具有应变梯度的复合推进剂药柱裂纹扩展特性研究

对具有应变梯度、填充密度大的复合推进剂中的裂纹扩展特性,研究考虑了两种初始裂纹长度,采用中心裂纹的楔形片状试样,在室温、恒定应变速率下进行了试验研究.利用试验数据分析计算了瞬时应力强度因子K_I和裂纹扩展速率da/dt.研究了正割法、修正的正割法、样条拟合法和全多项式法四种数据处理方法及测量裂纹长度时间间隔对??计算精度的影响.还研究了初始裂纹长度、非均匀总应变场和数据处理方法对裂纹扩展特性的影响.确定了K_I和??之间的函数关系.     

HTPB推进剂低温裂纹扩展特性试验研究

使用中间穿透型平板裂纹试件开展不同温度下Ⅰ-型裂纹扩展试验,研究了温度对HTPB推进剂裂纹扩展特性的影响。使用改进割线法计算了不同温度下推进剂的裂纹扩展速率,得到了其裂纹扩展阻力曲线,并对裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子进行了回归分析。研究结果表明,在低温下推进剂的裂纹扩展速率比常温时要大,温度越低,裂纹开始扩展的时间越短。不同温度下推进剂的裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子都满足幂函数关系。     

固体推进剂裂纹扩展研究综述

介绍国内外关于固体推进剂裂纹扩展的研究现状,总结固体推进剂裂纹扩展的试验研究和理论分析方法,归纳影响固体推进剂裂纹扩展的各种因素。分析认为:采用拉伸装置研究有裂纹推进剂力学性能和利用高速摄影系统研究裂纹燃烧和扩展情况是当前主要的研究手段;发动机燃烧室内压力、升压速率、裂纹形状尺寸和推进剂燃速是装药裂纹扩展的重要因素;必须进一步开展各因素和裂纹扩展的定量关系研究。     

固体推进剂断裂韧性试验方法研究

利用声发射试验系统和CT试样，对HTPB推进剂I型裂纹断裂韧性进行实验研究。通过研究复合固体推进剂的声发射事件特性和裂纹扩展特性的关系，得到一种由振铃计数确定临界载荷的方法，该方法能准确求得断裂韧性。     

固体推进剂断裂韧性试验方法研究

利用声发射试验系统和CT试样,对HTPB推进剂Ⅰ型裂纹断裂韧性进行实验研究.通过研究复合固体推进剂的声发射事件特性和裂纹扩展特性的关系,得到一种由振铃计数确定临界载荷的方法,该方法能准确求得断裂韧性.     

固体推进剂中裂纹扩展的一条新定律

确定控制推进剂中裂纹扩展的Paris定律,给出了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的幂律关系。但是,这对正确表达粘弹材料中裂纹扩展不尽合适。利用线性累积破坏理论和破坏区的概念,我们给出如下修正定律 da/dt aT=Aα/t_m式中α是达到最大应力σ_m时裂纹前端区域的长度,t_m是与单向拉伸试验中的最大应力相应的时间。就单边预裂试样的拉伸试验而言,本定律可使其结果的分散大大减小,研究中采用CTPB和聚氨酯推进剂。     

复合固体推进剂静电危险性数值模拟

建立了一维非稳态传热、传质、裂纹扩展方程,对复合固体推进剂在静电激励下的危险性反应过程进行了数值模拟研究。计算了使一种HTPB推进剂发生危险的临界放电能量为0.74 J,与文献报道值0.76 J接近,说明本数值计算模型比较准确。在模型验证的基础上,考察了某推进剂的特征参数,如断裂韧性、裂纹扩展速度、固相分解热、燃速及静电放电时间对该推进剂发生危险时的临界放电能量和功率的影响规律。研究表明,放电时间、断裂韧性、裂纹扩展速度、燃速对推进剂发生危险变化的临界能量影响较大,断裂韧性越大、裂纹扩展速度越低、燃速越高的推进剂越容易在静电激励下发生危险。     

复合固体推进剂双参数断裂准则研究

针对复合固体推进剂裂纹尖端的损伤特性,基于Dugdale模型建立了一个复合固体推进剂双参数断裂准则。通过单轴拉伸试验和单边断口断裂试验求得了双参数断裂准则中的两个材料参数。利用该准则对含有不同长度裂纹试件的破坏载荷进行预估,其结果与试验结果吻合得很好。
     

HTPB推进剂裂纹起裂J积分研究

为研究HTPB推进剂的裂纹起裂特性,建立了一种由单试件计算推进剂J积分和JV积分的方法,开展了HTPB推进剂松弛试验和含I型裂纹平板试件J积分试验,标定了试件的裂纹构型因子,得到了推进剂的载荷-虚位移曲线以及裂纹起裂J积分和JV积分值。结果表明,文中建立的方法能够很好地计算推进剂的裂纹起裂J积分和JV积分值,推进剂的J积分和JV积分具有明显的率相关性,随着加载速率的增加,其值也变大,且加载速率对JV积分的影响比对J积分的影响要大得多。     

