高能发射药动态力学强度的影响因素研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１６. ０２. ００７ 高能发射药动态力学强度的影响因素研究 ❋ 周 敬 杨丽侠 张邹邹 刘来东 刘 强 西安近代化学研究所陕西西安,７１００６５ [摘 要] 对１９ 孔的高能发射药进行落锤撞击试验,观测药粒撞击损伤状态以及 Ｆ-ｔ 曲线,研究药粒受力方向、撞 击能以及温度等对高能发射药动态力学强度的影响。 结果表明,改变受力方向,裂纹和破碎均在沿发射药的轴线 方向上出现,表明发射药力学强度的各向异性；因为受径向撞击作用时,发射药粒易于破碎,故装药设计时,可使发 射药的主要受力方向为轴向排布,可有效防止发射药的撞击破碎。 随着撞击能提高,发射药的损伤百分数增加,Ｆ-ｔ 曲线上峰值逐渐增大,增大的幅度不断减小。 随着温度升高,Ｆ-ｔ 曲线峰值由 ２５. ０ ｋＮ 降为 ５. ８ ｋＮ,脉宽由 １. ６ ｍｓ 增加至５. １ ｍｓ,发射药的响应情况由脆性断裂逐渐转变为塑性形变。 [关键词] 应用化学；高能发射药；落锤撞击；影响因素 [分类号] ＴＱ５６２ 引言 高能发射药是高膛压火炮装备实现高威力和 轻量化的物质及能量基础。 从材料角度讲,适合高 膛压火炮的高能发射药需具备较好的耐受动态冲击 的力学性能,防止在火炮膛内装药环境下,由于力学 性能不佳而发生药粒破碎、改变燃烧规律,甚至因燃 面骤增而发生膛炸事故。 因此,迫切需要开展模拟 火炮膛内受力情况下高能发射药的动态力学性能研 究[１-３]。 目前,关于发射药动态力学性能的研究方法有 落锤撞击装置结合密闭爆发器试验的方法,该方法 是利用相对燃面法计算的破碎度来评价发射药的动 态力学强度[４-６]；另一种方法是通过在落锤撞击装置 上安装力传感器,记录发射药撞击瞬间的力值变化 过程[７-９],该测试方法已为新型高能发射药的配方筛 选提供了大量试验数据。 然而,研究发现,发射药动 态力学强度试验方法的影响因素较多,相对于材料 的静态力学性能测试而言,载荷形式为冲击作用的 动态力学性能测试数据散布较大,如药粒受力方向、 撞击能、温度等均会影响试验结果。 本文通过对 １９ 孔花边高能发射药进行落锤撞 击试验,观测药粒的撞击损伤情况并测得 Ｆ-ｔ 曲线, 研究受力方向、撞击能、温度等条件变化对高能发射 药动态力学强度的影响。 １ 试验 １. １ 材料与仪器 １９/１９ 高能发射药,内径 ｄ 为 ０. ５３ ｍｍ,弧厚 ２ｅ 为 １. ８４ ｍｍ,长度为 １３. ５ ｍｍ。 ＢＣＪ 型落锤撞击装置,天津市建仪实验机有限 责任公司,落锤质量为 ５ ｋｇ 或 ２ ｋｇ,标尺量程为 １０ １００ ｃｍ；高低温实验箱,泰安科技有限责任公 司,温度范围为 － ６０ ２ １１０ ２℃；Ｋｉｓｔｌｅｒ ９３１６Ｂ 压力传感器,瑞士奇石乐公司,量程为 ６０ ｋＮ,固有频率为 ２８ ｋＨｚ,灵敏度为 －４ ｐＣ/ Ｎ。 １. ２ 试验原理 一定质量的落锤从某高度１０ １００ ｃｍ自由 滑落,撞击在安装单粒发射药的工装上,并压缩药 粒,用工装底部的力传感器检测发射药粒受到的力 值变化过程,并观测记录药粒撞击后的响应情况。 １. ３ 试验条件 改变受力方向对低温 －４０ ℃发射药分别进 行轴向和径向撞击试验,使发射药在两种撞击条件 下均发生临界损伤即约 ５０％ 的发射药粒无响应, ５０％出现裂纹或裂开。 每个受力方向上试验药粒 数均为 ５０ 粒,观测撞击后的响应情况及 Ｆ-ｔ 曲线, 研究受力方向对发射药动态力学强度的影响。 通过 系列试验及计算得出,轴向撞击时,落锤质量为 ５ ｋｇ,撞击高度为 ３０. ２ ｃｍ,样品发生临界损伤；径向 .９２.２０１６ 年 ４ 月 高能发射药动态力学强度的影响因素研究 周 敬,等 ❋ 收稿日期２０１５-１１-０２ 作者简介周敬１９８８ ,女,硕士,从事发射药性能检测研究。 Ｅ-ｍａｉｌ８１２６０２９４０＠ ｑｑ. ｃｏｍ 通信作者杨丽侠１９６４ ,女,研究员,从事发射药装药及性能检测与评估研究。 Ｅ-ｍａｉｌｙａｎｇ １ｘｘａ＠ ｓｉｎａ. ｃｏｍ 撞击时,落锤质量为 ２ ｋｇ,撞击高度为 １１. ５ ｃｍ,发 生临界损伤。 改变撞击能采用 ５ ｋｇ 落锤,设定落锤高度分 别为２６. ０、２８. ５、３１. ０、３３. ５、３６. ０ ｃｍ,对应单位面积 上的撞击能分别为 １０. ２、１１. ２、１２. ２、１３. ２、１４. ２ Ｊ/ ｃｍ２,将样品在高低温箱 － ４０ ℃ 保温不少于 ２ ｈ, 进行轴向撞击试验,研究撞击能变化对发射药动态 力学强度的影响。 