引 言

PBX炸药具有良好的力学性能，在常规武器战斗部中得到广泛应用[1]。战斗部装填PBX炸药，炸药装药处于弹体的约束条件下，在发射、穿甲、钻地等攻击目标时要承受加载速率较高的动态载荷作用[2]，可能导致炸药装药产生裂纹、破碎，甚至意外点火，进而直接影响战斗部的抗过载安定性、引战匹配可靠性及对目标的毁伤能力。因此，对炸药装药在复杂应力作用下的动态力学行为进行研究十分必要。

霍普金森压杆(SHPB)实验技术在材料动态力学性能研究领域得到广泛应用。吴会民、陈荣、蓝林钢、屈可朋等[3-6]采用SHPB研究了PBX炸药的动态力学性能。胡时胜[7]认为界面处压杆与试件的横向运动不同，产生摩擦力破坏了试件的一维应力状态。Briscoe等[8]认为摩擦效应可导致流动应力显著增长；Hartley等[9]认为摩擦效应导致的误差为2%～3%；Warren等[10]研究了动态加载过程中的径向惯性效应，建立了一种实验模型，结果表明对于软材料径向效应非常重要；Klepaczko等[11]提出了一种简化的模型来分析快速压缩过程中的摩擦效应，结果表明动态摩擦系数高于静态实验结果；卢芳云、王晓燕等[12-14]研究表明，应力—应变曲线受到试样与压杆间摩擦的影响，材料泊松比等参数是主要影响因素。

上述研究均认为泊松比是造成端面摩擦效应的主要因素之一，然而在使用泊松比时，一般特指弹性范围内，横向应变与轴向应变比值的绝对值(通过材料实验机获得)，适用于小变形，泊松比的数值变化比较小，可看做定值。实际中，弹体高速(毫秒量级)侵彻靶板，装药因变形时间太短，不经历弹性阶段，显示脆性，此时的横向应变与轴向应变比值随着外部加载条件的变化而变化，并非定值，在动态加载过程中，采用动态泊松比进行评价更为准确。而在SHPB实验中，摩擦效应对炸药动态力学性能的影响却鲜见报道。

本研究选取某浇注PBX炸药，采用套筒对试样进行围压约束，考虑摩擦力，建立了摩擦系数的修正方法，并采用SHPB压杆研究摩擦效应对炸药动态泊松比、动态杨氏模量等动态力学性能参量的影响，为炸药力学性能的数值模拟计算工作提供准确数据，为其他炸药的力学性能研究提供技术支撑。

1 计算模型

1.1 样 品

浇注PBX炸药主要由黏合剂(端羟基聚二丁烯，黎明化工研究院提供)、RDX(II类，甘肃银光化学工业集团有限公司提供)、铝粉(平均粒径13μm，中国铝业股份有限公司西北铝加工分公司提供)组成，三者质量比为10∶70∶20，试样为Φ16mm×6mm的圆柱形，端面平整，无可见缺陷，采用专用模具压制而成，密度约为1.80g/cm3。由于PBX炸药黏合剂含量较多，制备的样品较软(低模量、低强度)，应力信号微弱，易导致所测信号与真实信号的误差变大，同时也难以保证试样中的力平衡，采用铝杆作为输入杆和输出杆，结合入射波整形技术，提高信号的信噪比及保证试样中的应力平衡。SHPB压杆直径为16mm，材质为LY12铝。围压实验所用套筒材质为LY12硬铝，其内、外径分别为16和36mm，高度为20mm。波形整形器粘贴于入射杆的撞击端，尺寸为Φ10mm×2mm，材质为铜。

因套筒与样品材质不同，接触面极易产生摩擦力，基于此考虑，在试样外表面涂润滑油，对套筒内壁进行抛光处理，保证试样与套筒间的动配合。

1.2 SHPB加载原理及数据特征

SHPB装置包含子弹、输入杆和输出杆，试样夹在输入杆与输出杆之间，如图1所示。高压气室释放压力，子弹以一定速度撞击输入杆时，输入杆获得弹性应力脉冲。入射波通过输入杆传给试样，试样被压缩变形。由于压杆与试样阻抗的不同，交界面处会发生波的反射和透射。反射波返回输入杆，透射波进入输出杆，借助于输入杆和输出杆上粘贴的应变片、超动态应变仪和数据采集处理系统等，试样的变形信息以电信号方式被测量并记录。典型的SHPB原始信号如图2所示。

图1 霍普金森压杆实验示意图Fig.1 Schematic diagram of SHPB test

图2 SHPB原始信号图Fig.2 Original signals of SHPB

试样上的应力、应变及应变率[15]通过公式(1)～(3)计算:

式中：ls为试样初始长度；c0为杆中弹性波波速；E为实验杆的弹性模量；As、A分别为试样和实验杆横截面积；εR、εT分别为反射和透射应变。

实验所获得的轴向应力-轴向应变关系(以应变率1600s-1为例)如图3所示。

图3 试样在1600s-1应变率下的应力-应变曲线 Fig.3 Curve of stress vs. strain of specimen under 1600s-1