复合推进剂中裂纹扩展的实验研究

为了模拟固体推进剂出现的裂纹扩展,本文用圆盘状的模型来进行实验,同时还设计了一件简单装置,将它安装在标准试验机上。实验研究表明,裂纹扩展的开始是由应力强度因子的临界值决定的,其动力特性可由包括应力强度因子的平方法则和它的时间导数来描述。     

固体火箭发动机撞击变形及装药内部热点形成数值分析

以热粘弹理论和动力有限元法为基础,结合机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型,分析计算了发动机壳体和装药结构撞击变形及装药内部热点形成,确定了产生高温热点撞击临界速度。计算模型中考虑了推进剂初始弥散细观裂纹离散、裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、基体粘性加热对热点形成影响等问题。通过与高能炸药Steven撞击试验结果进行对比分析,证明了理论模型及计算方法的有效性。计算了某小型发动机撞击试验临界速度。     

固体发动机药柱完整性失效的判据

固体发动机工作过程中,燃烧室药柱处于三向受压状态下,围压条件对推进剂力学性能有增强。该增强作用在细观结构上表现为延缓推进剂中微裂纹与真空孔穴(脱湿)的出现,并限制其在固体填料周围粘合剂中的扩展;在宏观力学性能上表现为在低温高应变率下推进剂的最大伸长率εm由常压下的较小值增大到接近断裂伸长率εb。通过围压环境对推进剂力学性能的影响分析,提出以推进剂断裂伸长率εb作为药柱在工作内压下的失效判据,并结合某翼柱型装药结构的有限元分析、完整性评估及地面试验,验证了该判据的合理性。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

机械冲击载荷下固体推进剂热点微观模型探讨

分析了推进剂内部初始裂纹在机械冲击载荷作用下的扩展以及与反应气体产物相互作用。利用Ⅰ、Ⅱ型裂纹扩展、推进剂分解化学动力学模型,建立微观热点模型,研究了裂纹面摩擦、推进剂分解以及裂纹内部气相反应等微观过程。进行数值模拟计算,得出了推进剂产生高温热点或导致冲击点燃的外部条件。认为裂纹间摩擦和气相产物在高速冲击下压缩可导致推进荆热点产生。     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析。分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究。使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了雨流计数,获得了用于裂纹扩展计算的应力循环谱块,研究了疲劳试验的应变循环峰值、幅值等时域分布特征;采用Newman闭合理论对长裂纹的NASGRO裂纹扩展速率曲线进行修正,给出了试验件材料的相关参数;最后,使用一种疲劳应力谱块平均施加方法进行了裂纹扩展寿命的快速计算。通过与试验结果对比,验证了计算方法有效、可靠。     

CMDB/EPDM包覆界面脱粘性能研究

为了研究固体火箭发动机改性双基(CMDB)推进剂与三元乙丙(EPDM)包覆层界面的脱粘性能,通过双悬臂梁(DCB)试件和粘接件单轴拉伸试件对界面性能进行试验研究,获取了界面的内聚能和内聚强度。同时,引入双线性内聚力模型对界面层单元进行描述,建立了界面裂纹开裂扩展计算模型。模型仿真曲线与试验曲线一致性较好,表明所建内聚力模型能够反映界面力学特性。对试验与仿真过程中的裂纹面开裂扩展过程进行了比较分析,发现二者变化趋势基本一致,误差范围在12.5%以内,验证了界面模型在描述裂纹面扩展方面的可靠性。     

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。     

光纤光栅传感器在固体推进剂内部应变测量中的试验研究

针对固体推进剂内部应变监测的难题,采用仿真与试验相结合的方法,开展了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)传感器在固体推进剂内部应变的测量研究。研究中采用增加增敏结构的方法解决FBG应变测量传感器与固体推进剂的变形协调性问题,通过数值仿真初步筛选了增敏球尺寸,结合仿真结果设计并加工了植入4种不同结构(不带增敏结构和带有2 mm、3 mm、4 mm增敏小球)的FBG应变测量传感器的固体推进剂试件,并对试件开展不同加载速率下的拉伸及压缩试验。结合试验结果分析了增敏小球直径、加载方式与加载速率对固体推进剂内部应变测试结果的影响,获得了内埋FBG传感器的固体推进剂内部应变变化规律。研究表明,采用增敏小球结构可有效解决FBG应变传感器与固体推进剂的变形协调性问题,大幅提高应变测量的灵敏度与传递效率,且增敏小球直径越大传递效率越高。所得研究成果可为FBG传感器用于固体发动机药柱应变监检测提供技术支撑。