改变试验温度采用 ５ ｋｇ 落锤,设定落锤高度 为 ３０. ２ ｃｍ,进行轴向撞击试验,试验温度分别为低 温 －４０ ℃、０℃、常温２０ ℃和高温５０ ℃,研 究温度对发射药动态力学强度的影响。 ２ 结果与讨论 ２. １ 受力方向对发射药动态力学强度的影响 发射药在火炮膛内自然堆积时,药粒的排布状 态是一种随机形式。 目前,要想完全模拟发射药在 火炮膛内的排布状态,研究发射药的动态力学强度 是不可能做到的,故试验主要选取轴向和径向两个 典型的放置状态来研究发射药的动态力学强度。 图 １ 是 － ４０ ℃时发射药在轴向和径向发生临 界损伤时的响应情况。 由图 １ 可见,发射药经受轴 向撞击作用后,沿轴向出现裂纹或破碎,但是这些裂 纹在端面出现的位置,以及药粒破碎后的状态都是 不规则的；发射药经受径向撞击作用后,同样也是在 轴向出现裂纹或破碎,然而裂纹和破碎都是沿着孔 洞所在位置出现,一般形成两个较大碎块,和几个较 小的细长碎块,断面也比较规整。 发射药改变受力 方向进行落锤撞击试验时,均沿轴向出现裂纹或破 碎,说明发射药力学强度呈各向异性,结合发射药的 损伤状态、配方组分以及成型工艺分析可知,发射 ａ轴向放置 ｂ径向放置 图 １ －４０ ℃时发射药在不同受力方向下的响应情况 Ｆｉｇ. １ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｔ －４０ ℃ 药力学强度的这种各向异性很有可能是内部孔洞以 及压伸成型过程中硝化棉ＮＣ等高聚物分子链沿 轴向取向的共同作用结果。 为进一步研究不同受力方向下发射药的破碎机 理,对常温发射药进行试验,响应情况见图 ２。 在受 到轴向撞击作用后,发射药出现发白迹象,发生塑性 变形,轴向长度变短,因其轴向发生变形,而使药粒 径向受到拉应力的作用,导致样品中部向外凸起,发 生明显形变；而受到径向撞击作用时,发射药的形状 和颜色几乎没有任何变化,不发生塑性变形,但是在 发射药的横截面上,沿内部孔洞出现十字交叉裂纹, 且这些裂纹均出现在孔洞连接的延长线上。 这是因 为撞击能传递给发射药粒的瞬间,活塞杆与花边 １９ 孔发射药粒侧面为 ３ 条线接触,受到集中线载荷,在 该区域出现应力集中,首先出现裂纹,不断向发射药 内部扩展,并在药粒的孔洞部位相遇,形成十字交叉 状的裂纹,进一步说明发射药的力学性能的各向异 性与药粒的孔洞密切相关。 ａ轴向放置 ｂ径向放置 图 ２ 常温发射药在不同受力方向下的响应情况 Ｆｉｇ. ２ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｔ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 因为发射药力学强度的各向异性,故对发射药 在火炮膛内的受力情况进行模拟仿真计算时,单一 方向的模拟试验不足以反映发射药在火炮膛内真实 的受力情况,需对各方向的受力进行综合考虑。 图 ３ 为不同受力方向撞击后对应的典型 Ｆ-ｔ 曲 线。 由图 ３ 可见,发生临界损伤时,轴向放置 Ｆ-ｔ 曲 线的峰值明显高于径向放置。 其次,样品温度为 －４０ ℃时,采用 ５ ｋｇ 的落锤在轴向进行撞击试验, 撞击高度为 ３０. ２ ｃｍ 处发生临界损伤；而径向上,仅 采用２ ｋｇ的落锤,１１. ５ ｃｍ处就发生临界损伤。这 两点均说明径向是发射药的薄弱环节,发射药在火 炮膛内经受压力波动撞击弹底或膛臂时,受力的方 向为径向时,易于破碎。故在发射药装药设计时,虽 .０３. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ２ 期 图 ３ 不同受力方向下的 Ｆ-ｔ 曲线 Ｆｉｇ. ３ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ 然不可以对其排布状态完全固定,但可使发射药在 主要受力方向上为轴向排布。 这样,发射药受到膛 内压力的波动而发生撞击和挤压时,不易发生破碎 等损伤,可以有效防止因燃面剧增而导致的膛炸等 不安全事故的发生。 ２. ２ 撞击能对发射药动态力学强度的影响 图 ４ 为不同撞击能下发射药响应情况,由图 ４ 可见,在撞击能为 １０. ２ Ｊ/ ｃｍ２时,仅少数样品沿中 间部位出现裂纹,随撞击能提高,样品开始出现裂开 以及不规则的破碎情况。 