粒状发射药的力学性能

陈言坤，罗兴柏，甄建伟，刘国庆，王国栋

（军械工程学院弹药工程系，河北石家庄050003）

引 言

随着高初速、高膛压、高装填密度等现代高性能火炮的不断发展，其发射安全性问题愈来愈突出。近年来不断发生的膛炸事故以及发射安全性对提高火炮性能的制约等问题，使得火炮发射安全性受到广泛关注［1－4］。研究表明，发射药的挤压破碎是导致膛炸的根本原因［1，5－8］。发射药在膛内破碎的外因是药粒着火前受到的挤压、撞击等力学作用，内因是发射药本身的力学性能。由于膛内高速、高压火药气体的作用，在发射过程中发射药会受到互相挤压以及颗粒向弹底或膛壁撞击等强烈冲击载荷作用，当发射药的力学性能不能满足膛内强烈冲击载荷作用而发生大量破碎时，就会引起发射药燃面的急增，使发射药的燃气生成速率猛增导致弹道起始段膛压骤增，产生膛炸［8］。杨均匀等人［9－10］采用MacCorMack差分格式对高膛压火炮的内弹道过程两相流方程进行数值模拟。Horst等人［11］假设发射药颗粒撞击弹底导致不同程度的破碎，采用人为增加燃面的方法来研究发射药不同破碎程度对膛内压力异常的影响，当局部燃面增加到未破裂前的2～5倍时，成功模拟了几次炮尾膛炸。

本实验研究了不同加载速率条件下发射药力学性能的变化情况，并依据轴向定载压缩试验建立了发射药的轴向压缩黏弹性模型和本构方程，为发射药的破碎研究提供一定的理论和试验基础。

1 实 验

1．1 材料与仪器

11／7单基发射药若干，直径5．6mm，长15．1mm。

CMT5105型微机控制电子万能试验机，深圳市新三思材料检测有限公司；抗压强度测试仪，自制；NH－5K型推拉力计，常州市蓝光电子有限公司。

1．2 轴向静态压缩试验

采用电子万能试验机对发射药进行轴向静态压缩试验。压头的移动速度分别为1mm／min 和10mm／min，计算机记录压缩载荷和压头位移数据，通过计算机可绘出发射药轴向的应力－应变曲线。根据不同加载速度的试验结果，选择2000N 定载荷对发射药轴向压缩，通过计算机可绘出发射药轴向在定载荷条件下的时间－应变曲线。为减小上下压头断面与试样之间的摩擦阻力，在压头端面涂润滑油进行润滑。

1．2 径向静态压缩试验

采用自行设计的抗压强度测试仪对发射药进行径向静态压缩测试。抗压强度测试仪用螺旋加载，受压平台下方为NH－5K 型推拉力计，具有实时记录最大载荷的功能，用于记录发射药破碎时所受的最大载荷。测试前在发射药和推拉力计之间放置一张打印纸，当发射药破碎时，打印纸上的压痕就是压痕形变区投影面面积，即发射药的受力面积，推拉力计液晶显示器显示的数字即是破碎前发射药所受的最大载荷。测得发射药破碎时所受的最大载荷及压痕面积，通过压强计算公式计算发射药所受的临界应力，即抗压强度。

2 结果与讨论

2．1 轴向压缩对发射药力学性能的影响

图1为发射药轴向压缩后的图片。

图1 药粒轴向压缩破碎后的图片Fig．1 Photographs of broken grain after axial compression

由图1（b）和图1（c）可以看出，在轴向压缩过程中，发射药发生了较大变形，发射药在变形过程中摩擦产生的热量使发射药局部温度升高，致使发射药的端面和侧面部分区域明显变黑。当加载速率为1mm／min时，药粒侧面出现2．0mm 的裂纹；当加载速率为10mm／min时，裂纹宽度为2．6mm。随着加载速率增加，裂纹宽度增大，均在药粒侧面沿轴向方向扩展。由裂纹的形貌可以推测，在发射药受压过程中，由于发射药径向发生形变使药粒受到径向拉应力的作用而产生裂纹，同时也说明发射药力学性能的各向异性。发射药的力学性能见表1，当加载速率增大时，发射药的弹性模量变大，屈服强度和抗压强度均变小，弹性应变能没有发生明显变化。

表1 轴向压缩前后发射药的力学性能Table 1 Mechanical properties of gun propellant before and after axial compression

2．2 轴向压缩黏弹性模型和本构方程

高聚物的黏弹性表现为蠕变和松弛，常用弹簧和阻尼器组成的机械模型模拟高聚物的黏弹性，依据弹簧和阻尼器的不同特点，Maxwell模型（串联模型）可定性地模拟高聚物的应力松弛行为，而Voigt模型（并联模型）只能定性地模拟蠕变行为。根据Maxwell模型和Voigt模型的特点，为模拟发射药的黏弹性，本研究建立了四单元黏弹性模型，如图2所示，该黏弹性模型的本构方程可表示为：

式中：T＝η2E2。

图2 发射药的黏弹性模型Fig．2 Viscoelastic model of gun propellant

利用四单元黏弹性模型对发射药在2 000N 定载荷条件下的力学行为进行模拟，得到的该模型参数如表2所示。在定载荷条件下发射药的力学响应曲线以及黏弹性模型的模拟曲线如图3所示，计算结果表明，该模型可较好地模拟药粒的黏弹性，药粒的黏弹性本构方程可表示为：

