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。     

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。     

考虑颗粒形状的复合固体推进剂细观损伤分析

HTPB复合固体推进剂作为一种多颗粒填充的含能材料,其损伤过程复杂。为更直观地分析其受损过程,从细观角度出发,通过分子动力学方法建立圆形颗粒填充模型与多边形颗粒填充模型。在颗粒/基体界面嵌入了零厚度的内聚力单元,分别采用双线性内聚力模型与指数型内聚力模型的分离位移关系对其进行数值仿真,并通过了Hooke-Jeeves反演方法得到了内聚力模型参数。通过对5组加载速率下不同模型的试验结果与仿真结果对比,发现多边形颗粒模型更符合推进剂的细观结构;指数型内聚力模型更适合粘弹性材料的损伤;载荷速率的提高,使得材料的模量下降率升高。     

复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征

复合固体推进剂脱湿涉及导弹武器的贮存和使用情况。针对复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征开展研究。首先为研究复合固体推进剂在外界载荷作用下的细观损伤演化规律,基于随机序列吸附法、热膨胀原理和分步填充的思想,实现了高体积分数颗粒填充,并通过几何合并的方式,加入粘合剂基体和颗粒/基体界面,建立了高体积分数固体推进剂三维细观结构模型。该细观几何模型将固体氧化剂(AP)颗粒与羟基封端的聚丁二烯(HTPB)粘合剂基体的连接界面处设定为内聚力单元,基于双线性损伤内聚力模型,考虑粘合剂基体与时间相关的粘弹特性,开展了不同应变率下固体推进剂的颗粒/基体界面脱湿数值模拟。提取内聚力界面单元高斯积分点的几何体积和刚度衰减率SDEG数据,定义固体推进剂材料内部脱湿面积,对其细观损伤进行了定量表征。结果表明,该三维细观结构模型能有效表征固体推进剂的细观结构。在外界载荷作用下,颗粒/基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域,界面损伤导致颗粒承载能力下降,且应变率越高,推进剂内部越容易出现损伤。     

基于激光剪切散斑干涉的包覆药柱界面缺陷类型分辨

为了分辨出固体推进剂包覆界面中脱粘缺陷和非脱粘缺陷(气泡、夹杂等),利用激光剪切散斑干涉技术和有限元数值模拟手段，对包覆层中预设有脱粘缺陷、气泡缺陷和夹杂缺陷的平板试件进行了实验研究、数值计算，并对比分析了三种类型缺陷在真空负压加载及热加载条件下变形机理。实验结果表明，相同加载条件下，脱粘缺陷对应的离面变形远大于气泡缺陷和夹杂缺陷。数值分析显示负压加载条件下，相同尺寸的脱粘缺陷的离面位移是夹杂缺陷离面位移的2～10倍，比气泡缺陷的离面位移大1～2个数量级。另外，数值计算热加载激励条件下，三种类型缺陷的离面位移差异也较大。相同尺寸下，脱粘缺陷离面位移明显大于气泡缺陷和夹杂型缺陷，且缺陷尺寸越大，变形差距越明显。研究结果可为固体推进剂包覆层粘接缺陷检测、脱粘型与非脱粘型缺陷分辨提供技术支撑。     

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。     

基于实测数据的固体火箭发动机粘接界面振动损伤分析

为研究某立贮式固体火箭发动机在海洋值班条件下推进剂/衬层粘接界面的损伤情况,对固体火箭发动机在实际振动载荷与重力耦合作用下的疲劳损伤进行了评估。对监测的发动机振动数据进行了预处理;利用有限元软件先后模拟了发动机固化降温过程和值班振动过程;运用三点雨流循环计数和Miner理论对粘接界面危险点处累积损伤值进行了计算。结果表明,固化降温过程中,药柱两端与人工脱粘层脱开,推进剂/衬层粘接界面剪应力变化过程可由幂函数τ=a·t~b+c表示;以固化降温结果作为原始条件,振动初始时刻粘接界面剪应力发生剧烈变化,约15 s后剪应力稳定变化,最大值点位于界面头部;在某特定海情下连续值班一年时,重力和振动载荷造成的某固体发动机寿命损伤为14.84%。     

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。     

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过栽联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。     

一种大型固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法

针对列装部队服役产品现场开展固体火箭发动机燃烧室界面粘接质量无损检测的需求,研制了一种针对大型固体火箭发动机燃烧室推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测系统。该系统基于机电阻抗频率响应函数方法,由多通道高速数据采集设备、压电主被动传感晶片、激励装置和软件评估系统组成,利用激励装置敲击固体发动机壳体待测结构表面,通过Lab VIEW数据采集程序测得响应信号,根据机电阻抗频响波形特征及波峰数量判断界面脱粘缺陷。当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时,频响函数曲线仅有一个明显平滑的主波峰,当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时,频响函数曲线的波峰数量增加,呈现明显的锯齿波形状。该方法便捷高效,非常适用于大型固体火箭发动机总装后整体产品燃烧室界面粘接质量的快速野外排查,也可进行长期的燃烧室界面状态健康监测。     

