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。     

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。     

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。     

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。     

三维编织细编穿刺炭/炭复合材料拉伸与压缩性能及试件尺寸效应研究

通过对三维编织细编穿刺炭/炭复合材料的Z向和XY向进行的拉伸、压缩宏观实验,观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸、压缩载荷下不同的破坏机理及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性。研究表明,材料Z向拉伸破坏时为平断口,XY向拉伸破坏时为台阶状断口,压缩载荷作用下Z向和XY向都为与受力方向成45°的剪切型破坏,Z向和XY向的压缩强度随试件的几何尺寸的变化具有相同的变化趋势,但Z向变化趋势较XY向更明显。所获结论为进一步进行该材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验基础。     

振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面影响

为研究振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面的影响,进行了振动载荷和定应变作用下HTPB推进剂高温老化试验,测试了不同载荷和老化时间下推进剂的宏观力学性能,利用扫描电镜观测了推进剂的细观破坏过程,基于颗粒增强本构理论,分析了推进剂基体/颗粒粘接界面的损伤规律。结果表明,振动载荷和定应变的作用使HTPB推进剂的初始模量和抗拉强度均减小,高温老化、定应变和振动载荷的作用都会破坏推进剂基体/颗粒粘接界面、降低推进剂固体颗粒模量增强效果,定应变状态下振动载荷作用后,粘接界面损伤最严重。     

固体推进剂的变角剪切力学试验研究

利用改进的Arcan夹具对HTPB固体推进剂在0°～90°之间的10个角度进行了剪切试验,研究了固体推进剂在不同剪切角度下的应力应变关系.结果表明,随着加载角度的减小,拉伸作用逐渐被剪切作用取代,导致拉断应力、拉伸曲线斜率、断裂应变的减小;当拉伸角度为0°时,蝶形试件完全承受剪切作用,推进荆的剪切模量可通过对此时的数据进行相应转化得出.     

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。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

固体填充剂对推进剂力学性能的影响

借助扫描电子显微镜（SEM）及微型动态拉伸装置测试手段，对含固体颗粒填充剂的丁羟复合固体推进剂（HTPB）和硝酸酯增塑的聚醚高能推进剂（NEPE）中的微相结构进行了断口微观形貌观察和推进剂拉伸试件在拉应力作用下的断裂过程分析。结果表明，固体颗粒的形状，粒径尺寸，粒度分布和级配变化，以及固体填料／粘合剂的界面性质等因素对推进剂力学性能有着重要的影响。     

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。     

定速拉伸的固体推进剂双轴板条的应力分析

对固体推进剂双轴板条试件进行了有限元分析，并考虑了粘弹性对应力结果的影响，分析结果表明，双轴板条试件中心域为平面应变状态，与发动机药柱中部内孔表面相似，并给出了计算杨氏模量所需的修正系数。     

国产芳纶纤维增强环氧复合材料的压缩性能

采用不同弹性模量的环氧树脂基体与国产芳纶Ⅲ纤维制备了复合材料,研究了复合材料压缩性能及其影响因素,分析了环氧树脂模量、芳纶纤维束张力、压缩测试方法等因素对复合材料压缩强度测试结果的影响规律。研究表明,环氧模量、纤维束张力的提高有利于压缩强度的提高,正交铺层的压缩测试方法有利于表征复合材料压缩本征性能。同时,探讨了芳纶纤维压缩失效的机理,提出了提高芳纶纤维复合材料压缩性能可能的途径。     

体积激励法测量液体推进剂量的地面模拟试验

针对大贮箱推进剂量测量精度不高问题,研究一种测量精度较高、重复性强的液体推进剂量测量方法。首先介绍体积激励法测量推进剂量的测量原理,重点分析地面模拟试验装置组成,包括体积激励装置、编码电机控制、数据采集及数据处理分系统。其次阐述试验方案,试验在常温常压下进行,采用不同激励频率改变体积。最后,以水作为模拟推进剂开展地面模拟试验,结果表明在不同填充水平下液体推进剂量测量误差都控制在贮箱总体积的1%以内,为未来高精度测量推进剂量飞行试验及空间应用提供可靠支持。     

超低温处理对T700碳纤维/环氧复合材料拉—压疲劳性能的影响

对T700碳纤维/环氧复合材料在超低温处理前后的拉—压疲劳性能进行了的研究。采用真空袋—热压罐成型工艺,制备了T700碳纤维/环氧复合材料单向板,在液氮中对试样进行超低温浸泡和超低温/室温循环处理,利用光学显微镜观测了试样在超低温处理过程中产生的微裂纹情况,并测试了超低温处理后试样的静强度和拉—压疲劳1000次、10000次及130000次后的剩余强度。对T700碳纤维/环氧复合材料超低温损伤机理进行了分析,并讨论了超低温处理和拉—压疲劳对复合材料剩余强度的影响。结果表明,超低温处理和拉—压疲劳处理都会使试样产生微裂纹,并引起试样内的残余应力释放和试样的剩余强度降低;经历不同的超低温处理之后,试样的剩余强度达到最高值时所对应的拉—压疲劳次数不同;随着超低温处理和拉—压疲劳的作用,试样的剩余强度会经历先升高—再降低的过程。     

KM8不锈钢板式热沉激光焊接工艺研究

热沉是空间环境模拟器的重要组成部分之一,用于在真空热试验中产生冷黑环境。我国目前正在研制的KM8空间环境模拟器和KM7A空间环境模拟器的热沉均采用不锈钢板式结构,而不锈钢板式热沉的焊接加工工艺是亟需解决的技术问题。文章介绍了在KM8不锈钢板式热沉激光焊接工艺研究中,采用不同的工艺参数焊接了不同厚度的搭接组合板试件后,对这些试件进行了力学拉伸试验和焊缝分析与检测,并根据检测结果确定了不同厚度板材组合的最佳搭接焊接工艺参数。这些工艺参数在后续的生产实践得到了有效验证。     

C/SiC材料在模拟空天往返条件下的可重复使用性能评估

针对飞行器空天往返、多次使用的发展需求,以2D C/SiC材料为对象,选择开放大气模拟环境、800 ℃温度条件开展了常/高温拉伸试验、以及常温→高温→降温循环变化历程下拉-拉疲劳的耦合试验,得到不同的力学性能规律,分析了影响材料表面涂层完整性的控制因素及转化点。表明C/SiC材料具有优良的高温静态持续强度性能,但在常-高温循环变化历程下的疲劳性能明显衰减。采用剩余刚度衰减模型,提出了力-热-氧耦合时考虑常-高温循环历程影响因素、以及氧化尺寸效应影响的疲劳剩余性能评估方法。     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

石英灯阵高温试验环境换热特性仿真分析

为了分析高温试验环境下不同条件对试件温度的影响,文章建立了高温试验环境的传热模型,采用计算流体动力学(CFD)方法结合Discrete Ordinates(DO)辐射模型,计算分析了不同热源温度、不同试件尺寸以及隔热层有无加装反射涂层情况下石英灯加热器加热试件时的温度分布特性.结果表明:在同样的热源温度下,隔热层加装反...