表 １ 是不同撞击能下,样 品损伤情况的统计结果,当撞击能从 １０. ２ Ｊ/ ｃｍ２提 高至 １４. ２ Ｊ/ ｃｍ２,样品损伤百分数由 ２６％ 增加 至 ７４％。 表 １ 落锤撞击试验统计结果 Ｔａｂ. １ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｒｏｐ ｈａｍｍｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ 撞击能/ Ｊ.ｃｍ －２ 试验粒数损伤粒数 损伤百分数 ｙｉ/ ％ １０. ２５０１３２６. ０ １１. ２５０２０４０. ０ １２. ２５０２７５４. ０ １３. ２５０３３６６. ０ １４. ２５０３７７４. ０ 图 ５ 为不同撞击能下样品典型的 Ｆ-ｔ 曲线,表 ２ 为对应的峰值及脉宽。 由图 ５ 可知,随撞击能增加, Ｆ-ｔ 曲线上的力值逐渐增大,但是增大的幅度越来越 小。 这是因为发射药是一种复合高分子材料,分散 在连续相中的微小颗粒在发射药受到冲击力的时 候,可引发大量微裂纹,吸收部分冲击能量,撞击能 越高,微裂纹越多,吸收的能量越多,所以药粒受到 的力增大幅度也越来越小。 ２. ３ 温度对发射药动态力学强度的影响 图６为粒状发射药在不同温度撞击条件下的损 图 ４ 不同撞击能下发射药的响应情况 Ｆｉｇ. ４ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｉｅｓ .１３.２０１６ 年 ４ 月 高能发射药动态力学强度的影响因素研究 周 敬,等 图 ５ 不同撞击能下典型 Ｆ-ｔ 曲线 Ｆｉｇ. ５ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｉｅｓ 表 ２ 不同撞击能下 Ｆ-ｔ 曲线的峰值及脉宽 Ｔａｂ. ２ Ｐｅａｋ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ-ｗｉｄｔｈ ｏｆ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｉｅｓ 撞击能/ Ｊ.ｃｍ －２ Ｆｍ/ ｋＮ△ｔ/ ｍｓ １０. ２２２. ９１. ３０ １１. ２２４. ７１. ３２ １２. ２２５. ８１. ２８ １３. ２２６. ６１. ２６ １４. ２２６. ９１. １６ 伤 图片。由图６可见, －４０ ℃ 时,药粒经受撞击作 用后,部分样品依然完整,部分出现裂纹,其余则发 生破碎。０ ℃时,样品仅出现发白迹象,未见裂纹和 破碎。常温２０ ℃与高温５０ ℃下,样品出现发 ａ －４０ ℃ ｂ０ ℃ ｃ２０ ℃ ｄ５０ ℃ 图 ６ 不同温度下发射药的损伤状态 Ｆｉｇ. ６ Ｄａｍａｇｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 白迹象,而且发生明显的塑性形变,药粒长度变短, 由于挤压,药粒中间凸起,高温下５０ ℃,塑性变形 更为明显。 经计算得出 －４０ ℃、０ ℃、常温２０ ℃ 和高温５０ ℃温度下,粒状发射药的应变率分别为 ０％,２％,１４％,２５％。 图 ７ 为不同温度下发射药撞击以后对应的典型 Ｆ-ｔ 曲线,表 ３ 为 Ｆ-ｔ 曲线上的峰值及脉宽。 从 －４０ ５０℃,随温度的升高,Ｆ-ｔ 曲线峰型由尖锐逐 渐转为平缓,峰值由 ２５. ０ ｋＮ 降为 ５. ８ ｋＮ,脉宽由 １. ６ ｍｓ 增加至 ５. １ ｍｓ,即力的作用时间越来越长。 结合图 ６ 发射药的损伤情况分析可知,随温度升高, 发射药的响应情况由脆性断裂逐渐转变为塑性形 变,这是因为发射药属于复合高分子材料,在低温 下,它的冷脆特性加剧,更容易产生裂纹甚至发生 破碎。 图 ７ 不同温度下发射药的典型 Ｆ-ｔ 曲线 Ｆｉｇ. ７ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 表 ３ 不同温度下 Ｆ-ｔ 曲线的峰值及脉宽 Ｔａｂ. ３ Ｐｅａｋ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ-ｗｉｄｔｈ ｏｆ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 参量 温度/ ℃ －４００２０５０ Ｆｍ/ ｋＮ２５. ０９. ８６. ９５. ８ Δｔ/ ｍｓ１. ６２. ６３. ６５. １ 在实际应用过程中,发射药的低温冷脆特性使 其在火炮膛内易受到压力波动而破碎,使其初始燃 烧面积增加,改变装药燃烧规律,引起弹道性能异 常,甚至造成膛炸事故。 