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。     

HTPB推进剂热力耦合老化力学性能研究

为了研究预应变对复合固体推进剂老化性能的影响,针对HTPB复合固体推进剂开展了70℃热力耦合加速老化试验,通过单轴拉伸力学性能测试及拉伸断面扫描电镜试验研究了不同预应变作用下HTPB推进剂的老化性能。结果表明:在试验预应变范围内(≤15%),无论预应变水平多大,随老化时间的延长,粘合剂基体的氧化交联反应是HTPB推进剂的主要老化机理;在相同老化时间,预应变对HTPB推进剂力学性能的影响存在一个损伤阈值,当预应变超过该阈值时,拉伸断面中AP颗粒/粘合剂基体界面“脱湿”及粘合剂基体撕裂损伤现象明显。     

HTPB推进剂定应变老化损伤本构特性研究

为研究复合固体推进剂在定应变老化条件下的力学特性及本构行为,开展了HTPB推进剂方坯定应变加速老化试验。考虑到推进剂内部缺陷分布的随机性,建立了定应变老化条件下推进剂的统计损伤本构模型。在构建损伤变量方程时,通过引入初始损伤系数,将推进剂的老化过程等效看作是一种损伤过程。基于定应变加速老化试样的单轴拉伸试验数据,对模型进行了验证,结果显示理论模型与试验结果吻合较好,能准确地描述推进剂在定应变老化过程中的力学行为。通过对模型参数进一步分析发现:初始损伤系数方程能区分化学老化与定应变对推进剂的损伤作用。化学老化对推进剂的损伤效应随老化时间呈指数规律增大;同一老化时间段内,定应变对推进剂的损伤作用呈指数规律增大。化学老化不但影响本构模型曲线在损伤段强度的大小,还影响其形状特性,在55℃条件下,老化时间小于284d时,试样拉伸曲线具有明显的屈服区;老化时间大于284d时,没有明显的屈服区。定应变仅降低损伤段强度的大小,不改变其形状特性;在定应变老化过程中,损伤应变阈值随老化时间及定应变水平基本呈现线性关系下降。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

HTPB复合固体推进剂非线性本构研究

采用Ｓｃｈａｐｅｒｙ蠕变型非线性粘弹性本工用Ｍ－Ｃ方法,分析蠕变实验数据,研究了ＨＴＰＢ复合固体推进剂非线性本构关系。结果表明,该方法可以减少加卸载时数据波动的影响,降低参数拟合对实验条件的要求。Ｓｃｈａｐｅｒｙ非线性模型较好地反映了ＨＴＰＢ复合固体推进剂的力学性能,可以用于固体推进剂的力学分析。     

HTPB推进剂储存老化性能试验研究

1引言端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂在长期储存过程中,由于各种因素的作用,其性能会逐渐变化,最后达不到使用指标,失去使用价值,这种现象称为复合固体推进剂的老化[1]。老化是固体推进剂在贮存过程中普遍存在的一种现象。优良的固体推进剂除了满足能量性能、力学性能和弹     

基于连续损伤模型的复合固体推进剂力学性能研究

为了模拟复合固体推进剂本构关系,利用连续损伤力学理论并耦合线性累积损伤来建立含有损伤变量的本构模型。模型中推进剂累积损伤利用Miner线性累积损伤法则,损伤演化利用蠕变损伤演化规律,无损条件下的推进剂本构关系利用三元件波因廷模型。该模型提供了一种基于损伤本构关系来研究推进剂力学性能变化的有效方法。     

固体火箭发动机HTPB推进剂燃速性能老化研究

为研究某型固体火箭发动机高燃速端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在全寿命期内的燃烧性能——燃速,通过高温加速老化实验和活化能理论推测出发动机推进剂在常温25℃下和高温70℃下的老化速度;由此,通过高温70℃的加速老化实验来获得不同贮存期的发动机推进剂试验样本;通过推进剂燃烧实验,测试了不同贮存期的推进剂的燃速,结果表明,随着发动机贮存时间的延长,HTPB推进剂燃速逐渐降低。     

