双钴-1推进剂粘弹力学性能的实验研究

本文利用DDV-Ⅲ-EA动态粘弹谱仪,对双钴-1固体推进剂的动态粘弹力学性能进行了实验测定.通过频-温(时-温)等效原理,动-静态粘弹力学特性间的关系,经过计算机分析处理给出了复模量E(ωα_T)和应力松弛模量E(t/α_T)主曲线及其数学表达式.其如果对固体火箭发动机装药结构完整性分析计算有实用意义.     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——主松弛模量的时间、温度依赖性

本文通过对HTPB复合固体推进剂在宽广温度范围内、定应变条件下单轴应力松弛的实验测定,根据线性粘弹及热流变简单性的基本假设,将-50℃到80℃间 一个温度下的应力松弛曲线,采用时间～温度折合变量的数据处理方法,迭加成-40℃、20℃及70℃三个参考温度下主松弛模量随推进剂时间特性的变化曲线,并用Prony级数式及修正的幂函数式描述;还通过玻璃化转变温度的测定和图解法求出的时间～温度偏移因子建立了该推进剂材料修正的WLF方程;同时就端部粘木试样和传统的哑铃形试样对试验结果的影响进行了比较。     

固体推进剂动态储能模量主曲线计算应力松弛模量

基于一维线性粘弹性理论中动态储能模量与应力松弛模量的关系,导出了一种利用动态储能模量主曲线计算固体推进剂修正应力松弛模量的方法。通过两类固体推进剂修正应力松弛模量与实测应力松弛模量主曲线对比发现:虽然计算值大大高于实测值,但二者的比例系数随时间单调递减。根据这种关系,利用固体推进剂动态储能模量主曲线可以计算一定时间内的应力松弛模量。最后,对该方法在发动机药柱应力松弛模量监测中的应用进行了初步探讨。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——动态抗张模量的时间、温度依赖性

利用RHEOVIBRN DDV-Ⅲ-EA型动态粘弹谱仪,在频率为110,35、11,3.5Hz,温度为-150～200℃及频率为0.3,0.03,0.01Hz,温度为-80～30℃的恒定频率,测定了HTPB复合固体推进剂动态抗张特性温度谱.以线性粘弹及热流变简单性作为基本假设,采用折合变量的数据处理方法,将恒定频率的动态抗张模量温谱曲线迭加成参考温度为20℃时的动态抗张模量主曲线,并用一般化的Maxwell模型级数式给予定量的数学描述;还将图解得到的偏移因子温度曲线处理成修正的WLF方程,从而为药柱强度分析提供该推进剂材料的动态粘弹参数.     

RDX含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

利用动态热机械分析研究了一组不同RDX含量的改性双基推进剂的动态力学性能。根据"时间-温度"等效原理的WLF方程获得了该推进剂体系α松弛的粘弹系数Cg1,Cg2和主曲线叠合的垂直位移因子bT以及松弛过程的活化能Ea。结果表明,随着固体填料(RDX)含量的增加,该推进剂的储能模量下降,α松弛的损耗角正切(tanδ)的峰温逐渐降低,以tanδ为代表的力学损耗强度逐渐增大,而β转变所对应的温度不变。用自由体积理论解释了固体含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响。     

HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效研究

为研究HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应,推导了基于Schapery单积分非线性本构方程的HTPB推进剂时温等效理论表达式,给出了蠕变柔量主曲线的拟合方法。通过不同应力(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa)和不同温度(20℃,40℃,60℃,80℃)条件下HTPB推进剂蠕变试验,得到了参考温度(20℃)下的蠕变柔量主曲线。通过反复加载蠕变试验,分析了载荷变化对蠕变过程的影响。结果表明:不同温度下的蠕变柔量-时间对数曲线在稳定蠕变阶段具有良好的一致性,验证了HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应;0.1MPa,0.2MPa和0.3MPa应力下的蠕变柔量主曲线时间尺度从试验测试的103s分别延伸到了10~(4.27)s,10~(4.17)s和10~(3.91)s;快速的应力释放和恢复加载过程不会影响整个蠕变过程,载荷变化蠕变过程的时温等效效应具有连续性。     

