EPDM绝热层的粘超弹本构模型

为了准确描述固体火箭发动机内三元乙丙(EPDM)绝热层在有限变形下的力学特性,主要通过多步松弛和单轴拉伸2种实验方法,获得平衡响应曲线和拉伸曲线。分别采用Ogden模型、Mooney-Rivlin模型,对平衡响应曲线进行拟合,并以此为基础,引入应变率参数μ来描述EPDM在单轴拉伸实验中的率相关特性,从而建立了EPDM在准静态单轴拉伸条件下的本构模型。研究结果表明,本文所建立的模型能很好地描述EPDM在准静态条件下的力学特性,通过该模型,也可在有限应变率范围内预测EPDM的应力响应特性。     

双脉冲发动机EDPM软隔层含率相关能量限制器的黏超弹本构模型

在软隔层式双脉冲发动机中的设计过程中,软隔层的变形及破坏是一个很重要的问题。传统的表征橡胶类材料的超弹本构模型不能准确描述软隔层在工作过程中的变形及失效行为。为此,在Volokh等提出的含能量限制器的黏超弹本构模型的基础上,引入含率相关项的能量限制器,使其能够描述EPDM软隔层在单轴拉伸时的断裂伸长率的率相关性。为获取模型参数,进行了单轴拉伸试验,并采用最小二乘法拟合出模型参数。最后,利用所建的本构模型与试验结果进行了比较,比较结果表明模型能较好地预测EPDM在单轴拉伸时的失效行为。     

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%。     

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应，即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性，基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法，编写了基于Abaqus的用户子程序，并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现，非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应，自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响，与不考虑自热效应相比，循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著，表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明，考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为，滞回圈的形状与实验结果更为吻合，斜率误差在10%以内。     

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。     

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.     

固液火箭发动机燃料LDPE热解产物分布研究

依据固液火箭发动机燃烧室内工作环境,采用裂解气相色谱法研究低密度聚乙烯(LDPE)的热解特性,并分析了裂解气相色谱实验数据;综合考虑热解过程、热解化学动力学和热解产物分布,利用统计理论建立LDPE的热解产物分布模型,根据该模型可得到在不同温度下LDPE热解的热解产物组成及相对含量。     

B65A-S钢动态力学性能及本构模型的研究

为了研究B65A-S钢的动态力学行为,采用Instron液压试验机和分离式霍普金森压杆试验装置,在不同应变率和不同温度条件下对圆柱形试样进行准静态和动态加载试验。试验结果表明,材料的屈服强度与流动应力随着温度升高而降低;在温度一定时,随着应变和应变率的增大,材料的流动应力增高,具有典型的温度软化、应变强化和应变率强化特性。最后基于Jonson-Cook本构模型对试验数据拟合,得到B65A-S钢的Johnson-Cook本构模型参数。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

HTPB推进剂宽泛应变率下粘弹性本构模型研究

为研究HTPB推进剂的率相关性力学性能,采用材料万能试验机、液压试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB),分别开展了低(1.67×10~(-4)~1.67×10~(-1)s~(-1))、中(1~100 s~(-1))、高(700~2 500 s~(-1))应变率的单轴压缩实验。实验结果表明,HTPB推进剂的压缩力学性能是率相关性,随应变率的升高,给定应变下的应力逐渐增大。采用广义非线性ZWT本构模型描述HTPB推进剂宽泛应变率下的压缩力学行为,模型预测与实验数据对比表明,模型中至少需要4个麦克斯韦元件。     

基于CRKSPH的炸药巴西压裂仿真研究

使用守恒型再生核粒子(CRKSPH)方法,结合弹脆性损伤本构模型,对PBX9501炸药标准巴西试验断裂过程进行了仿真,并对炸药内裂纹的产生和分布进行了预测。计算中,使用CRKSPH方法,可有效地提高计算精度和避免人工粘性误差;本构模型基于PBX9501炸药材料细观结构特征和破坏模式,并使用损伤参数D(单位面积上微缺陷的密度)来表征材料的破坏程度;计算结果中,试件断裂形式和中心点应力结果与文献中试验结果符合较好,而且加载速率对试件的断裂形式和断裂时间均有一定的影响。研究表明,CRKSPH方法在计算PBX9501炸药断裂损伤及裂纹扩展问题上有一定的工程实用价值。     

CMDB/EPDM包覆界面脱粘性能研究

为了研究固体火箭发动机改性双基(CMDB)推进剂与三元乙丙(EPDM)包覆层界面的脱粘性能,通过双悬臂梁(DCB)试件和粘接件单轴拉伸试件对界面性能进行试验研究,获取了界面的内聚能和内聚强度。同时,引入双线性内聚力模型对界面层单元进行描述,建立了界面裂纹开裂扩展计算模型。模型仿真曲线与试验曲线一致性较好,表明所建内聚力模型能够反映界面力学特性。对试验与仿真过程中的裂纹面开裂扩展过程进行了比较分析,发现二者变化趋势基本一致,误差范围在12.5%以内,验证了界面模型在描述裂纹面扩展方面的可靠性。     