基于GRNN的三元乙丙橡胶薄膜 粘接界面力学性能参数反演

基于广义回归神经网络(GRNN),提出了一种获取粘接界面的内聚强度和断裂韧性的数值方法。在ABAQUS中建立了双悬臂夹层梁(DCSB)的三维有限元模型(FEM),引入双线性内聚力模型描述界面单元的本构关系,采用不同的内聚参数计算加载点的载荷-位移关系。将有限元计算结果整理后作为广义回归神经网络的训练样本,将实验结果作为输入,预测了粘接界面的力学性能参数。结果表明,采用GRNN和Hooke-Jeeves算法获取粘接界面的力学性能参数分别需要进行25轮次和62轮次有限元分析,与GRNN和修正梁模型对应的加载点载荷-位移曲线和实验曲线之间的最大相对误差分别为1.12%和6.67%,基于GRNN的反演方法能够快速、准确地获取粘三元乙丙橡胶薄膜接界面的力学性能参数。     

固体火箭发动机橡胶绝热层粘接分析

介绍固体火箭发动机金属壳体、绝热层、胶粘剂表面特征,并对其各界面粘接问题进行分析。阐明绝热层配方设计与界面粘接关系。确定胶粘剂研制、选用原则,分析界面脱粘类型及原因。控制工艺要点、降低界面缺陷,提高粘接性能,以满足发动机装药结构完整性和使用可靠性的要求。     

固体推进剂低温细观损伤仿真研究

为了研究低温条件下固体推进剂的细观损伤,采用Cohesive单元描述推进剂材料的颗粒/基体界面,基于ABAQUS软件,开发了模拟基体开裂的VUMAT本构子程序,仿真了常温和低温条件下其损伤破坏过程。结果表明,低温对单颗粒推进剂影响较小,推进剂损伤从界面脱粘开始,沿颗粒赤道方向由脱粘面向基体扩展,规律与常温情况相同。随着推进剂颗粒增加,虽然大颗粒仍然首先发生界面脱粘,但是低温会对推进剂界面脱粘和基体断裂的时机、位置和损伤程度造成显著影响,导致推进剂破坏形式更加复杂。     

基于损伤的HTPB推进剂／衬层界面内聚法则构建

为提高丁羟（ HTPB）推进剂／衬层界面数值仿真结果的准确性,首先改进了单搭接试件,通过剪切实验获取界面断裂参数,而后分别采用双线型模型和指数型模型对试件进行数值研究,进行影响分析,并在此基础上建立了一种基于损伤变量的自定义内聚力模型,使模型具有了明确的物理含义。结果表明,改进的单搭接试件能够测定柔韧粘接件的II型断裂参数;II型界面断裂时,内聚力曲线形式与实验曲线形式一致;该基于损伤的内聚力模型能够比双线性模型和指数型模型更准确地反映HTPB推进剂／衬层界面的II型断裂性质。     

固体发动机壳体一绝热层粘接检验试验和接收准则

大力神34D的固体助推器因接头处绝热层脱粘引起烧穿致使试飞失败后,提出在粘接界面机加一个“J”型槽来修正,对此结构进行了检验试验,并分析了其飞行条件下的应力,从而确定绝热层粘接界面所容许的“J”型槽最大深度为6.35mm.     

固体火箭发动机封头界面粘接相控阵超声检测技术可行性研究

固体火箭发动机封头部分的界面粘接状态目前还没有有效的检测方法,采用相控阵超声自动电子聚焦技术为该结构的检测提供了新思路.根据声线理论,研究等厚、不等厚壳体的界面粘接相控聚焦检测方式,得出相控聚焦具有较高的检测分辨率,同时也能解决不等厚壳体构件的界面粘接检测;对固体火箭发动机封头构件的粘接状态进行仿真分析,结果显示相控阵超声能很好地检测出构件的脱粘区域和大小,表明该检测方式在界面粘接检测方面具有广泛的应用前景.     

固体火箭发动机燃烧室界面脱粘的声振检测

为实现战术固体火箭发动机绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，针对超声谐振法进行了理论分析与检测试验，通过对试验结果的分析，确证了采用该方法能够实现绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，并对这一方法中影响检测结果的因素进行了讨论，提出了完善检测方法的建议。     

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。     

火箭发动机多层粘接结构的双模式检测

针对机载固体火箭发动机多层粘接结构的粘接质量检测问题，利用聚焦探头双模式检测方法提高了检测信号能量，获得有效检测信号。通过一次螺旋C-扫描获得了双层包覆二界面粘接质量诊断图像，其脱粘检测分辨率小于等于Ф5mm。     

固体火箭发动机人工脱粘技术研究进展

针对固体火箭发动机人工脱粘技术,将其研究进展分为结构设计与优化、结构破坏机理、试验技术及数值仿真研究,发现在人工脱粘结构局部设计和数值仿真计算方面已取得一定的研究进展,但在有关人工脱粘前缘处脱粘机理和试验方法等方面还缺乏系统性的研究,人工脱粘结构的表征研究和实际工况差距还较大,人工脱粘结构模拟表征和破坏机理是高压强大型固体火箭发动机需要关注的关键技术。综合人工脱粘结构模拟表征、宏细观失效机理、数值模拟、失效准则、结构完整性分析与多因素优化设计以及全尺寸试验验证技术,是未来固体火箭发动机解决人工脱粘问题的发展途径。