基于表面粘结损伤的复合固体推进剂细观损伤数值模拟

为更准确地模拟固体推进剂的细观损伤,研究复合固体推进剂的非线性力学性能,采用分子动力学方法对高填充比复合固体推进剂细观模型进行建模,验证了Surface-based cohesive方法的可行性,并替代经典粘结单元模拟了复合固体推进剂细观颗粒与基体之间界面损伤的产生和聚合.通过对比固体推进剂细观模型的计算结果,研究了复合固体推进剂颗粒粒径、位置的随机分布对固体推进剂细观损伤及宏观力学性能的影响.结果表明,采用Surface-based cohesive方法对固体推进剂细观模型较易进行有限元前处理,易收敛,计算结果比较合理.     

固体火箭发动机粘接界面湿热老化实验

对固体火箭发动机粘接界面试验件进行了不同湿热条件下的加速老化试验,并测量了不同老化时间粘接界面的扯离强度,描述了湿热老化试验和性能测试中的试验现象,结合复合材料微粘接结构吸湿规律对试验现象和撤离强度随老化时间变化曲线进行了分析.研究结果表明:衬层推进剂粘接界面是固体火箭发动机粘接结构中最薄弱环节,应予以重点考虑;湿热老化促进了环境水分从衬层-推进剂界面向推进剂内部的扩散和渗透,致使弱边界层向推进剂内部扩展,导致了衬层-推进剂界面粘接强度的降低.试验件平均扯离强度随老化时间呈下降趋势,中间有一个强度趋于稳定的平台期.     

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。     

凝聚相界面反应在复合推进剂燃烧过程中的作用

一、引言 复合固体推进剂燃烧表面及亚表面的凝聚相反应通常由氧化剂的热分解反应,有机粘合剂的热分解反应以及氧比剂与粘合剂间的界面反应等三部分所组成。关于凝聚相界面反应及其对推进剂燃烧性能的影响,至今尚未引起有关学者的应有重视。少数学者在应用夹层燃烧器研究复合固体推进剂燃速催比剂的作用部位时,曾发现亚铬酸铜和氧化铁等催化剂能加速氧化剂分解气体与固体粘合剂间的非均相界面放热化学反应,但他们都未能作出定量的评价,文献[1]曾提出了有关复合固体推进剂凝聚相界面反应热的计算公式:     

含初始缺陷的复合固体推进剂力学性能

为研究含初始界面缺陷的复合固体推进剂力学性能,基于周期性假设和分子动力学算法构建复合固体推进剂细观结构模型,在高氯酸铵(ammonium perchlorate,AP)颗粒与端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应。通过相应算法实现对界面缺陷单元的自定义,基于商业有限元软件ABAQUS数值计算存在初始界面缺陷的推进剂的宏观力学响应,其应力-应变云图表明缺陷界面处会更早达到损伤条件发生脱粘,缺陷的存在会加速推进剂的断裂失效的进程。通过对比不同界面缺陷含量的仿真结果,发现界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及抗拉强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势。     

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。     

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

为确定复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤,对复合固体推进剂的细观损伤过程进行数值仿真计算。将数值仿真得到的应力-应变曲线与试验曲线进行对比,建立颗粒脱湿损伤参数的优化目标函数,通过分步迭代计算,对颗粒脱湿损伤参数进行反演识别。结果表明:根据反演参数计算复合固体推进剂细观损伤过程,颗粒夹杂模型表现出的宏观应力-应变关系与试验结果吻合良好,说明双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。     

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚（NEPE）固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征，基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术，对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征，获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征，提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明：同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征，可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现，NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种，一种为颗粒内的孔洞，一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙：在拉伸载荷较小时，推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙；在拉伸载荷较大时，除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿，大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合，最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明，孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加，而球度变化与初始缺陷相关，有初始缺陷时，球度呈现单调减...     

中性聚合物键合剂对硝胺推进剂相界面的作用

采用溶胀比测试和原位拉伸扫描电镜观测等手段,研究中性聚合物键合剂（NPBA）对硝胺填充固体推进剂界面作用的影响。结果表明,NPBA能在硝胺颗粒周围形成一层高模量中间相,有效地解决“脱湿”问题,提高了推进剂的拉伸性能。     

关于复合固体推进剂批次间性能差异的研究——报告之一:混合均匀性问题

不同批次的复合固体推进剂,即使配方和原材料批次相同,其试件的机械性能和燃速也不一定完全相同。本研究力图找出根源。本文是系列研究报告之一,首先从混合实验研究着手,发现推进剂药浆局部区域有明显的组份配比不均匀性和粒子尺寸分布不均匀性,这些不均匀性是试件性能有差异的原因之一。     

