸炸药研究现状与发展趋势

熔铸炸药是目前战斗部最主要的装药方式之一,但是现有以TNT为载体的熔铸炸药配方在能量、安全性、装药质量和力学性能等方面存在明显缺陷。本文详细综述了熔铸炸药连续相、高能量密度材料、综合降感技术、流变性研究和装药工艺5个方面国内外的研究现状,特别是归纳了以NTO、DNTF等为代表的新型含能材料的应用情况,提出了熔铸炸药在新型载体物质、高能钝感单质炸药、共晶炸药、功能助剂、高固相含量熔铸体系装药工艺等方面未来的主要发展方向。

基于三维打印技术的纳米奥克托今与梯恩梯熔铸炸药制备及性能研究

为解决传统熔铸炸药缺陷多、密度低、力学性能差等问题,将三维(3D)打印技术应用到熔铸炸药的成型制备中。采用自主研发的熔铸炸药3D打印成型原理样机,通过筛选熔铸炸药配方、优化工艺参数,成功打印出含纳米奥克托今和梯恩梯的熔铸炸药药柱。对打印的药柱以及传统浇铸的药柱进行了微观结构、密度和均一性、抗压强度以及爆速等性能表征对比。结果表明:3D打印成型的药柱结构密实,密度为1.65 g/cm^3,提高2.0%;抗压强度为5.56 MPa,提高273%;爆速为7 184 m/s,提高2.1%;综合性能明显优于传统浇铸成型的药柱。