含二相粒子非线性粘弹性聚合物材料界面脱粘研究

研究了含二相粒子聚合物材料中粒子界面脱粘问题。首先提出了三维应力状态下具有非线性粘性效应的聚合物基体材料的本构关系;其次,对无限大聚合物基体中粒子-基体界面脱粘问题进行了分析,导出了求解界面脱粘临界时间的方程,并且给出了常应变条件下界面脱粘时间表达式;最后通过数值计算,讨论了界面脱粘临界时间的影响因素。计算结果表明:粒子尺度、加载速率、界面粘结能和非线性粘性参数对界面脱粘时间有重要的影响。     

脱粘引起的燃面变化及其对发动机性能的影响

分析了推进剂药柱与衬层界面脱粘在不扩展条件下的燃面变化,并对相应的燃面面积进行了计算;通过对存在药柱与衬层界面脱粘发动机的内弹道仿真,得到了关于在脱粘面不扩展条件下不同脱粘部位和脱粘尺寸对发动机工作过程影响的一些结论.     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

基于细观力学的复合固体推进剂模量预估方法

应用分子动力学方法得到了复合固体推进剂颗粒在基体内随机分布的填充模型。针对推进剂所含颗粒大小不同,采用细观力学有限元法和Mori-Tanaka分析法相结合的方法计算了推进剂的模量,计算所得模量与不同颗粒体积分数推进剂的单向拉伸试验结果比较吻合。此外,该方法可以获得推进剂细观结构应力,从而为推进剂的细观损伤分析奠定基础。     

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

固体火箭装药包复层脱粘问题的分析

本文应用了二维轴对称弹性有限元分析方法计算了常见的三种火箭装药结构,因热载荷及火箭发动机工作内压力作用引起的脱粘主应力(发生在人工脱粘端点处包复层与推进剂药柱的相粘接的界面上),对比分析了火箭装药的外界载荷、人工脱粘结构形式及火箭装药的几何参数等对脱粘的影响。另外,对于预防火箭装药包复层的脱粘问题做了一些分析讨论。     

燃烧条件下影响推进剂脱粘面扩展的因素

研究了固体火箭发动机推进剂与包覆层界面脱粘在燃烧条件下扩展的影响因素。对含有预制脱粘面的试件进行了大量的燃烧试验，用X射线实时成像系统记录了燃烧过程；根据组成试件的不同材料特性，分别用粘弹性和线弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态，并利用修正后J积分法对脱粘面扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、脱粘面尺寸、边界条件等因素对脱粘面扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定参考价值。     

热障涂层界面脱粘缺陷的脉冲红外热成像检测

针对热障涂层界面脱粘缺陷的无损检测问题，首先制备了一种导热过程更加接近真实缺陷，且尺寸可控的人工模拟脱粘缺陷试样；在此基础上，采用脉冲红外热成像检测技术对人工脱粘缺陷进行检测，分析了涂层界面脱粘区和非脱粘区的表面温度瞬态响应过程；以图像标准差（SD）和归一化对比度（NC）作为评价标准，定量对比了脉冲相位法、主成分分析和表面热信号重构3种典型的热图重构方法在脱粘缺陷识别中的作用。结果表明，对400 μm厚的YSZ热障涂层，原始热图中可识别最小直径为4 mm的脱粘缺陷，而3种重构热图中均可识别最小直径为2 mm的界面脱粘缺陷，3种重构算法均显著提高了界面脱粘缺陷的识别能力，其中以表面热信号重构算法对图像的噪声抑制能力最强。     

三维坑湍流分离流动的粘流／无粘流干扰计算

本文对坑的三维分离流动做了低速粘流与无粘流的相互作用计算。对三维边界层反方法进行了分析和讨论。用数值试验的方法验证了在H和α作为已知量的情况下,三维边界层反方法的积分方程是双曲型的,并提出了一种近似数值特征线法进行求解。无粘流采用低速位流面元法。计算表明所用方法可计算出三维效应很强(即横向变化很大)的三维边界层分离流动。     

基于原位拉伸的推进剂/衬层界面力学性能研究

为了解释某种HTPB复合固体推进剂/衬层粘接试件载荷-位移曲线的"双峰"特征,设计了一种基于推进剂/衬层微型试件的原位拉伸试验方法,根据界面细观破坏形态与载荷变化过程,提出了界面处颗粒脱湿及基体断裂过程分别对应两个载荷峰的假设。采用改进的并联Maxwell元件模型对界面断裂行为进行了模拟计算,重现了断裂过程的载荷-位移曲线的"双峰"特征,验证了假设的合理性。通过模拟计算实测曲线,给出了推进剂基体与颗粒之间的近似粘接强度等参数,为推进剂/衬层粘接系统细观材料参数计算方法提供了一种参考。     