表2 发射药黏弹性模型参数Table 2 Viscoelastic model parameters of gun propellant

图3 定载荷条件下发射药的力学响应曲线Fig．3 Mechanical response curves of gun propellant under fixed load

2．3 径向压缩对发射药力学性能的影响

发射药受压变形示意图见图4。

图4 发射药受压变形示意图Fig．4 Schematic diagram of gun propellant during loading

发射药为圆柱形，试验初期压板与药粒之间基本上为线接触（见图4（a））。由于初期载荷较小，加载区的应力集中不足以产生宏观裂纹。随着载荷的不断增加，在加载末期，加载由图4（a）的线载荷变为图4（b）所示的面载荷，由于非均匀变形导致高度的应力集中，从而导致在此区域发生复杂的破坏，见图5。由图5可见，在应力集中区域共有两条裂纹，这两条裂纹向发射药内部扩展并相遇，从端面的裂纹形状分析可知，应力集中区的两条裂纹在药粒端面的上部形成一个三角形的裂纹区域，在三角形顶点处裂纹继续向内扩展并经过端面的中心贯穿整个端面。因此可推测，当发射药受径向载荷达到抗压强度时，发射药与压板的应力集中区域先出现裂纹，裂纹由发射药侧面向内部扩展并贯穿整个发射药。

图5 发射药径向压缩破碎后的图片Fig．5 Photographs of broken gun propellant after radial compression

图5（b）是图5（a）断裂后形成的碎裂条块，有时也会在加载区形成多条裂纹，最终形成两个较大碎裂条块和2～5个较小的细长状的碎裂条块。发射药在受到径向压缩破碎时没有发生明显的塑性变形，表现出脆性材料的特点。由图5可以看出，当发射药受到径向载荷时，发射药是在压缩方向上沿着轴向裂开的。无论是轴向压缩还是径向压缩，发射药都是沿着轴向裂开，说明发射药轴向和径向的力学强度是不同的，这种发射药力学性能的各向异性可能是药粒内部小孔和制造药粒所采用的模具挤出工艺共同作用的结果。发射药径向压缩的试验结果见表3，抗压强度的平均值为92．13MPa。

3 结 论

（1）在轴向压缩试验中，随着加载速率的增加，11／7单基发射药侧面的裂纹尺寸有变大趋势。同时，发射药的弹性模量增大，抗压强度均减小。

（2）依据11／7 单基发射药轴向定载荷压缩试验，建立了发射药四单元黏弹性模型和黏弹性的本构方程：

（3）在径向压缩试验中，当载荷达到发射药的径向抗压强度时，初始裂纹发生在发射药侧面与压头接触的加载区域，并不是发生在发射药的中心区域。

（4）无论是轴向压缩还是径向压缩，裂纹扩展方向均与发射药轴向平行，表明发射药的力学性能为各向异性。

［1］ 芮筱亭，贠来峰，沙南生，等．发射装药发射安全性评定技术的研究进展［J］．兵工学报，2005，26（5）：690－696．RUI Xiao－ting，YUN Lai－feng，SHA Nan－sheng，et al．Advance on launch safety for gun propellant charge［J］．Acta Armamentarii，2005，26（5）：690－696．

［2］ Lieb R J．Correlation of the failure modulus to fracture－generate surface area in uniaxially compressed M43gun propellant，AD－A302379／3／HDM［R］．Springfield：NTIS，1995．

［3］ 邱沛蓉，董健年．装药射击安全性模拟检测方法研究［J］．弹道学报，1995，7（1）：17－23．QIU Pei－rong，DONG Jian－nian．Investigation on 1aboratory simulation of firing safety of propellant charge［J］．Journal of Ballistics，1995，7（1）：17－23．

［4］ 徐劲祥．发射装药挤压破碎对燃烧规律的影响［J］．火炸药学报，2007，30（3）：69－71．XU Jin－xiang．Effect of extrusion and fracture of gun propellant charge on combustion behavior［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（3）：69－71．

［5］ 杨均匀，袁亚雄，张小兵．发射药破碎对火炮射击安全性影响的研究综述［J］．弹道学报，1999，11（4）：92－96．YANG Jun－yun，YUAN Ya－xiong，ZHANG Xiaobing．Research survey of the effect of grain fracture on the fire safety in solid propellant gun［J］．Journal of Ballistic，1999，11（4）：92－96．

［6］ 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，2009：11－18．

［7］ 杨均匀，袁亚雄，张小兵，等．高膛压火炮火药破碎模型及数值计算述［J］．弹道学 报，1997，9（2）：35－39．YANG Jun－yun，YUAN Ya－xiong，ZHANG Xiaobing，et al．A fracture model of grain and numerical calculation for high－pressure gun［J］．Journal of Ballistic，1997，9（2）：35－39．

［8］ 杨均匀．高膛压火炮发射安全性实验研究及数值模拟［D］．南京：南京理工大学，1997．

［9］ Horst A W，May I W，Clarke E V．The missing link between pressure waves and breechblows，AD－A058 354／2GA［R］．Springfield：NTIS，1978：1－3．