应力应变率点火模型优化方案

基于弹道枪测试系统对PTFE/Al活性毁伤材料点火模型进行研究，基本思路是，首先通过改变靶板材料、试样长度、加载速度、靶板倾斜角度等弹靶碰撞条件，采用高速摄影记录不同条件下材料的冲击点火状态；再基于冲击引发点火理论，计算PTFE/Al活性毁伤材料试样与靶板的碰撞应力和加载应变率；最后，结合试样的点火状态，建立应力-应变率点火模型。

实验测试原理如图5.3所示，圆柱形活性毁伤材料试样直径为8 mm，长度分别为10 mm、20 mm、30 mm和40 mm，不同长度试样及弹托如图5.43所示。弹道枪口径选择14.5 mm，靶板材料分别选择钢、铝和LDPE，三种材料靶板长、宽、厚分别为140 mm、140 mm和15 mm。设置垂直和倾斜两种靶架，靶板设置为垂直和与水平方向呈60°夹角倾斜两种状态。

图5.43　活性毁伤材料试样及弹托

在不同碰撞应力及应变率下，PTFE/Al活性毁伤材料试样点火状态如图5.44所示。通过L1、L2、L3可对比应变率恒定时应力对点火状态的影响，通过L4可对比应力恒定时应变率对点火状态的影响。试样撞击应力和应变率均呈近似线性关系，相同长度试样以不同速度撞击同种靶板的实验数据点分布于同一条应力-应变率曲线。PTFE/Al活性毁伤材料试样撞击LDPE靶板时应变率分别为22 560 s-1和25 723 s-1，应力分别为368 MPa和423 MPa。由于试样均未点火，这表明如果应变率较高，但应力较低，试样则无法点火。四次PTFE/Al活性毁伤材料试样撞击铝靶测试中，三次试样点火对应应变率和应力分别高于22 840 s-1和760 MPa，而未点火试样加载应变率和应力则分别低于上述值。长度为40 mm、30 mm、20 mm和10 mm试样的加载应力及应变率分布于其余四条曲线，可以观察到，随着加载状态变化，同时出现了试样点火和未点火现象，且随着未点火向点火过渡，实验数据点出现了混合区。

图5.44　加载条件对PTFE/AI试样点火行为的影响

对比沿L1线分布的实验数据，加载应变率为10 160 s-1，由于靶板材料不同，试样碰撞钢靶应力为1 306 MPa，试样出现点火；而碰撞铝靶应力为280 MPa，试样未出现点火。沿L2线分布的数据点对应应变率22 912 s-1，试样碰撞钢靶、铝靶及LDPE靶的应力分别为883 MPa、759 MPa和368 MPa，观察可知试样撞击钢靶、铝靶时出现点火，而碰撞LDPE靶时未发生点火。沿L3线，相同应变率下，试样撞击钢靶时发生反应，撞击铝靶时未发生反应。以上分析表明，碰撞应力对PTFE/Al活性毁伤材料试样点火行为影响显著。

沿L4线，在相同撞击速度下，试样碰撞钢靶应力为949 MPa。由于试样长度不同，加载应变率变化范围为6 223～24 520 s-1。从图中可以看出，应变率较低时，试样未发生点火，而随着应变率增加，试样发生点火，表明加载应变率对PTFE/Al活性毁伤材料试样点火行为影响显著。

随着加载和试样点火状态变化，坐标平面出现两个点火与未点火数据点混合区，通过两个混合区中心的S1和S2线将坐标平面划分为反应区和未反应区。从图中可以看出，试样发生点火的最低应变率和应力分别为6 500 s-1和735 MPa，即垂直碰撞条件下试样点火的应变率和应力阈值。

PTFE/Al试样垂直和倾斜碰撞钢靶实验结果如图5.45所示。从图中可以看出，相较于垂直碰撞时出现的点火与未点火混合区，倾斜碰撞条件下，试样在更低的应力和应变率下均发生点火，表明更易引发试样点火。垂直碰撞数据点混合区中点为（6 000 s-1，940 MPa），倾斜碰撞点火数据最低点为（5 312 s-1，811 MPa），表明倾斜碰撞下PTFE/Al试样点火阈值更低。(www.xing528.com)

图5.45　碰撞角度对PTFE/AI活性毁伤材料试样点火行为的影响

基于不同长度PTFE/Al活性毁伤材料试样碰撞不同材料、不同角度靶板的实验结果，应力-应变率阈值曲线的拟合过程如图5.46所示，通过所得试样应力及应变率点火阈值，应力-应变率点火模型可通过双曲型方程进行描述。

应力-应变率点火模型的一般形式为

式中，σ和为加载应力和应变率；σT和为冲击点火应力和应变率阈值；A、B为与材料有关的常数。

图5.46　PTFE/AI活性毁伤材料试样应力-应变率阈值曲线的拟合过程

通过对不同碰撞条件下PTFE/Al活性毁伤材料试样数据的拟合，得到双曲型应力-应变率点火模型为

垂直碰撞条件下，σT=735 MPa，=6 500s-1。

倾斜碰撞条件下，σT=546 MPa，=5 300 s-1。