高性能有机纤维复合材料及其界面性能

综述了高性能有机纤维复合材料在固体火箭发动机壳体的发展应用及其表面改性方法、界面性能的表征，并用实验数据探讨增强材料、树脂系统及复合材料界面对壳体性能的影响，最后指出应当综合地考虑各方面的影响作用才能达到提高固体火箭发动机高性能有机纤维复合材料壳体性能的最终目的。     

Fabrication of Ti/Al/Mg laminated composites by hot roll bonding and their microstructures and mechanical properties

Ti/Al/Mg laminated composites were successfully fabricated by hot roll bonding. The effects of the rolling reduction on the microstructural evolution and mechanical properties of the composites were explored. The results show that Ti/Al/Mg laminated sheets exhibit good interfacial bonding. The rolling reduction has a significant effect on the deformation inhomogeneity through the thickness of the Al layer. The initial grains of the Al layer near the Ti/Al interface are fragmented into fine equiaxed grains, and the grains at the center and near the Al/Mg interface are elongated. The R-cube shear texture of the Al layer forms near the Ti/Al interface and permeates into the center layer in the samples with greater rolling reductions. The β-fiber rolling texture of the Al layer is observed near the Al/Mg interface and increases with the increase of rolling reduction. The stress–strain curves indicate that the fracture appears first in the Mg layer. With the increasing rolling reduction, the ultimate tensile and yield strength values increase, and the elongation up to the Mg layer fracture decreases.     

Optimal interface surface determination for multi-axis freeform surface machining with both roughing and finishing

In the current practice of multi-axis machining of freeform surfaces, the interface surface between the roughing and finishing process is simply an offset surface of the nominal surface. While there have already been attempts at minimizing the machining time by considering the kinematic capacities of the machine tool and/or the physical constraints such as the cutting force, they all target independently at either the finishing or the roughing process alone and are based on the simple premise of an offset interface surface. Conceivably, since the total machining time should count that of both roughing and finishing process and both of them crucially depend on the interface surface, it is natural to ask if, under the same kinematic capacities and the same physical constraints, there is a nontrivial interface surface whose corresponding total machining time will be the minimum among all the possible (infinite) choices of interface surfaces, and this is the motivation behind the work of this paper. Specifically, with respect to the specific type of iso-planar milling for both roughing and finishing, we present a practical algorithm for determining such an optimal interface surface for an arbitrary freeform surface. While the algorithm is proposed for iso-planar milling, it can be easily adapted to other types of milling strategy such as contour milling. Both computer simulation and physical cutting experiments of the proposed method have convincingly demonstrated its advantages over the traditional simple offset method.     

Review of cylinder block/valve plate interface in axial piston pumps: Theoretical models,experimental investigations,and optimal design

Axial piston pumps have been widely used in aircraft hydraulic systems to supply the system with pressurized fluid. The continuous improvement of the aircraft performance has put forward the demand on aviation piston pumps for high power density, safety, and reliability. The lubricating interfaces in axial piston machines are the key design issue that greatly determines the pump performance and service life. The cylinder block/valve plate interface is one of these critical lubricating interfaces and has received considerable attention from many researchers in the last half century. This study aims to review the state‐of‐the‐art literature on the cylinder block/valve plate interface comprehensively and systematically. First, we introduce various theoretical models developed to investigate the lubrication behaviors of the interface and compare them in terms of their assumptions and limitations. Second, the experimental studies on the cylinder block/valve plate interface are presented comprehensively, where the involved test rigs are divided into three types according to their fidelity levels and measurement functionality. Third, we summarize some typical approaches of structure optimization, surface shaping, and surface strengthening, which help improve the load-carrying and anti-wear capacities of the interface under severe operating conditions. Finally, the challenges and future trends of the cylinder block/valve plate interface research are discussed briefly.     

Tribological performance of hydrogenated diamond-like carbon coating deposited on superelastic 60NiTi alloy for aviation self-lubricating spherical plain bearings

It is imperative to develop a novel matching of metallic substrate and self-lubricating coating for aircraft spherical plain bearing in a wide range of service conditions. As a new type of superelastic material, 60NiTi alloy meets the performance requirements of aerospace bearing materials, but exhibits poor tribological performance, especially under the conditions of dry sliding friction. A Hydrogenated Diamond-Like Carbon (H-DLC) coating was deposited on the 60NiTi alloy to improve its tribological performance. The microstructure and mechanical behavior of the 60NiTi alloy and its H-DLC coating were explored. Results show that improvement of friction and wear performance of the H-DLC coating deposited on the 60NiTi substrate is mainly achieved by graphitization at the friction interface and the transfer film produced on the counterpart ball. The increased friction load leads to intensification of graphitization at the friction interface and formation of continuous and compact transfer film on the surface of the counterpart ball.     