基于细观颗粒夹杂模型的复合固体推进剂松弛模量预测

为更准确地预测不同固体颗粒体积分数的复合固体推进剂的松弛模量,采用了分子动力学方法对不同体积分数的复合固体推进剂细观模型进行建模.根据有限元理论及细观力学均匀化方法,计算在定应变工况下复合固体推进剂细观模型的平均应力随时间的变化,从而有效地预测复合固体推进剂的松弛模量.该方法有效地体现了随填充颗粒体积分数的增大,复合固体推进剂瞬时模量逐渐增大的变化规律及颗粒随机分布对复合固体推进剂瞬时模量的影响.将其应用到复合固体推进剂的设计过程中,可有效降低设计成本,缩短设计周期.      

Structural assessment of a solid propellant rocket motor: Effects of aging and damage

The aim of this study is to perform structural analysis of a solid propellant rocket motor using the finite element method and to determine the effects of aging on the analysis results. Thermal and pressure loadings occurring during the shipping, storing and firing are considered to be the most critical in determining long-term behavior of the motor. Stress and strain distribution in the rocket motor under these loading conditions are determined. Maximum hoop strain at the surface of the propellant and bond stresses at the interface between the liner and the insulator are evaluated as indicators of cracking in the propellant grain and debonding at the liner–insulator interface. The analyses are performed for both unaged and aged propellants. The results can be used to estimate the service life of the motor.     

复合固体推进剂细观结构建模及脱黏过程数值模拟

为研究复合固体推进剂损伤演化规律,基于分子动力学颗粒填充算法构建了HTPB(hydroxyl terminated polybutadiene)推进剂细观结构模型,通过在AP(ammonium perchlorate)颗粒/HTPB基体界面处引入黏接接触替代传统的黏接单元,并基于Hooke Jeeves的参数优化算法反演得到颗粒/基体界面处内聚力模型参数,利用双线性和自定义指数型损伤内聚力模型模拟了AP颗粒和HTPB基体黏接界面处损伤的萌生、发展、聚合直至宏观裂纹破坏的过程。通过数值仿真与实验结果对比发现,指数型损伤内聚力模型比双线性模型能更准确描述推进剂单轴拉伸过程中颗粒与HTPB基体界面间脱黏过程。最后对比了多阶段加载实验结果与仿真结果曲线,发现两者变化趋势基本一致,最大偏差仅为10%,验证了所建细观模型的可靠性及反演所得界面参数的准确性。      

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

复合固体推进剂细观损伤扫描电镜实验及数值模拟

对复合固体推进剂进行单向拉伸载荷条件下的原位扫描电镜观察实验,分析其受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。基于原位电镜图片,运用数字图像处理技术提取推进剂细观形貌,建立了推进剂椭圆形颗粒填充模型,对受载条件下颗粒与基体之间的脱粘行为进行数值模拟。研究表明,数值分析结果能反映推进剂受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。     

固体推进剂药柱不确定结构分析及方法比较

针对复合固体推进剂力学性能参数的不确定性对固体火箭发动机药柱结构分析的影响,使用软件ANSYS parametric design language(APDL)建立了受固化降温载荷和压力载荷联合作用下药柱结构的参数化有限元模型.在此基础上,分别应用蒙特卡洛法和响应面法,研究了复合固体推进剂热膨胀系数与初始泊松比的随机分布对药柱结构有限元分析的影响,并对两种方法得到的概率分析结果进行了对比.结果表明:复合推进剂热膨胀系数和初始泊松比微小的变化会对结构分析结果产生较大的影响;药柱结构响应对初始泊松比更为敏感.在药柱结构有限元分析时考虑推进剂力学性能参数的不确定性十分必要.通过对两种不确定结构分析方法的比较发现,响应面法得到的分析结果与蒙特卡洛法得到的分析结果十分接近,且分析效率远高于蒙特卡洛法.      

摇摆载荷作用下舰载固体火箭发动机药柱疲劳损伤

以某固体火箭发动机为例,建立了摇摆载荷作用下发动机药柱的疲劳损伤评估方法.首先,通过推进剂定应力往复拉伸试验获得了复合固体推进剂的疲劳损伤特性;其次,运用有限元分析方法得到了发动机危险部位的应力谱;最后,运用雨流计数法和Miner线性累积损伤理论对发动机危险部位的损伤进行了评估.结果表明,发动机装药危险部位一年时间由于舰船摇摆载荷所造成的损伤为0.0855.