固体火箭发动机药柱的长期老化效应分析

粘弹复合固体推进剂为研究对象,通过实验测得其松弛模量,然后反演出适合有限元分析的蠕变柔量形式,进而分析长期贮存老化对药柱力学性能的影响。在对梁的受拉伸与自重情形下的老化作了分析后,举例分析了真实固体火箭发动机药柱的长期老化效应。     

复合固体推进剂松弛模量与蠕变柔量转换关系

以粘弹理论为基础，采用Volterra算子，建立了复合固体推进剂松弛模量和蠕变柔量之间的相互转换关系。结果表明：由松弛模量计算蠕变柔量的理论值与实验值吻合；该转换表达式避免了数值积分法求解蠕变柔量值产生舍人误差和采用拉氏变换的繁琐计算。研究方法可以用于固体推进剂其它力学参数的转换计算，如体积松弛模量和体积蠕变柔量之间的转换计算。     

RDX含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

利用动态热机械分析(DMA)研究了一组不同黑索今(RDX)含量的改性双基推进剂的低温动态力学性能。β松弛的峰温几乎不受固体填料加入的影响。认为RDX含量超过一定值时,在低温下将起到辅助增塑作用,β松弛tanδ峰值与"等效增塑剂"的含量有关。经拟合得到"等效增塑剂"的含量。从推进剂的动态模量主曲线获得了β松弛的粘弹系数Cg1,Cg2以及松弛过程(分子构象变化)的活化能Ea,以及"脆化参数"m,并用线性方程关联了"脆化参数"m与低温抗拉强度σm和延伸率εm。     

高温老化过程中推进剂模量变化对药柱结构完整性的影响

将NEPE推进剂在65℃,70℃,75℃下分别老化不同时间后,用动态力学分析仪测定其动态力学性能。利用测试得到的推进剂动态力学特性参数,经计算得出推进剂的平衡模量。随着老化时间增加,其平衡模量值逐渐降低。利用有限元方法,分析在老化过程中推进剂平衡模量的变化对药柱结构完整性的影响,即在高温老化过程中,当NEPE推进剂的平衡模量降低至某一值时,固体火箭发动机药柱的结构完整性破坏。     

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。     

橡胶隔振器黏弹性5参数分数导数并联动力学模型

以辅助动力装置(APU)橡胶隔振器为研究对象,建立了橡胶隔振器非线性分数导数动力学模型.提出了橡胶隔振器5参数分数导数频率相关性和振幅相关性并联模型.该模型能够使用较少的参数描述APU橡胶隔振器在宽广频率范围内的黏弹性特性.还分析研究了各参数对APU橡胶隔振器储存模量和损失模量的影响,利用数值求解的方法给出定量结果.研究结果表明并联模型能更好地描述APU橡胶隔振器宽广频率范围内的动态特性.为橡胶隔振器设计应用提供了理论基础.      

时变泊松比HTPB固体推进剂体积和剪切松弛模量反演

为表征HTPB复合固体推进剂泊松比的时间相关性，以经典积分型粘弹性本构模型为基础，开展了从单轴受力响应到体积和剪切松弛模量反演问题研究。运用径向基配置法和带近似奇异核的高斯求积公式求解反演问题的第二类Volterra积分方程。将获得的体积和剪切松弛模量导入Abaqus有限元软件并开展材料力学行为仿真。将有限元结果与单轴松弛、蠕变和等速率加载实验数据进行对比，验证反演方法的正确性。分析了粘弹性泊松比Prony级数参数对相对松弛模量的影响规律。结果表明，当泊松比与时间相关时，相对体积和剪切松弛模量曲线出现分离，其分离程度受长期与瞬时泊松比之差的影响，而分离快慢受泊松比迟滞时间影响。采用正确的体积和剪切松弛模量，经典粘弹性本构模型不仅能合理预测HTPB固体推进剂松弛和蠕变等粘弹性行为，还能正确反映泊松比的时间相关性。     

