Experimental research on rate dependent constitutive relation of double-basepropellant under impact load

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103 s-1应变率下的应力-应变曲线.实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对教与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象.利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数.研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为.     

双基推进剂高应变率型本构模型的实验研究

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103s-1应变率下的应力-应变曲线。实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对数与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象。利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数。研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为。     

双基固体推进剂的特性研究

在不同温度和应变率下,对双基固体推进剂试件进行了单轴拉伸试验。提出了一种针对双基推进剂屈服值的判断方法,应用一元回归数理统计方法对双基推进剂力学性能数据进行了分析。结果表明,双基推进剂力学性能与温度和应变率具有明显的相关性,在233.15 K下近似为脆性材料,而在288.15 K和323.15 K下呈现明显的塑性流动。针对双基推进剂不同受载情况,提出了与推进剂屈服值相关的强度准则,以便为双基推进剂药柱设计及结构完整性分析奠定基础。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

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%。     

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

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。     

低温和应变率对HTPB推进剂压缩力学性能影响

采用单轴压缩实验方法,分析了低温(-40～25℃)和应变率(1/300～1/12 s-1)对HTPB推进剂压缩力学性能的影响,得到了不同温度和应变率条件下推进剂的压缩应力-应变关系。结果表明,推进剂压缩强度和压缩模量随温度的降低和应变率的增加而逐渐增加,且均与应变率具有良好的线性对数关系(lg[σ.k(T)]=a+blg.ε和lg[E.f(T)]=c+dlg.ε),利用该关系式可对推进剂压缩力学性能进行预测。通过双因素方差分析表明,低温和应变率均对推进剂压缩力学性能具有显著影响。其中,低温对压缩模量的影响更加显著,而应变率对压缩强度和压缩应变的影响更加显著。     

复合固体推进剂拉伸/压缩性能对比研究(英文)

为了获得药柱受压状态的模量参数,开展了推进剂压缩性能的探索测试。参照拉伸标准试件,进行了压缩试件尺寸的设计与调试,通过不同高度试件的测试结果及破坏形貌分析,确定了试件尺寸。在此基础上进行了不同应变下的推进剂拉/压对比测试。相同应变率下,压缩模量较拉伸模量高,压缩模量随压缩速度的变化规律与拉伸模量一致,随着速度的提高,模量随之提高。     

用拉氏量计和分析技术研究固体推进剂冲击波作用过程

本文建立了适合于研究固体推进剂冲击波作用过程的拉氏量计和分析技术,应用这种技术能清楚地表现固体推进剂内部状态变化过程和化学反应过程。并用这种技术研究了聚硫复合推进剂、丁羟复合推进剂、双基推进剂和改性双基推进剂冲击波转爆轰和爆轰过程。结果表明,复合推进剂与双基和改性双基推进具有明显不同的状态变化过程和化学反应过程。     

纤维素甘油醚硝酸酯在双基推进剂中的应用

纤维素甘油醚硝酸酯NGEC是一种改性硝化棉,以NGEC为粘合剂代替NC,采用传统的无溶剂法制备了NGEC基改性双基推进剂。研究了以NGEC为粘合剂的改性双基推进剂的力学、燃烧和弹道性能及燃烧波结构。结果表明,NGEC具有较好的热塑性,NGEC基改性双基推进剂加工性能优良,其低温-40℃延伸率可达相同配方NC基改性双基推进剂的1.5倍以上,其推进剂弹道性能稳定,燃烧性能和燃烧波结构与NC基推进剂相似。因此,NGEC作为含能粘合剂代替NC,可用于改善改性双基推进剂性能的研究。     

低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

为分析热老化后三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在低温动态准双轴加载下的性能，开展了不同热加速老化时间、不同温度和应变率条件下推进剂的准双轴拉伸力学性能试验及扫描电镜(SEM)观察试验。试验结果表明：热加速老化前后，推进剂的拉伸曲线趋势、力学性能变化规律及细观损伤形式保持一致，改进型非线性模型能够更好地描述1~100 s -1 应变率范围内典型力学性能参数随热老化时间的非线性变化关系。随温度降低，老化后推进剂的断面形貌由“脱湿”变为AP颗粒断裂，热老化、低温以及高应变率载荷的叠加使得推进剂的细观损伤变得更加严重，但准双轴拉伸时损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。热老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、 14.29 s -1 加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s -1 条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%，该参数定义可为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性失效的准则提供数据支持。     

K4202镍基高温合金激光选区熔化成形室温拉伸性能研究

为了将激光选区熔化(SLM)这项技术推广到液体火箭发动机高温合金复杂结构件的成形,满足其使用要求,对SLM成形K4202高温合金力学性能及其强化机理进行研究。沉积态室温下拉伸试验力学性能指标表现出了很强的各向异性,但均接近或超过GH4202锻件标准值,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等理化分析手段揭示了其强化机理主要为细晶强化、应变硬化、沉淀硬化和过饱和的固溶强化。同时研究了固溶、固溶时效、直接时效三种热处理制度对K4202力学性能的影响,结果表明直接时效后的综合力学性能最佳。     

