用改进巴西试验评价粒状发射药的抗拉强度

陈言坤，罗兴柏，甄建伟，李金明

（军械工程学院弹药工程系，河北石家庄050003）

引 言

巴西试验（Brazilian test）也称间接拉伸试验，起初用于测试岩石、水泥等脆性材料，被国际岩石力学学会列为测试岩石抗拉强度的推荐方法之一［1－4］。近年来，该方法在测量炸药等含能材料的力学性能方面也得到了广泛应用［5－6］。Wang Q Z等［5］采用带有平台的圆盘试样研究了岩石的抗拉强度和断裂韧性，试验及数值计算表明，圆盘试样的平台能够改善加载区域的应力集中，确保裂纹从试样中心起裂。庞海燕等［6］研究了不同加载方式巴西试验结果与直接拉伸试验结果的相关性。CHEN P W 等［7］采用巴西圆盘试验研究了生产工艺对PBX炸药力学性能的影响。研究表明［8－11］，在发射药的发射过程中，由于膛内高速、高压火药气体作用，发射药会受到相互挤压以及撞击弹底或膛壁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，从而导致弹道起始段膛压骤增，产生膛炸。由于发射药的尺寸特点，使得采用轴向拉伸的方法直接测量其抗拉强度变得十分困难。

本研究通过在平面压头和试样之间放置高弹性橡胶垫对传统巴西试验进行了改进，采用传统巴西试验和改进巴西试验间接测量了粒状发射药的抗拉强度，分析了两种加载方式对试验结果的影响，为准确测量发射药的抗拉强度提供参考。

1 实 验

1．1 材料与仪器

粒 状11／7 单 基 发 射 药，直 径5．6mm，长15．1mm。

压力测试仪（见图1），自制，该设备使用螺旋加载，可实现发射药的径向静态压缩；受压平台下方为NH－5K 型推拉力计（常州市蓝光电子有限公司），用于记录发射药破碎时的最大压力。

图1 压力测试仪Fig．1 Compression strength tester

1．2 试验方法

采用传统巴西试验和改进巴西试验两种方法测量发射药的抗拉强度。传统巴西试验原理如图2所示，通过平面压头在圆柱体侧面沿径向施加两集中载荷，在圆柱体内垂直于加载面的方向上产生拉应力，当发射药样品中心的拉应力达到材料的拉伸破坏强度时，发射药样品发生破坏。

图2 传统巴西实验原理图Fig．2 Principle diagram of traditional Brazilian test

利用弹性力学平面问题的解析解和Griffith强度准则可得到抗拉强度的计算公式：

式中：p 为试样劈裂时的作用力；D 为圆柱形发射药样品的直径；δ 为圆柱形发射药样品的长度。该表达式适用的前提条件为平面应力状态和中心起裂。

改进巴西试验原理如图3所示，在平面压头与发射药之间放置一块高弹性橡胶垫，加载后橡胶垫发生变形，与发射药样品之间形成了一定的弧度，以式（1）计算抗拉强度。

图3 改进巴西试验原理图Fig．3 Principle diagrams of improved Brazilian test

2 结果与讨论

2．1 两种方法试验结果对比

采用传统巴西试验和改进巴西试验测试粒状11／7单基发射药的抗拉强度，结果如表1所示。

表1 传统巴西试验和改进巴西试验抗拉强度测试结果Table 1 Results of tensile strength obtained by traditional Brazilian test and improved Brazilian test

由表1可知，两种测试方法的结果存在一定的差别，改进巴西试验测得的抗拉强度比传统巴西试验高11．50%。图4为传统巴西试验中发射药的破碎情况，图5为改进巴西试验中发射药初始裂纹的出现及其扩展情况。

图4 传统巴西试验后破碎发射药照片Fig．4 Photographs of the break gun propellant after traditional Brazilian test

由图4 可知，加载点附近的两条裂纹是初始裂纹，这两条初始裂纹向发射药内部扩展并相遇，在发射药的上部形成一个三角形区域，该三角形区域在外加载荷的作用下向圆心移动并挤压其余区域，此作用相当于一个受拉型裂纹，三角形区域的顶点为裂尖，当外加载荷达到一定值后，裂纹失稳并向中心扩展形成贯穿裂纹，该贯穿型裂纹通过发射药轴线并与加载方向重合。在传统巴西试验中，发射药为圆柱形，试验初期发射药与平面压头之间基本上为线接触，随着外加载荷的增加，线接触逐渐变为面接触，接触区域的非均匀变形导致高度的应力集中，从而导致在此区域首先出现裂纹，进而向内部扩展并贯穿整个发射药。初始裂纹发生在发射药与压头接触的应力集中区域，而不在端面的中心，这也可以解释所测得的抗拉强度偏小的原因。

图5 改进巴西试验后破碎发射药的照片Fig．5 Photographs of the break gun propellant after improved Brazilian test

从图5中可以看出，改进巴西试验中，初始裂纹发生在发射药端面的中心，并沿加载方向向外扩展，符合巴西试验的两个前提条件。

2．2 力学原理分析

依据弹性力学平面问题的相关理论，当圆盘受到一对集中径向作用力时，圆盘内任一点应力可表示为：

式中各个变量的含义见图6。

图6 巴西圆盘试验中的变量Fig．6 The variables of Brazilian disc test

由以上三式可知，在y 轴上则有：

设发射药的破坏遵循Griffith强度准则，即：

当3σ1＋σ3≥0，σG＝σ1；

式中：σ1和σ3分别表示最大主应力和最小主应力（以拉应力为正值）；σG表示等效应力。当σG＝σt时，发射药开始损坏，其中σt表示发射药的抗拉强度。

在y 轴上，仅有原点满足3σ1＋σ3＝0，则σ1＝σG＝σt，除 原 点 以 外 的 其 他 地 方，，则

由此可以看出，随着y 绝对值的增大，σG不断增大，并在y 绝对值等于R处，即加载点，σG趋近无穷大。由此可知，当发射药侧面受到集中线载荷时，发射药侧面的加载区附近会首先出现裂纹，而不是从中心起裂。

3 结 论

（1）用传统巴西试验测量粒状11／7单基发射药的抗拉强度为15．48MPa，由于在加载区附近产生应力集中，初始裂纹发生在加载区附近，不在发射药的中心，导致测量结果偏低。

（2）用改进巴西试验测量粒状11／7单基发射药的抗拉强度为17．26MPa。改进巴西试验有效解决了平面压头与发射药接触区域的应力集中问题，保证了中心起裂，满足巴西试验抗拉强度计算公式的前提条件。测得的试验数据用于直接评价发射药的抗拉强度也更有说服力。

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