高性能铝基复合材料的颗粒分布及界面结合

采用常规粉末冶金和高能球磨粉末冶金法制备了B4Cp/Al复合材料，研究了B4C颗粒分布与界面结合特点、形成机制以及对材料性能的影响。结果表明，17％（体积分数）B4Cp/6061Al复合材料的屈服和抗拉强度分别为415MPa和470MPa，比常规粉末冶金复合材料分别提高了69％和70％。微观分析表明，高能球磨粉末冶金复合材料中B4C颗粒均匀分布、颗粒与基体之间存在近百纳米厚度的界面层，界面层由呈带状且有序分布的微细铝晶粒和弥散分布的纳米颗粒组成。高能球磨过程中，铝粉末在钢球表面形成冷焊层，B4C不断被挤入而均匀化是实现颗粒均匀分布的主要机制；球磨过程中铝粉末表面氧化层破碎暴露出新鲜铝表面且与镶嵌与铝粉末中的B4C颗粒形成界面结合是获得良好界面结合复合材料的重要条件     

表面粗糙度对冰冻黏强度影响试验研究

为改进飞机防冰技术和科学合理除冰,对冰和材料表面的冻黏强度进行研究。通过分析冻黏形成机理的和界面受力状态发现,冻黏强度受结冰环境和材料特性2大类因素影响,其中环境温度和材料表面粗糙度变化可引起冻黏界面状态改变,对冻黏强度的影响是非线性或非单调变化的,对此尚难以建立合适的理论预测模型。通过试验测试研究和分析了在不同温度和不同表面粗糙度下冰与常用金属铝、铜之间的冻黏强度。试验研究结果有助于认识冻黏机理和改进防/除冰技术,对于采取合适的表面加工技术以降低表面冻黏强度具有指导意义。     

提高芳纶纤维强度转化率的研究

从树脂基体、纤维表面处理、缠绕张力、树脂含量四个方面，研究了提高芳纶纤维强度转化率的方法。结果表明：基体性能对纤维强度转化率影响较大；表面处理可以改善界面性能；缠绕张力及树脂含量最佳取值范围则需通过实验确定。     

一维和二维电热除冰相变传热特性的参数影响分析

基于飞机电热除冰过程冰层融化的特征,开展了一维和二维电热除冰相变传热特性数值计算研究和参数影响分析,重点考虑了加热模式、冷却时间、加热功率和加热单元间隔等参数对冰层相变传热的影响。采用了基于焓-多孔介质方法的热焓模型,将计算区域看作是包括多层材料和冰、水及其混合区的多孔介质,采用了结构化网格拓扑结构对计算区域进行划分,采用了有限体积方法对控制方程组进行离散,采用线性插值的方法获得混合区的物性参数,耦合能量方程和液态水体积分数公式,迭代求解了计算域的温度分布,获得了不同材料间界面温度的变化,重点分析了冰-保护层界面的温度变化。基于二维电热除冰模型的冰-保护层界面温度不均匀特征,提出了耦合考虑冰-保护层界面热点和冷点温度的冰脱落温度判断准则。研究表明:高功率的周期性加热模式要优于低功率的连续性加热模式,采用合理的冷却时间和加热功率,可获得更低的能量消耗和更好的除冰效果。合理设置加热单元间隔可以提高周期性的除冰效率,但也会形成冷点和热点,造成冰-保护层界面温度分布的不均匀。冰-保护层界面的冷点类似于锚点,即使此刻热点的冰已经融化,整个冰层也无法脱落和剥离。因此,冰脱落的判断要耦合考虑界面热点和冷点的温度特征。      

激光点焊工艺参数对止推箔片轴承接头组织与性能的影响

止推箔片轴承是航空陀螺仪中的重要支撑元件,为了提高支承面的耐磨性及耐腐蚀性,通常会在支承面涂覆特氟龙涂层,该涂层的添加给后续的制造工艺带来不确定性。研究激光点焊工艺参数对止推箔片轴承接头组织与性能的影响,利用光学显微镜、扫描电镜、电子精密拉伸仪、超声检测等分析方法,对焊缝表面成形、接头显微组织及力学性能进行分析。结果表明:焊点表面直径随脉冲功率的增加而增大,而抗拉剪力随热输入量的增加先增大后减小;激光点焊制造的优化工艺参数为脉冲功率百分比22%、脉冲宽度5.0ms,抗拉剪力达最大值63.0N;超声波浸液检测能够精确测定搭接界面的尺寸,但抗拉剪力与界面尺寸不完全成正比关系,接头的抗拉剪力主要与接头的断裂机制有关。