所以,在对发射药自身力学 性能的考察时,选择低温发射药为主要研究对象,只 要发射药的低温力学强度符合应用要求,那么常温 和高温也能满足要求。 ３ 结论 １改变受力方向,裂纹和破碎均在沿发射药的 轴线方向上出现,表明发射药力学强度的各向异性； 经受径向撞击作用时,发射药粒易于破碎。 故装药 .２３. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ２ 期 设计时,可使发射药的主要受力方向为轴向排布,可 有效防止因燃面剧增而导致的膛炸等不安全事故的 发生。 ２随着撞击能提高,发射药的损伤百分数增 加,Ｆ-ｔ 曲线上峰值逐渐增大,增大的幅度不断减小。 ３随着温度升高,Ｆ-ｔ 曲线峰值由２５. ０ ｋＮ 降为 ５. ８ ｋＮ,脉宽由 １. ６ ｍｓ 增加至 ５. １ ｍｓ,发射药的响 应情况由脆性断裂逐渐转变为塑性形变。 参 考 文 献 [１] 芮筱亭, 贠来峰, 王国平, 等. 弹药发射安全性导论 [Ｍ]. 北京 国防工业出版社, 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Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ｉｓ ｅａｓｉｌｙ ｂｒｏｋｅｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｓｉｄｅ, ｓｏ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐｌａｃｅ ｏｎ ａｘｉａｌ ｓｉｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｅｓｓ ｄｉｒｅｃ- ｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ, ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ. Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ, ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｅｒｃｅｎｔ ｏｆ ｇｕｎ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｏｆ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ, ｂｕｔ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ. Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ, ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ａｒｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ, ｔｈｅ ｐｅａｋ ｏｆ Ｆ-ｔ ｃｕｒｖｅ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ２５. ０ ｋＮ ｔｏ ５. ８ ｋＮ, ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ １. ６ ｍｓ ｔｏ ５. １ ｍｓ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ａｐｐｌｉｅｄ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ； ｈｉｇｈ-ｅｎｅｒｇｙ ｇｕｎ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ； ｔｈｅ ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｈａｍｍｅｒ ｉｍｐａｃｔ； ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ .３３.２０１６ 年 ４ 月 高能发射药动态力学强度的影响因素研究 周 敬,等