HTPB固体推进剂老化性能检测新方法

引入了光致正电子湮灭分析方法 （PIPA,Photon Induced Positron Analysis）,对HTPB固体推进剂老化性能进行检测研究。介绍了PIPA的原理、PIPA试验平台的搭建以及PIPA的数值处理方法,并用511KeV能谱的FWHM值ε（半高宽,Full Width Half Maximum）表征HTPB固体推进剂老化引起的微观变化,所得结论与固体推进剂的常规测试一致,证明了PIPA用于固体推进剂老化性能无损检测的可行性。     

中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

HTPB推进剂湿热老化规律及损伤模式实验

通过HTPB推进剂湿热老化实验,采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形试件声发射(AE)信号的方法,结合扫描电镜(SEM)断面观察结果,对HTPB推进剂的湿热老化规律和损伤模式进行了研究,给出了一个描述湿热老化性能变化规律的三阶段模型。实验研究表明:声发射信号累积计数对时间的导数的大小对应基体开裂、脱湿和宏观断裂三种损伤模式;同时水份破坏粘合剂和氧化剂的界面是导致脱湿关键因素,且水份在推进剂中的浓度与脱湿严重程度呈正相关。     

HTPB推进剂定应变老化性能实验

通过HTPB推进剂定应变老化实验,采用单向拉伸法测定其力学性能和溶胀法测定其凝胶百分数、相对交联密度等性能参数,对其定应变老化性能规律进行了研究。研究表明:HTPB推进剂定应变老化力学性能是由热氧老化和粘合剂/填料界面损伤两个因素共同作用决定的,其随老化时间的延长大体可分为三个阶段,一是热氧老化占主导的阶段;二是由粘合剂/填料界面损伤占主导的阶段;三是热氧老化占主导的阶段。并且,若HTPB推进剂在定应变老化过程中产生了较为严重的粘合剂与填料间的界面损伤时,则凝胶百分数、相对交联密度随老化时间的变化规律与力学性能的变化规律不同。     

HTPB推进剂细观损伤机理的声发射实验研究

采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形ＨＴＰＢ推进剂件声发射（ＡＥ）信号的方法,对ＨＴＰＢ复合固体推进剂在载荷作用下细观损伤及其扩展的机理进行了研究。实验结果表明：声发射累计能量对应于细观损伤产生和扩展两个不同阶段,提出了一个描述ＨＴＰＢ复合固体推进剂细观损伤扩展的物理模型,该模型解释了不同拉伸速率下ＨＴＰＢ复合固体推进剂破坏了后出现的不同物理现象。     

HTPB推进剂老化断裂性能试验

为研究老化对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂高温加速老化试验,测定了不同老化时间、老化温度下推进剂含Ⅰ型裂纹的断裂韧性值,并利用扫描电镜观测了推进剂断面微观形貌。结果表明：随着老化时间和老化温度的不断增加,推进剂断裂韧性值不断下降;老化时间越长和老化温度越大,拉伸速率越小,推进剂拉伸断面＂脱湿＂越严重,裂纹尖端处的＂脱湿＂较内部断面更严重。     

硝胺复合推进剂抗撕裂性能的研究

以ＡＰ／ＲＤＸ／ＨＴＰＢ复合固体推进剂为对象，研究了撕裂速率，添加剂类型，贮存老化等因素对推进剂撕裂性能的影响，实验结果表明，撕裂速率加大使推进剂断裂能升高；不同的添加剂对推进剂的断裂能有不同的影响，键合剂使断裂能升高，推进剂老化一段时间后断裂能降低。     

HTPB推进剂贮存寿命的理论预估

以ＨＴＰＢ推进剂化学老化机理及其氧化反应动力学为依据,导出了推进剂应变保留值与贮存老化时间的关系,由推进剂中氧化剂ＡＰ低温分解反应和ＨＴＰＢ固化体经反应的动力学参数,计算出了在不同应变保留值时的推进剂的贮存寿命。当推进剂的应变保留值在３０％～５０％之间时,其贮存寿命的理论计算值与高温加速老化实验值之间的相对误差小于１６％。     

HTPB推进剂凝胶分解特性与老化性能的相关性

研究了贮存老化过程中 HTPB推进剂凝胶的氧化反应热效应与推进剂力学性能之间的相关性。实验表明 ,HTPB推进剂贮存老化过程中 ,凝胶的氧化反应热效应与推进剂最大强度下的延伸率 ,二者之间存在很好的线性相关性 ,为进一步快速预估 HTPB推进剂的贮存寿命 ,提供了一种样品用量少、快速简便的新方法