基于细观模型的复合推进剂宏观松弛行为

采用随机算法生成了指定体积分数的复合固体推进剂细观分析模型。通过有限元方法及对细观场量的均匀化处理,对复合固体推进剂不同随机分布、颗粒尺寸分布及在不同应变水平下的力学响应进行了数值模拟,研究了颗粒分布随机性及颗粒大小对推进剂松弛性能的影响,并预测推进剂在宏观上的松弛行为。类比于时间温度等效原理,建立了复合推进剂时间-应变等效,并通过该原理将各应变水平松弛曲线沿时间轴平移,得到复合推进剂的预测松弛模量主曲线,预测结果与试验结果吻合较好。通过该方法生成的细观分析模型,可直观描述细观结构损伤对推进剂松弛力学性能的影响,并可在一定程度上预测不同配比方案复合推进剂的宏观松弛行为,对复合固体推进剂的配方设计及固体火箭发动机装药设计具有一定的指导意义。     

推进剂松弛模量主曲线及W.L.F.方程参数的拟合处理

依照最小二乘法原理，提出了由试验数据拟合出推进剂松弛模量主曲线及W．L．F．方程中参数的方法，建立了统一的松弛模量主曲线拟合模型。讨论了QJ2487-93《复合固体推进剂单向拉伸应力松弛模量及主曲线测定方法》标准中所提出的方法，对有关方法进行了对比。文中提出的方法有待于在进一步应用中检验。     

用内压降压试验和埋入式传感器测定固体推进剂的有效模量

赫克力斯(Hercules)公司研制了一种无损试验方法,用埋入式应力传感器系统测定全尺寸老化试验发动机的推进剂模量。该方案包括两项实验计划,一项为标定试样试验;另一项为全尺寸发动机试验。第一项计划用来确定传感器响应和推进剂模量间的关系。其方法是将三种型号的赫克力斯传感器预埋在已知拉伸模量值的推进剂中制成标定试样,进行定水压试验和高速降压试验。根据试验数据作出定压载荷下三种型号传感器响应和推进剂模量的关系曲线。然后根据降压试验数据和定压试验结果提出一项确定标定试样模量的程序。第二项计划采用一台三叉戟-Ⅰ第三级老化试验发动机,发动机绝热层粘贴有几个赫克力斯传感器,采用标定试样所用的低定压试验和快速降压试验方法,根据埋入传感器的响应确定发动机推进剂的模量。实测推进剂模量值和从应力松弛模量主曲线算出的值相当接近。     

由应力松弛试验数据确定松弛模量和蠕变柔量

用粘弹性有限元法计算药柱应力需要给出推进剂的松弛模量和蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级精有达式，利用应力松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数模式，通过最小二乘法对由试验求得的应力松弛模量－时间曲线进行拟合，求出松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数中系数和指数，再利用蠕变柔量与松弛模量的关系式，求得蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级数中的系数和指数，以此计算药柱的应力。     

NEPE推进剂用HTPB衬层老化研究(Ⅱ)——化学参量表征老化效应的应力松弛模型

为了研究NEPE推进剂环境下HTPB衬层老化对松弛模量的影响,从75℃老化不同时间的NEPE推进剂/HTPB衬层粘接试件中取得衬层试样,进行了不同温度下衬层的拉伸应力松弛测试,并获得了相应的凝胶分数测试数据。根据时-温等效原理将不同老化时间的衬层的松弛模量数据制作成松弛模量主曲线,并分别用Prony级数进行拟合。结果显示,老化对松弛模量的弹性部分有显著影响,对粘性部分影响很小。忽略老化对粘性部分的影响,建立了含老化效应的衬层应力松弛模型。建立了修正的弹性模量-凝胶分数关系模型,并根据衬层实验数据验证了该模型。结合上述2个模型,得到了化学参量表征老化效应的衬层应力松弛模型。对该模型的应用进行了讨论,发现外推至常温,应力松弛与老化在不同的时间尺度起作用,松弛模量可用分段函数描述。     