压电阻抗技术监测固体推进剂老化研究

为了进一步研究表面粘贴式的主动传感技术——压电阻抗技术(EMI, Electro-Mechanical Impedance)监测固体推进剂的老化,构建了基于线粘弹杆结构的一维机电耦合模型,根据粘弹性波的理论与边界条件进行分析,建立一种线粘弹结构动态模量与其机械阻抗的表征关系,并对构建的机电耦合阻抗模型进行了数值计算及试验验证。针对HTPB固体推进剂开展高温热加速老化试验及压电主动激励试验,根据监测所得导纳频谱并通过提取结构机械阻抗进行分析,结果表明:压电陶瓷片与推进剂结构在高频机电耦合运动时(300kHz,280kHz)有明显的共振现象,结构固有频率高于机电耦合共振频率,并且在200kHz～400kHz频段与700kHz～900kHz频段内,结构机械阻抗频谱峰值会因固体推进剂的热老化时间增长而降低,且与热老化时间之间满足线性关系。由此可见,压电阻抗法能够与固体推进剂在力学性能上建立表征关系,通过得到固体推进剂结构机械阻抗能够监测其老化损伤。     

NEPE高能推进剂力学性能模拟计算

将颗粒填充聚合物三相结构(颗粒相-中间相-基体相)和粘弹模型相结合,提出了NEPE高能固体推进剂三相结构粘弹模型,建立了NEPE高能推进剂力学性能与其配方组成、固体填料粒径及级配、弹性母体(基体)的拉伸强度和模量、界面层模量等参数的数学关系,进行了编程计算,其拉伸强度和伸长率90%的计算值和测试结果相对误差小于20%。     

基于细观颗粒夹杂模型的复合固体推进剂松弛模量预测

为更准确地预测不同固体颗粒体积分数的复合固体推进剂的松弛模量,采用了分子动力学方法对不同体积分数的复合固体推进剂细观模型进行建模.根据有限元理论及细观力学均匀化方法,计算在定应变工况下复合固体推进剂细观模型的平均应力随时间的变化,从而有效地预测复合固体推进剂的松弛模量.该方法有效地体现了随填充颗粒体积分数的增大,复合固体推进剂瞬时模量逐渐增大的变化规律及颗粒随机分布对复合固体推进剂瞬时模量的影响.将其应用到复合固体推进剂的设计过程中,可有效降低设计成本,缩短设计周期.      

基体特性对HTPB推进剂力学性能的影响

按工程生产工艺要求，制得hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB)固化胶片，通过控制试验环境温度（-50、-35、-20、0、20、35℃），得到了基于Prony级数形式的具有不同松弛特性的复合基体材料的松弛行为描述，为细观模型的建立提供了必要参数。随后基于分子动力学方法，结合具有内聚本构的黏接单元，建立了推进剂的细观计算模型。为验证所建数值模型的准确性，对固体推进剂在常温条件下进行宏观松弛力学试验，将仿真结果与试验数值的对比，试验结果与仿真结果相差在20%范围之内。最后对具有不同随机分布及不同基体松弛特性的推进剂细观模型进行有限元计算，结果表明:颗粒随机性不影响推进剂的宏观力学行为，而基体松弛特性显著影响固体推进剂的宏观力学性能，基体松弛特性获取环境温度与推进剂的宏观初始模量、延伸率以及强度均呈指数型关系。      

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。     

贴壁浇铸固体火箭发动机动态应力应变分析

本文研究贴壁浇铸固体火箭发动机结构在燃烧室压力作用下的动态响应.固体火药药柱视为线性粘弹体,发动机外壳视为线性弹性体,利用轴对称平面应变动粘弹理论,导出动力学基本方程.它为积分微分方程形式,经过数值积分与差分技术,将方程离散化,转化为代数方程,用计算机求解.文中着重讨论固体火药与发动机壳体交界面处的径向接触应力σ_(r=b)并较为详细地研究了粘弹体剪切松弛模量G(t)对σ_(r=b)的影响,以及燃烧室压力的上升梯度及药柱与发动机外壳的物理参量与几何参量对σ_(r=b)的影响.     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。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,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm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对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。