HTPB复合固体推进剂老化损伤的CT研究

针对HTPB复合固体推进剂老化存在的材料性能劣化问题，采用了计算机层析识别技术研究HTPB复合固体推进剂材料老化损伤．通过HTPB复合固体推进剂损伤的数学模型，定量描述了材料的老化问题，并将其代入推进剂粘弹本构方程．结果表明．老化损伤的粘弹本构方程能够一定程度上描述损伤老化引起的材料劣化问题。     

硅橡胶"O"形密封圈Mooney-Rivlin模型常数的确定

依据非线性力学理论,用工程实用的测试方法,对硅橡胶材料单轴拉伸力学行为进行了测试,通过对测试结果的拟合处理,得到了四参数的Mooney-R ivlin模型常数,模型曲线与实测应力应变曲线吻合较好。采用该模型常数对硅橡胶“O”形密封圈工作状态的变形和应力进行了有限元分析,加深了对其密封性能的了解,对密封结构的设计分析具有一定的指导意义。     

用Kane方法建立末敏弹减速和稳态扫描段模型

引入多刚体运动模型，详细分析了伞刚体和弹刚体的受力和运动特性，运用Kane方法建立末敏弹在减速运动和稳态扫描段的完整运动模型，并进行数字仿真，仿真结果与实验结果有很好的一致性，并充分显示了该模型在数字仿真中的优越性。     

NEPE推进剂低温瞬态的粘弹特性

用动态力学分析方法究了PET/NG/TG类NEPE推进剂在低温点火瞬态条件下的粘弹特性.结果表明,推进剂的玻璃化转变温度(Tg)为-65℃,以-40℃为参考温度,推进剂在低频区域(f<10-3 Hz)处于高弹态,在f=10-3-107Hz处于玻璃化转变阶段,在高频区域(f>107 Hz)逐渐进入玻璃态.推进剂在假设点火条件(T=-40℃,t=1～100 ms)处于玻璃化转变阶段,其临界频率(ftr=4.5 Hz)小于点火频率(fc=10～103 Hz),临界温度(Tc=-25～-38℃)高于试验温度(r=-40℃).增塑剂使PET/N-100粘合剂胶片的临界频率ftr由145 Hz增至646～1 585 Hz,临界温度Tc由-30～-51℃降至-39～-53℃,理论计算与实验结果一致.     

两相环境下EPDM绝热层多因素耦合烧蚀预估

为保证发动机能在恶劣的环境中运行,在绝热层的设计中,绝热层的厚度将直接影响着发动机结构的稳定性,而绝热层的烧蚀预估对于绝热层厚度的合理设计非常重要。为解决固体火箭发动机三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层烧蚀性能工程预估问题,结合固体火箭发动机内两相流动的环境特点,以热化学烧蚀三方程模型和扩散化学动力学双控制机制为基本数学模型,以炭化层表面孔隙率为耦合参数,并综合考虑气流和粒子的侵蚀效应,建立了绝热层多因素耦合烧蚀模型的控制方程。通过对控制方程的隐式求解和对绝热层温度分布以及烧蚀线、炭化线、热解线位置的综合分析,获得了两相环境下EPDM绝热层的理论炭化烧蚀率。所得烧蚀率与实验结果对比,误差小于10%,表明给出的烧蚀预估方法可用于固体火箭发动机两相环境下EPDM绝热层烧蚀工程分析。     

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

HTPB推进剂细观损伤及载荷传递行为数值模拟

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂细观损伤及传力特性,基于粘超弹性材料本构和双线性内聚力模型,结合DIGIMAT建立了推进剂代表体积单元(RVE)模型,通过应力集中因子和载荷传递系数定量分析了颗粒和基体之间的载荷传递及应力集中程度。结果表明,颗粒位置随机并不会对力学性能造成明显的影响,但颗粒发生“脱湿”的位置改变可能会影响裂纹扩展的路径;颗粒的长径比越大,应力集中现象越明显,相较于椭圆形颗粒,圆形颗粒的界面更容易发生“脱湿”损伤;大颗粒含量越高,初始阶段颗粒的应力集中程度越大,基体的应力集中程度越小,载荷传递的效率越高,脱粘后变化趋势相反,同时大颗粒含量的增加会加快界面损伤的进程,加剧界面损伤的程度;颗粒体积分数越大,颗粒和基体的应力集中因子都将逐渐增加,初始阶段载荷传递效率越低,脱粘后载荷传递效率越高。     

太阳翼铰链结构的动力学实验与非线性动力学建模

通过动力学实验获得真实的太阳翼板间铰链结构于不同激振频率下的振动响应参数,并采用力状态映射法建立板间铰链的非线性动力学模型。首先,采用单频激励信号模拟外扰对实际的板间铰链结构实施动力学实验;然后,基于其结构具有的多重非线性动力学特性,根据实验数据应用力状态映射法辨识结构的动力学参数,建立其非线性动力学模型;最后,对由太阳翼板间铰链连接的两段梁所构成的系统进行了冲击激励下的振动响应测试,同时进行了有限元动力学仿真,实验测试结果和数值仿真结果取得了较好的一致性。本文建立的太阳翼板间铰链非线性动力学模型能够较好地反映其动力学特性,对于实际太阳翼结构的动力学建模具有理论参考价值。