一种利用动态模量主曲线估算抗拉强度主曲线的方法

为获得抗拉强度主曲线,基于动态储能模量主曲线、应力松弛模量主曲线和Griffith方程,建立了固体推进剂动态和静态单向拉伸力学性能之间量化关系,即考虑温度折算后,推进剂抗拉强度之比等于动态模量相应变换后的均方根之比。依据这种关系,可从动态模量主曲线估算出推进剂在任意温度和拉速下的应力值,进而绘制成抗拉强度主曲线。将计算值与实测值进行对比,结果较一致。利用所得抗拉强度主曲线,可推广用于评估推进剂药柱是否具备承受点火冲击的力学性能。     

常应变率下某固体推进剂非线性粘弹性本构关系研究

以工程可应用性和简单性为目的,开展某固体推进剂非线性粘弹性本构关系研究。首先从积分型线性粘弹性本构关系出发,通过松弛实验获得了某固体推进剂材料的松弛模量,建立了线性粘弹性本构关系。再引入随应变率变化的非线性松弛模量(含非线性弹簧和非线性粘壶)概念,建立了考虑应变率效应的积分型非线性粘弹性本构关系。最后,借助于常应变率拉伸实验曲线,提出参数识别策略,得到了三参数的非线性松弛模量。多种常应变率拉伸实验结果表明,所建立的非线性粘弹性本构关系不但与线性粘弹性本构关系具有很好的衔接性,而且因只含有3个物理意义明确的材料参数,极易于工程应用。     

筒状大长度固体药柱在内压载荷下的响应

本文研究不可压缩的粘弹性圆筒，在轴对称的平面应变条件下承受内压的问题，粘弹性材料采用分数阶导数模型。并用分数阶导数模型拟合固体推进剂松弛模量曲线，用Ｌａｐｌａｃｅ变换和其反变换计算了固体火箭发动机筒段在点火内压建立过程中的位移和应力，得到它们随位置和时间变化的曲线。     

考虑应变率和温度响应的少烟NEPE推进剂粘弹性本构模型

为研究少烟NEPE推进剂力学性能的应变率及温度相关性,使用万能材料试验机分别在不同应变率(4.17×10-4～4.17×10-1s-1)和温度(-40～50℃)下测试了推进剂的力学性能,建立了考虑应变率和温度响应的本构模型。结果表明,少烟NEPE推进剂具有应变率硬化特性,其拉伸应力与对数应变率呈线性关系;降低温度使推进剂的定伸应力和模量增大,升温则相反。结合少烟NEPE推进剂的线性对数应变率效应和温度变化特性,建立了粘弹性本构模型,该模型用多蠕变模式与非线性弹簧的组合来反映力学性能的率相关性,用率相关模型与温度函数的乘积形式来描述力学性能的温度相关性。模型预测与实验曲线对比表明,所建模型在实验温度、应变率、0.1～1.0应变范围内预测的准确性较好,其百分误差小于24%。     

固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法研究

为评估持久应变载荷下固体推进剂装药在贮存过程中的结构完整性,采用定应变断裂和热力耦合加速老化相结合的试验方法,获得了宽应变区域内固体推进剂松弛破坏时间模型,联合装药在长期贮存/低温应力加速状态下危险部位的最大持久应变,计算出装药的低温应力加速系数和等效加速试验时间,确定了其在长期贮存和低温应力加速状态的等效关系,在此基础上建立了固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法。采用此方法,开展了NEPE推进剂■200 mm圆管发动机装药的低温应力等效加速试验,试验温度为-48℃,试验时间分别为365 d和517 d,试验后装药均保持结构完整。结果表明,仅考虑机械应力情况下装药贮存12 a和17 a后结构完整,已应用于某型号固体推进剂发动机装药寿命评估、定寿和延寿。     

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度。结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响。分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因。     

HTPB复合固体推进剂粘弹性应变能及非线性本构模型

为了准确表征HTPB复合固体推进剂在有限变形条件下的力学性能,针对推进剂粘弹性应变能及本构模型进行研究。提出了推进剂粘弹性应变能函数和非线性本构方程的一般形式,并通过一元非线性回归方法拟合不同应变率下的拉伸试验数据,得到了材料参数关于应变率的函数,并由此建立了推进剂单轴拉伸变形下的应变能函数和本构方程,预测了不同应变率下的应力曲线,与试验结果和已有模型的预测结果进行了对比。结果表明,材料参数与应变率之间呈现幂函数关系;推进剂应变能密度随变形量的增大呈非线性单调增长,同一变形条件下,应变率越高,推进剂的应变能密度越大;本构方程可准确描述推进剂拉伸变形的应力应变关系,且尤其适用于表征低应变率下,材料在有限变形内的粘弹特性。     

