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。     

复合固体推进剂双折线脱湿损伤模型参数影响分析

为分析双折线损伤模型参数对复合固体推进剂细观损伤及宏观非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立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。利用有限元方法对具有不同损伤参数的颗粒夹杂模型进行计算,并对比数值仿真结果。结果表明,损伤起始应力对复合固体推进剂抗拉强度、最大延伸率有较大的影响;界面初始刚度在一定程度内的变化,对复合固体推进剂宏观力学性能及细观损伤形貌影响较小;界面失效距离主要影响复合固体推进剂的最大延伸率。     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,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AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

复合固体推进剂非线性粘弹本构方程的微观力学分析

在填充颗粒为弹性硬颗粒的条件下，本文成功地将Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂理论及相应的平均化方法推广应用于研究复合固体推进剂的非线性粘弹性本构方程，结果表明，复合固体推进剂的非线性本构关系可以用基体的本构关系与一个增强系数的 积β来表示，β只与颗粒的形状，体积分数及泊松比有关。本文的结论具有重要的工程应用价值。     

复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

固体推进剂裂纹端部损伤区形状的实验研究

固体火箭推进剂是一种粘弹性高聚物,同时又是颗粒基复合材料。其断裂实验难度较大。本文用两种新方法:数字二次云纹法和渗透探伤法,进行裂纹端部损伤区的实验研究。结果说明裂纹端部的强烈损伤区是“窄带形”的,定义此窄带形损伤区为固体推进剂裂纹端部损伤区比以往的“腰子形”损伤区更为合理。为研究预测、控制固体推进剂的断裂性质提供了实验依据。     

界面损伤对复合固体推进剂黏弹性本构关系的影响

基于Eshelby-Mori-Tanaka细观力学理论及Weilbull统计学方程,建立了含界面损伤的复合固体推进剂黏弹性本构关系,研究了均匀开裂、环向开裂和顶部与底部开裂3种界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系的影响。数值分析结果表明:界面损伤对推进剂黏弹性本构关系影响显著,使其呈现明显的非线性黏弹性;不同界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系影响程度各异。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元。针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理。将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程。研究结果表明,数值模拟结果的损伤形貌与试验结果吻合良好,建立的数值模型能较好地反映粘接界面细观损伤过程;对于初始粘接良好的粘接界面,颗粒的脱湿与粘合剂基体的损伤导致了拉伸过程中粘接界面应力应变曲线的非线性;为了提高粘接界面抵抗脱粘的能力,一方面应提高推进剂内部颗粒与粘合剂基体的粘接强度,另一方面颗粒脱湿之后,提高粘合剂基体的最大失效应力。     

固体推进剂药柱强度可靠性蒙特卡罗法数字仿真

使用了一种计算随机载荷下固体推进剂药柱强度可靠性的蒙特卡罗模拟方法，即通过建立固体推进剂药柱的累积损伤模型，采用直接模拟法模拟随机载荷和固体推进剂药柱初始强度来获取推进剂药柱的可靠度。该方法能有效地预测运输、飞行等环境下固体推进剂药柱的强度可靠性。最后，结合实例进行了可靠性数字仿真。     

基于细观模型的复合推进剂宏观松弛行为

采用随机算法生成了指定体积分数的复合固体推进剂细观分析模型。通过有限元方法及对细观场量的均匀化处理,对复合固体推进剂不同随机分布、颗粒尺寸分布及在不同应变水平下的力学响应进行了数值模拟,研究了颗粒分布随机性及颗粒大小对推进剂松弛性能的影响,并预测推进剂在宏观上的松弛行为。类比于时间温度等效原理,建立了复合推进剂时间-应变等效,并通过该原理将各应变水平松弛曲线沿时间轴平移,得到复合推进剂的预测松弛模量主曲线,预测结果与试验结果吻合较好。通过该方法生成的细观分析模型,可直观描述细观结构损伤对推进剂松弛力学性能的影响,并可在一定程度上预测不同配比方案复合推进剂的宏观松弛行为,对复合固体推进剂的配方设计及固体火箭发动机装药设计具有一定的指导意义。     

