HTPB复合底排药损伤本构模型研究

为研究HTPB复合底排药(Composite Base Bleed Grain,CBBG)力学性能,进行了室温(28℃)下准静态单轴压缩和拉伸实验。基于对HTPB CBBG有限变形过程的非线性力学响应分析,建立了五元件黏弹-黏塑-损伤本构模型。模型预测结果表明,所建模型能够准确描述HTPB CBBG压缩和拉伸力学性能。获得的损伤演化律表明,达到屈服应变εy后,累积损伤值D和损伤因子f随应变ε近似线性增长,应变率ε?降低4个量级,压应变为-0.62时、拉应变为0.24时的损伤程度分别增加了10.64倍和22.28倍,拉应力引起的材料损伤较压应力严重。结合所建模型编写了用户子程序VUMAT,利用ABAQUS/Explicit模拟了单轴拉伸实验。计算结果表明,应力应变曲线数值解与实验结果吻合良好,验证了VUMAT的正确性。     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

复合固体推进剂细观结构建模及脱黏过程数值模拟

为研究复合固体推进剂损伤演化规律,基于分子动力学颗粒填充算法构建了HTPB(hydroxyl terminated polybutadiene)推进剂细观结构模型,通过在AP(ammonium perchlorate)颗粒/HTPB基体界面处引入黏接接触替代传统的黏接单元,并基于Hooke Jeeves的参数优化算法反演得到颗粒/基体界面处内聚力模型参数,利用双线性和自定义指数型损伤内聚力模型模拟了AP颗粒和HTPB基体黏接界面处损伤的萌生、发展、聚合直至宏观裂纹破坏的过程。通过数值仿真与实验结果对比发现,指数型损伤内聚力模型比双线性模型能更准确描述推进剂单轴拉伸过程中颗粒与HTPB基体界面间脱黏过程。最后对比了多阶段加载实验结果与仿真结果曲线,发现两者变化趋势基本一致,最大偏差仅为10%,验证了所建细观模型的可靠性及反演所得界面参数的准确性。      

TA32高温钛合金超塑性能研究

采用恒应变速率法对TA32高温钛合金板材进行超塑拉伸,研究了温度920～980℃和应变速率5×10^-5～1×10^-3 s^-1条件下材料的超塑变形行为,并分析了锥形件胀形过程的变形特征和微观组织演变规律。结果表明,TA32合金具有良好的超塑性变形能力,温度920℃、应变速率1×10^-3 s^-1时最大延伸率达到864%。温度为940℃和960℃时,受平面应力变形的锥形件高度较高,分别为90 mm和92 mm;经过不同变形量的变形后微观组织变化并不显著。     

TA15钛合金局部减重中空双层结构超塑成形/扩散连接工艺

在应变速率为0.001 s^-1、0.005 s^-1、0.01 s^-1,温度为880℃、900℃、920℃、940℃的条件下对TA15钛合金进行了高温拉伸试验,材料在920℃以上、0.005 s^-1以下的延伸率可超过500%,具有优异的超塑性能。计算了TA15钛合金的本构方程及在应变速率为0.005 s^-1时,不同温度下的应变敏感性指数m值和材料常数K值。通过超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺,采用有限元模拟对双层结构件的壁厚分布进行分析,并获得了气压加载压力–时间曲线。在温度为920℃时,采用预镂空面板制得了局部减重的中空双层结构件,最小壁厚为0.31 mm,采用超声波C扫描对零件的扩散面积进行分析,结果表明,焊合率高于95%。     

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。     

HTPB黏弹性微裂纹偏折扩展损伤本构模型

为建立端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂的损伤本构模型,采用宏细观相结合的方法,将其细观损伤机理视为初始微裂纹偏折扩展的过程。首先,基于微裂纹稀疏估计理论,推导了Abdel-Tawab宏观本构方程中损伤映射张量的一般形式,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载,映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于能量释放率和最大周向应力准则,分析了三维币形裂纹偏折扩展的情形,进一步采用两步等效法,将偏折扩展后的裂纹等效为币形裂纹。最后,基于Schapery裂纹模型,推导了微裂纹稳定扩展的速率方程。数值结果表明,建立的模型能够有效地反映材料损伤的应变率、温度依赖性和各向异性特征。     

