微爆索爆炸切割航空有机玻璃机理的研究及其应用

有机玻璃（简称PMMA）作为聚酯类高分子在航天航空器材方面获得了广泛的应用，如战斗机驾驶舱盖、太空飞船载人舱的密封盖和潜艇水下发射导弹的水密舱盖。根据使用功能的需要，在特殊条件下，需对这类非金属材料进行精确爆炸切割。本项目以改善现有军用飞机弹射救系统性能为需求，提出微爆索精确爆炸切割PMMA的分析方法。基于申请人已取得微爆索爆炸切割PMMA平板实验结果，研究温度、PMMA平板尺寸和边界条件对切割效果的影响。应用爆炸冲击波传播机理建立分析微爆索切割PMMA平板的理论模型，给出层裂切割深度的计算公式。考虑应变率和温度效应，基于SHPB技术，建立PMMA的非线性粘弹性本构关系，开发相应的子程序并嵌入LS-DYNA3D。建立模拟爆炸切割PMMA平板和舱盖透明件的计算模型，将元件的实验结果推广到真实舱盖实验。最后，提出微爆索在舱盖表面上多种敷设方案并进行优化，为弹射救生系统的优化设计和研制提供依据。

为改善飞机穿盖弹射救生系统的性能，提出了微爆索爆炸切割航空PMMA技术。本研究通过系统的实验研究、数值模拟和理论分析，开展了PMMA在不同温度和不同应变率下的压缩试验，建立了修正的多Maxwell粘弹性模型，结果表明修正的多Maxwell模型拟合效果最好。但实际应用中，ZWT模型更灵活简便，而修正多Maxwell模型更准确。同时从机理上分析了PMMA的定向拉伸对其屈服行为的影响，修正了Ree-Eyring屈服模型与Cooperative屈服模型。. 开展了PMMA在不同加载率下的压剪复合实验研究，给出了PMMA在正应力-剪应力平面内的失效轨迹，实验结果与理论分析吻合较好。. 完成了PMMA板的温度、长度和边界约束对其接触爆炸切割效果影响的实验研究，一定范围内的温度和长度变化对PMMA板的切割深度和破坏宽度的影响不超过5%，认为温度和尺寸变化变化对其切割效果的影响甚微，在舱盖真实件实验中可以不考虑温度和尺寸的影响。. 应用爆炸动力学和应力波理论，建立了条状炸药接触爆炸切割PMMA板的理论分析模型，获得了作用于PMMA不同区域的冲击载荷表达式，分析了入射压缩波与反射卸载波沿PMMA厚度方向传播和相互作用过程，得到了PMMA板材切割深度的计算公式。. 建立了人/椅弹射救生系统穿盖过程的解耦计算模型，分析了微爆索在舱盖表面的敷设方案和药量对飞行员头部和脊柱抗冲击损伤的影响。模拟结果表明，对于所研究的药量范围和敷设方案，飞行员头部惯性力、DRI还是耐受时间均未达到人体头部和脊柱受伤的极限值。. 初步开展了PMMA板在大气中TNT爆炸作用下破坏模式和裂纹形成的实验研究，发现其破坏模式与接触爆炸不同，同时也获得了药量一定时，PMMA板的临界安全距离。. 此外，建立了考虑两种增塑剂和三种不同立构PMMA的分子模型, 应用分子动力学基本原理研究了增塑剂和高分子构型对其玻璃态转变温度（Tg）和力学参数(弹性模量、剪切模量和体积模量)的影响规律。. 为了拓宽研究内容，开展了泡沫铝的动态压缩行为和热力特性研究，获得了泡沫铝的动态失效模式与加载速率和相对密度之间的关系。同时也获得了泡沫铝的表观导热系数与其相对密度、不规则度和厚度不均匀度之间的关系。