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。     

不同拉伸速率下改性双基推进剂的力学特性

为研究改性双基推进剂力学性能的率相关性,开展了不同速率下改性双基推进剂单轴拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断面的形貌进行了观察,分析了拉伸速率对推进剂力学性能以及断面形貌的影响,以及不同拉伸速率下的破坏模式。结果表明：随拉伸速率的增加,推进剂应力-应变曲线逐渐出现应变强化现象,且现象越来越明显;推进剂的初始模量、强度随拉伸速率的增大呈现上升趋势;推进剂的断裂伸长率随拉伸速率的增大,呈现先上升后下降的趋势,在0.24%·s-1应变速率附近达到极值;随拉伸速率的增大,推进剂的破坏模式分别表现为颗粒“脱湿”、基体断裂、颗粒断裂。     

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加。在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型。通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据。     

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。     

振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能影响

为了研究振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能的影响,通过60℃和70℃温度下HTPB推进剂10%定应变振动试验,采用单向拉伸法和扫描电镜观测法,对定应变HTPB推进剂在振动载荷作用下的宏观力学性能变化规律和细观损伤模式进行了研究。结果表明:定应变状态下振动载荷的作用使HTPB推进剂的抗拉强度减小(最大值超过5%),最大延伸率增大(最大值超过15%);老化初期振动载荷对高氯酸铵(AP)颗粒脱湿发展影响较小,当定应变状态下推进剂中的AP颗粒脱湿到一定程度时,振动载荷的作用会促进AP颗粒脱湿,降低固体颗粒的模量增强作用。     

高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究

为研究HTPB推进剂在冲击载荷作用下的动态断裂特性与破坏机理,使用中心直裂纹圆盘试件,在分离式Hopkinson压杆实验系统上开展了推进剂动态断裂实验,得到了高应变率下HTPB推进剂的Ⅰ型动态起裂韧性值,利用扫描电镜观察了推进剂的断面形貌,并使用分形几何方法计算了断面分形盒维数。结果表明:本文的实验方法是有效的,推进剂的动态起裂韧性具有明显的应变率敏感性,在应变率400~1100s-1范围内,其值随着加载速率的增加呈现线性增长的关系;推进剂在高应变率条件下呈现颗粒破碎、穿晶断裂等脆性断裂特性,应变率越高,推进剂断面的分形盒维数越大,推进剂的颗粒破碎程度越严重,从微观层面验证了推进剂断裂韧性的应变率敏感性。     

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推进剂拉伸力学行为的应变速率相关超弹本构模型

为研究HTPB推进剂拉伸力学行为的应变速率相关性,采用万能试验机和液压试验机,在室温下开展了不同应变速率(1.2×10~(-4)~80s~(-1))的拉伸实验。结果表明:给定应变对应的应力随应变率对数双线性增加,1s~(-1)为双线性关系的转折点;随应变的减小,HTPB推进剂的应变率敏感性线性增强。在Mohotti建立的模型基础上,结合拉伸力学行为的双线性率相关特性及应变率敏感性的应变依赖性,提出改进的应变速率相关超弹本构模型。该模型以超弹性元件作为基础描述参考应变率下的力学行为,率相关元件乘入超弹性元件描述率相关特性。模型预测与实验曲线对比表明:所提出的率相关超弹本构模型能够描述HTPB推进剂在1.2×10~(-4)~80s~(-1)应变率、30%应变范围内的拉伸力学行为。     

航空透明聚氨酯胶片动态力学性能实验研究

对夹层玻璃中聚氨酯胶片的动态力学性能进行系统研究,可以为飞机和高铁风挡玻璃抗冲击性能的设计提供可靠的材料数据和模型。利用温度控制的Hopkinson拉、压杆试验装置和微型材料试验机(MTS5587)对聚氨酯胶片在-40~50℃温度范围、0.001~6 500s-1应变率范围内的力学行为进行了系统研究。结果表明:航空透明聚氨酯的力学性能具有明显的温度敏感性和应变率敏感性,随着应变率提高或温度降低,聚氨酯胶片的流动应力和割线模量也相应增加,表现出明显的应变率和温度效应,同时两者可能有一定的等效性。温度从-20℃下降到-40℃时,应力-应变曲线变化显著,表现出向玻璃态转变的特性。在0℃以上的温度时,同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值要低于动态压缩曲线的应力值。而在温度低于0℃时,在同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值则高于动态压缩曲线的应力值。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂强度准则研究

为获得低温动态加载下老化后HTPB推进剂强度准则,开展了低温动态加载下不同热老化时间后HTPB推进剂单轴与准双轴拉伸试验,根据试验结果获得的力学性能参数,基于双剪强度理论构建了推进剂强度极限线及故障包络线。研究发现:随着温度的降低和热老化时间的延长,HTPB推进剂强度极限线范围变大,即推进剂强度增强;随着热老化时间的延长,HTPB推进剂故障包络线缩小,即推进剂抵抗破坏能力逐渐减弱。研究结果可为低温点火条件下战术导弹药柱结构完整性分析提供数据支持。