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。     

纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

TiBw/TA15复合材料板材超塑变形行为研究

研究了TiB_w/TA15复合材料板材在900~960℃、5×10^-4~10^-2s^-1条件下的超塑变形行为。结果表明,TiB_w/TA15复合材料流变应力随拉伸温度的升高和应变速率的减小而降低,在940℃、5×10^-3s^-1变形条件下获得的最大超塑性伸长率为439%。利用Zener-Hollomn参数和Arrhenius方程所建立的峰值应力本构方程为ε·=3.55×10⁸[sinh(2.0×10^-2σ)]^1.99×exp(-6.381×10⁵/RT),其变形激活能Q=638.1kJ/mol。复合材料超塑性变形组织与拉伸温度和应变速率密切相关。高温低应变速率有利于基体α相的动态再结晶以及晶须与基体处孔洞的愈合,低温高应变速率下,孔洞更易萌生于增强相与基体结合界面的端部。动态再结晶对复合材料超塑性的发挥起着关键作用。     

偶联剂MAPO提高HTPB推进剂延伸率的机理研究

用单轴拉伸和红外光谱法研究偶联剂ＭＡＰＯ在ＨＴＰＢ／ＡＰ／Ａｌ推进剂中的作用。实验结果表明：ＰＡＰＯ能提高ＨＴＰＢ推进剂的强度和起始模量，并不提高延伸率。ＭＡＰＯ提高延伸率是和配方中相应扩链剂配合的协同结果。二胺类化合物ＦＬ和ＭＡＰＯ匹配可提高ＨＴＰＢ推进剂延伸率。用比较拉伸贮能的方法可探索推进剂内部结构的变化。     

丁羟固体推进剂力学性能模拟计算

提出了丁羟固体推进剂力学性能的三相结构模型(分散相-界面相-连续相),建立了丁羟固体推进剂力学性能与弹性母体的伸长率和弹性模量、推进剂组分固体含量、粒径、级配、粘合剂和键合剂等的数学关系,进行了编程计算;推进剂抗拉强度和伸长率的计算结果与实验值吻合较好,并用该软件计算研究了弹性母体的伸长率及模量?AP的粒径及级配?键合剂的含量等对推进剂力学性能的影响规律。     

提高HTPB推进剂贮存寿命技术途径

以HTPB推进剂应保留值与贮存时间之间的理论关系为依据，研究了氧化剂AP的含量、分解分数、低温分解反应速率常数及HTPB粘合剂体系的氧化反应速率常数对HTPB推进剂贮存寿命的影响，结果表明，氧化剂AP的含量变化对HTPB贮存寿命的影响不大，降低氧化剂AP低温下的最大分解分数和低温分解反应速率常数以及HTPB粘合剂体系氧化反应速率常数均能显著地提高HTPB推进剂的贮存寿命。     

不同状态HTPB推进剂动态冲击损伤研究

针对HTPB推进剂长期服役中面临动态冲击的风险,以未老化、热老化和湿热老化三种不同状态HTPB推进剂为研究对象,研究动态冲击条件下HTPB推进剂损伤情况,采用细观检测设备(SEM,CT),以分形维数相结合的方式,定性和定量分析了损伤情况。研究结果表明,未老化和热老化HTPB推进剂动态冲击后,内部的损伤主要表现为颗粒穿晶断裂和破裂、基体与颗粒的界面损伤、基体撕裂、孔隙率增大等,经分析表明冲击时应力集中区易于在AP颗粒内部和颗粒/基体界面产生。而湿热老化HTPB推进剂在动态损伤后,表现为基体与颗粒的界面"脱湿"、基体撕裂和少量的颗粒断裂,冲击时应力集中区主要在颗粒/基体界面产生。采用分形维数对冲击后的损伤情况进行定量表达,损伤情况的严重程度由高到低依次是热老化、未老化和湿热老化,温度越低应变率越高,损伤越严重,同等实验条件下湿热老化的分形维数比未老化的情况减小了0.13%～4.82%,而热老化后的分形维数比未老化的情况提高了11.8%～15.0%。     

含铜有机络合物在丁羟推进剂中的作用过程初步探索

通过常压热重法、高压差热分析、夹心件中断熄火燃烧实验及SEM观察和XPS分析等多种实验观测手段,初步研究了一种能有效地降低HTPB/AP复合推进剂压强指数的含铜有机络合物(TP)的作用过程。研究表明,TP通过促进氧化剂AP的高温分解过程促进推进剂的燃速;TP的作用效果与这种化合物的耐热性和燃烧过程中各种产物的性质有关。对典型催化剂TP的研究结果为筛选燃速催化剂和进一步研究燃速催化机理提供了分析的依据。