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。     

固体推进剂的非线性结构模型

在大多数固体推进剂特性的线性和非线性理论中,一个主要的缺陷在于忽略了内部损伤。对于那些已引出损伤参数的非线性理论,数值常数与推进剂的物理性质无关。而且,这些理论具有如此复杂的性质以至于要完成一个庞大的实验测试程序。已经提出了一个表示固体推进剂性质的简单方法。这个方法以一个基本定律为基础,该定律用一个应力衰减函数修正粘弹表达式。根据单轴试验数据,可用衰减函数表示推进剂的非线性性质。在卸载期损伤的表达式中,这个方法比过去的方法显示出重大的改进。分别定义松弛和再加载为过去最大应力的正态函数。利用这种方法对复杂的过程进行了预测,而且实测应力与预测应力很接近。     

HTPB推进剂温度及率效应的累积损伤模型研究

为揭示机械载荷作用下HTPB推进剂的力学性能变化规律和破坏机理,利用单轴拉伸法研究了温度及应变率对HTPB推进剂力学性能的影响。运用单轴拉伸方法,研究了5组不同应变率(0. 000 333～0. 167 s-1)和不同环境温度(-50～35℃)下HTPB推进剂的恒速率单轴拉伸破坏试验。通过试验数据获取损伤模型参数,并最终建立了含应变率和温度因子的累积损伤模型。利用建立的累积损伤模型来预测HTPB推进剂在特定温度及应变率(0.000 333～0.167 s-1)条件下的失效情况,计算结果与试验结果吻合较好。此累积损伤模型可为固体推进剂装药结构完整性分析方法和HTPB推进剂损伤和破坏研究提供一定依据。     

HTPB推进剂力学性能散布与确定变量相关性研究

针对复合固体推进剂力学性能存在散布的问题,通过方差分析试验,研究了松弛模量和泊松比的散布与确定变量之间的相关性。建立了力学性能散布的方差分析模型,分析了散布的变化规律,并对导致变化的原因进行了讨论。结果表明,松弛模量的散布受温度和载荷作用时间影响显著;泊松比的散布在不同的应变阶段差异较大,结构损伤的不确定性是导致泊松比散布变大的主要原因;玻璃化转变及结构失效会引起力学性能的很大散布。     

基于粘弹性VCFEM的复合固体推进剂等效松弛模量预示方法研究

复合固体推进剂松弛模量一定程度上决定了固体发动机的结构完整性和贮存寿命,为获得推进剂组分材料参数、夹杂相质量分数、级配的质量分布和粒径比等细观特征参数对等效松弛模量的影响规律,基于Prony级数粘弹性本构模型在时域内的离散形式,推导了含夹杂相粘弹性VCFEM(Voronoi单元有限元方法)的有限元列式,结合二分法提出了推进剂等效松弛模量预示方法,采用随机抽样的方式完成了不同细观特征参数下推进剂等效松弛模量的影响分析。结果表明,夹杂相的组分材料参数和颗粒级配对等效模量的影响较小,在给定的参数变化范围内,结果的变化幅度小于10%,而基体相模量和夹杂相质量分数对等效松弛模量的影响非常显著,分别呈现线性增长和加速增长的趋势。     

固体推进剂体积形变实验研究

介绍和分析了自行研制的非接触测量体积形变测试系统。采用该系统测出了固体推进剂在不同温度下的体积松弛模量和体积蠕变柔量,并给出了相应的体积模量主曲线的数学表达式.该结果对药柱结构完整性分析、配方工艺研究和使用寿命预估均有实用意义。     

一种求解固体推进剂粘弹性参数的通用数值积分法

根据粘弹性理论,用拉氏逆变换推导出了由拉伸松弛模量E(t)和体积松弛模量K(t)求固体推进剂剪切松弛模量G(t)的一种积分方程式,并用迭代和数值积分法给出了求解G(t)的数值积分算法。算例表明,该法简单实用,便于用ANSYS等软件进行粘弹分析时输入参数的确定。经比较,可将此源于梯形积分公式的数值积分算法作为一种求解固体推进剂粘弹性参数的通用数值积分法。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。