用于压缩和拉伸试验的 Karagozian & Case 模型校准：基于 3,4-二硝基吡唑的熔注炸药

更坚韧的炸药为何重要

现代军队依赖于可像热蜡一样倒入弹壳和弹头并凝固成致密、高能的填充物的熔注炸药。这类材料成本低、效率高，但也可能很脆弱：碰撞、跌落或爆震可能使其开裂，甚至引燃。本文提出了一个与安全直接相关的实用问题：最初为混凝土建立的数学模型，能否帮助我们预测一种新型熔注炸药在真实机械伤害下的表现？

从建筑材料到战场材料

本研究检验的炸药以 3,4-二硝基吡唑（DNP）为基底，并掺混了另一种高能炸药 HMX。尽管炸药与混凝土看似相距甚远，但它们具有相似的关键特性：都易脆、在荷载下开裂，并且在慢压、快冲击或受全向约束时表现不同。工程师们花费数十年完善了能够描述混凝土刚度、开裂及最终失效过程的模型。作者设想，如果可以将这些混凝土模型之一改用于基于 DNP 的炸药，就能为设计者提供一种强有力的新工具，预测弹头在储存、运输和冲击过程中的存活情况，从而避免危险的意外。

将炸药置于试验台

为检验这一思路，研究团队首先在实验室中测量了基于 DNP 的炸药的力学行为。他们铸造成小圆柱和圆盘，并进行了三类试验。在缓慢压缩试验中，万能试验机以两个非常低的加载速度温和压缩样品，揭示材料的刚度及其开始开裂的时刻。在高速压缩试验中，分裂霍普金森压杆发射冲击体以施加快速冲击，模拟炸药在爆震或碰撞中可能遭遇的情况。最后，特殊的“巴西圆盘”试验以间接方式拉裂材料，使研究者能够估算其抗拉强度与断裂韧性——即裂纹易于起始和扩展的程度。三类试验共同描绘出该炸药在广泛加载条件下的详细行为特征。

混凝土模型学会了新技能

有了这些数据，作者转向 Karagozian & Case（K&C）模型，这是一种描述脆性材料在受压、受拉及受约束时响应的精细本构模型。该模型追踪材料如何从初始的弹性阶段（能够恢复）转变，通过微裂纹形成时的强化过程，直到损伤扩展导致的软化与失效。它还考虑了载荷速率增大和全方位压力施加时行为的变化。研究者将测得的 DNP 炸药性质输入模型，并细致调整模型众多内部参数，使其预测的应力—应变曲线与实验曲线一致。他们调整了损伤累积速率、在高加载速率下材料的增刚行为以及其在压缩下的体积响应等项。

洞察材料响应的内部过程

校准完成后，K&C 模型被当作虚拟试验台使用。它准确再现了炸药在更快压缩下变得更强、更刚的现象，在所测试的冲击速度范围内峰值强度误差低于 7%。它也捕捉到了从初始加载、裂纹扩展到最终失效的完整过程。当团队模拟缓慢压缩时，他们对材料体积响应做了细微调整，使模型也能很好地符合准静态试验结果。也许最引人注目的是，在不同侧向约束下的虚拟试验显示炸药的“性格”会改变：在很少或无约束时，它表现出脆性特征，开裂后强度迅速丧失；在较高约束下，它更像延性材料，即使在大应变下仍能保持相当强度，接近几乎理想塑性响应。

对更安全设计的意义

对非专业读者来说，结论是作者成功地将一个验证过的混凝土模型改用于描述一种现代熔注炸药，并达到了现实细节上的一致性。通过匹配慢速与快速试验、拉伸与压缩行为，并捕捉在受压约束下从脆性开裂到类延性行为的转变，K&C 模型成为预测该炸药在实际弹药内部表现的可靠工具。设计者现在可以模拟装药在冲击、碰撞和约束下的响应，而不必完全依赖昂贵且危险的实物试验。从长远看，这类建模可指导更安全的炸药配方、更坚固的弹头结构，以及在任何使用熔注炸药的场景中更准确的风险评估。

引用: Xu, Y., Gao, J., Fu, P. et al. Calibration of the Karagozian & Case model for compression and tensile tests of a 3,4-dinitropyrazole-based melt-cast explosive. Sci Rep 16, 8391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39651-9

关键词: 熔注炸药, 力学行为, 本构建模, 动态载荷, 材料安全