GH4586合金涡轮盘预制坯优化与组织均匀性控制

GH4586合金涡轮盘是新一代液体火箭发动机的核心部件之一,服役环境极其恶劣,提高涡轮盘模锻件微观组织均匀性有益于提高产品力学性能的稳定性和可靠性。通过热压缩试验,研究了变形温度、应变对GH4586合金微观组织和再结晶行为的影响,得到了GH4586合金热成形工艺参数范围;结合有限元仿真和模锻成形试验,分析了不同预制坯形状对涡轮盘模锻件应变分布和组织均匀性的影响,采用从边缘到中心梯度升高的双陀螺形预制坯形状、在1060℃条件下进行模锻成形,可以获得组织均匀的涡轮盘模锻件,心部晶粒度等级达到6~7级,盘部R/2处和边缘处晶粒度等级7~8级;室温、低温和高温力学性能均满足标准要求,特别是-196℃时延伸率和600℃时抗拉强度相较原工艺方案分别提高了37%和12%。     

芳Ⅲ编织绳动态拉伸性能研究

芳Ⅲ编织绳是常见的降落伞伞绳材料，在开伞过程中承受较大的冲击载荷，为研究其动态拉伸性能，文章以3.5-750芳Ⅲ编织绳为例，进行了动态拉伸试验及仿真模拟。首先使用万能强力机对3.5-750芳Ⅲ编织绳开展了4个不同应变率工况下的动态拉伸破坏试验，获得拉力-等效应变曲线，研究发现随拉伸应变率的增加，编织绳的断裂强力和弹性模量均增大，而断裂应变和韧性均减小。随后利用ABAQUS软件，建立了芳Ⅲ编织绳的纱线级有限元模型，依据试验结果对Johnson-Cook动态本构模型进行拟合及参数修正，并应用于编织绳动态拉伸破坏仿真，得到不同应变率下的仿真结果。与试验对比，研究表明，拟合、修正得到的Johnson-Cook动态本构模型可有效地模拟柔性编织绳动态拉伸行为，为柔性编织绳的动态力学性能研究提供了仿真手段。     

含能增塑剂PDADN合成及性能研究

介绍了一种新型含能的叠氮类增塑剂ＰＤＡＤＮ合成、结构及物理化学性质，系列热分析实验表明，它有利于双基组分及黑索今的热分解，指出它在改性双基推进剂中将可改善燃烧性能。     

复合固体推进剂单向拉伸曲线分析

运用模糊群子理论对影响复合固体推进剂力学性能的因素及其单向拉伸曲线进行了分析，结果发现，推进剂的力学性能可由控制阻碍形变因素和屈服因素的主次对比来调节；不同的拉伸曲线对应于不同的主导控制因素。这对于认识影响推进剂力学性能的本质及其调节方法有较大的促进作用。     

国外GAP推进剂研制现状

综述了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)及其推进剂的热、力学及弹道性能,GAP推进剂有较高的燃速和能量,但其燃速压强指数和温度敏感系数偏高。GAP推进剂的力学性能较差,改性GAP和支化GAP更具吸引力。GAP推进剂可用于燃气发生剂、微烟推进剂、高能推进剂及改性双基推进剂。     

药柱结构缩比发动机设计与验证

为了预示固体火箭发动机寿命周期典型环境载荷作用下的药柱力学性能,基于Thepenier等人提出的缩比发动机设计准则,研制出了一种可预示全尺寸药柱力学性能的缩比发动机.通过有限元分析,对该缩比发动机的有效性进行了评估;采用数字散斑技术,测试了缩比发动机温度试验药柱的应变特征和变化规律.结果显示,缩比发动机的结果与全尺寸药...     

均苯型聚酰亚胺薄膜在质子辐照下的力学性能退化试验研究

聚酰亚胺薄膜广泛应用于航天器热控结构和太阳帆等充气展开结构中,由于暴露在航天器表面,受到各种空间环境效应的影响,其力学性能会发生退化。文章对不同通量、注量和温度条件下质子辐照对均苯型聚酰亚胺薄膜力学性能的影响进行了模拟试验研究。研究发现,当质子通量较低时,质子通量的增加对薄膜力学性能的影响微弱;当质子通量持续增加,薄膜的抗拉强度和断裂伸长率呈近似线性下降;当质子注量增加到一定程度后,薄膜的抗拉强度和断裂伸长率下降速率变缓;薄膜在低温辐照下比在高温辐照下更容易发生脆性断裂。