固体推进剂贮存寿命非破坏性评估方法(Ⅲ)——预测残留寿命延寿法

从动力学理论分析入手,结合推进剂老化特征参数的研究结果,研究了用非破坏性手段预估固体推进剂残留寿命的方法。动力学理论分析表明,反应活化能是老化温度的函数,活化能对老化温度存在线性依赖关系,且活化能对老化温度的依赖关系和指前因子对老化温度的依赖关系是等效的。研究结果表明,影响推进剂寿命的应力问题也可以转化为动力学问题来处理,且应力对推进剂寿命的影响显著。利用新推导的4参数动力学公式,结合适宜的特征参数,建立了预估推进剂残留寿命的非破坏性方法,该方法可用于到期导弹的延寿。     

丁羟复合固体推进剂的特征信号研究

从对固体推进剂喷焰特征入手，论述了推进剂烟雾成因和影响推进剂信号特征的因素及降低推进剂信号特征的一般途径；结合丁羟推进剂配方特点，通过理论计算推进剂燃烧产物，分析了配方组分含量及相关因素对推进剂信号特征的影响；通过测试几种推进剂喷焰对红外、可见光及微波的衰减，分析了推进剂喷焰特性的影响因素，结合火争宽度，提出合理评价喷焰对微波衰减的标准，最后引入国外评价推进剂燃气特征信号的方法，评定所研制丁羟复合固体推进剂的雾等级为A级。     

复合固体推进剂燃气烟雾对激光透射的影响

建立了一套测定固体推进剂燃气烟雾对激光衰减的装置,研究了固体推进剂燃气对激光衰减的规律,由实验结果和理论分析得出,燃气烟雾对激光和可见光的透射率较好;能量较高的丁羟推进剂无烟化的最佳配方是Al粉含量应小于8%,硝胺(HR)的含量应大于30%。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层模型有限元分析

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层有限元模型,该模型将界面层划分成3个区域,每一区域内采用特定函数表示材料初始弹性模量的分布。应用软件ABAQUS划分网格并采用子程序USDFLD定义界面层内梯度材料的初始模量,计算得到了法向和剪切位移加载下的应力应变场和应力强度因子。计算结果表明,界面贮存时间延长时,裂纹尖端附近整体应力及应力强度因子明显减小,而应变最大值略有增大。该模型的建立及计算结果对求解固体推进剂/衬层界面裂纹问题有一定的工程意义。     

加速度载荷下推进剂力学行为研究进展

为探究加速度载荷条件下固体推进剂及装药的力学行为,首先分析了加速度载荷条件下固体推进剂装药力学响应呈材料非线性、几何非线性和边界条件非线性的特点,并从宽泛应变率力学性能试验、线性与非线性粘弹性本构模型、失效准则、结构力学响应、装药检测验证等五方面,对加速度载荷条件下固体推进剂动态力学行为进行了综述。结果表明,完善深化加速度载荷下固体推进剂中应变率力学性能试验及装药检测验证方法,建立考虑温度、应变率、热化学反应的非线性本构模型等是发展抗过载推进剂的关键。在此基础上,梳理了下一步研究的重点,认为加速度载荷下推进剂装药失效机理、多层结构的热化学与力学的耦合仿真、抗过载推进剂装药设计准则等将是下一步的研究重点。     

固体推进剂无烟化的探讨

列举固体推进剂烟雾在不同制导信号情况下产生的来源,介绍固体推进剂燃气对激光、红外、可见光和微波产生的衰减的理论计算和测试手段,讨论了减少燃气对制导信号衰减的可能途径.导弹使用的制导信号的不同,对无烟要求也不同.结合已开展和即将开展的研究工作,提出了复合推进剂无烟化的几点看法.     

温度相依固体推进剂的蠕变损伤模型

针对复合固体推进剂材料,建立了与温度相耦合的蠕变损伤演变模型,进行了单轴和双轴条件下蠕变破断试验,确定了材料参数.该模型对复合固体推进剂的应力分析、寿命预估具有应用价值.     

HMX含量对HTPB复合固体推进剂微波衰减的影响

研究了HMX含量对HTPB复合固体推进剂微波衰减的影响。实验结果表明:含HMX的HTPB复合固体推进剂的微波衰减随HMX含量的增加而增加,HMX含量由5%增加到50%时,HTPB复合固体推进剂的微波衰减增加了约1倍。