改性双基推进剂断裂能下限研究

为获得改性双基推进剂断裂能下限值,使用标准哑铃型试件、紧密拉伸试件和双边切口试件进行了不同拉伸速率下的单轴拉伸实验。实验结果表明:力与位移之间的关系可以反映三种试件失效形式的不同,失效形式决定了推进剂断裂能下限的获取方法。断裂能密度随拉伸速率的增大呈现出先急速上升后缓慢上升最终趋于稳定的过程。紧密拉伸试件和双边切口试件的断裂能密度明显低于标准哑铃型试件;当拉伸速率200mm/min时,紧密拉伸试件的断裂能密度小于双边切口试件,随着拉伸速率的增大,两者的差距越来越小,可将紧密拉伸试件的断裂能密度作为改性双基推进剂断裂能下限;当拉伸速率200mm/min时,紧密拉伸试件和双边切口试件的断裂能密度几乎相等,两种试件获得的断裂能密度均可作为改性双基推进剂断裂能下限。     

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。     

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。     

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。     

纤维素甘油醚硝酸酯粘合剂及其推进剂的力学性能

利用X-ray衍射、拉伸实验和动态力学性能DMA实验研究了纤维素甘油醚硝酸酯(NGEC)的结晶度、NGEC及其推进剂的力学性能和动态力学性能,借助扫描电镜观察了NGEC基改性双基推进剂的断裂形貌,并通过流动性实验探索了NGEC全部与部分取代NC的改性双基推进剂的热加工工艺性能。结果表明:与NC相比,NGEC的结晶度和力学强度略低、延伸率较高、玻璃化转变温度低且转变温度范围宽;加入NGEC,可降低高固体含量改性双基推进剂的脱湿现象,有利于提高其力学性能;粘合剂体系中NGEC的含量对其改性双基推进剂的玻璃化转变的α松弛影响较大,随着NGEC含量的增加α松弛温度明显降低,而对β松弛的影响较小;与NC相比,NGEC的加入降低了改性双基推进剂的流动性实验出药压力,提高了出药速度,具有良好的热塑性及热加工安全性。     

单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。     

基于微观结构分析的CMDB推进剂动态断裂韧性加载率敏感性研究

为研究改性双基推进剂(CMDB)的动态断裂特性,利用霍普金森实验技术(SHPB)对CMDB推进剂进行了冲击实验,并对实验数据的可靠性进行了校验;通过数值仿真的方法进一步验证了实验数据的有效性,获得了CMDB推进剂的动态断裂韧性;利用电镜扫描技术对试件断面进行了微观表征和分析。结果表明:CMDB推进剂在加载率58906~100056MPa·m1/2·s-1范围内,表现出明显的加载率敏感性;加载率达到105000 MPa·m1/2·s-1左右时,断裂韧性不再继续增大,反而出现下降趋势;电镜分析结果表明,CMDB推进剂加载率敏感性与其内部高氯酸铵(AP)颗粒的微观破坏机理直接相关。     

基于Hopkinson技术的CMDB推进剂动态起裂韧性实验

为了研究改性双基（CMDB）推进剂的动态起裂韧性,利用Hopkinson实验技术对CMDB推进剂的含切缝半圆形（NSCB）试件进行了冲击实验.运用脉冲整形技术,获得了CMDB推进剂的载荷-位移曲线.采用改进型柔度变化率法得到NSCB推进剂试件的起裂点.通过ABAQUS有限元软件对NSCB试件的无量纲结构因子进行了标定,并获得了NSCB的动态起裂韧性.利用电镜扫描设备分析了NSCB试件断裂的微观机理,研究结果表明:在加载率为5.41×105~8.94×105MPa·m1/2·s-1范围内,CMDB推进剂的动态起裂韧性具有显著的加载率敏感性.结合电镜扫描图分析,随着加载率的增大,断面内部颗粒微观结构的破坏形貌逐渐恶化,消耗的能量相应增大.      

改性BMI／DPA和CTBN增韧环氧树脂的温度,力学性能及本构关系研究

研究了ＣＴＢＮ增韧环氧树脂和烯丙基双酚Ａ改性双马树脂（ＢＭＩ／ＤＰＡ）在不同温度和加载速率下的拉伸和压缩力学性能。对于ＣＴＢＮ 增韧环氧树脂,材料在动态拉伸情况下,随着应变率的增大,材料由韧变脆,模量升高,断裂伸长率下降;在压缩情况下,弹性模量和屈服应力均随着加载速率的增大而增大。对于改性双马树脂,在室温的动载压缩下,其模量Ｅ和屈服应力σｙ均基本上与ｌｎε呈直线关系增大,并给出了该树脂在不同加载速率下的压缩应力应变曲线。计算了两种材料的温度敏感度和加载速率敏感度以及温度和应变率对两种树脂材料屈服应力影响的本构关系。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

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。     

用ACP提高硝胺改性双基推进剂的燃速

通过添加快燃物ACP来提高硝胺改性双基推进剂的燃速，得到了ACP影响推进剂燃速的一般规律：推进剂的燃速随ACP的含量和粒度的增大而增大。运用热分析、扫描电镜、燃烧火焰单幅照相、燃烧波温度分布等分析和测试手段来研究含ACP的硝胺改性双基推进剂的燃烧过程，揭示了ACP提高推进剂燃速的机理：ACP的快速燃烧，使得推进剂燃面增大和传热量增加，导致推进剂燃速增加。     

Multiscale modeling of mechanical behavior and failure mechanism of 3D angle-interlock woven aluminum composites subjected to warp/weft directional tension loading

The mechanical behavior and progressive damage mechanism of novel aluminum matrix composites reinforced with 3D angle-interlock woven carbon fibers were investigated using a multiscale modeling approach. The mechanical properties and failure of yarns were evaluated using a microscale model under different loading scenarios. On this basis, a mesoscale model was developed to analyze the tensile behavior and failure mechanism of the composites. The interfacial decohesion, matrix damage, and failure of fibers and yarns were incorporated into the microscopic and mesoscopic models. The stress–strain curves and fracture modes from simulation show good agreement with the experimental curves and fracture morphology. Local interface and matrix damage initiate first under warp directional tension. Thereafter, interfacial failure, weft yarn cracking, and matrix failure occur successively. Axial fracture of warp yarn, which displays a quasi-ductile fracture characteristic, dominates the ultimate composites failure. Under weft directional tension, interfacial failure and warp yarn rupture occur at the early and middle stages. Matrix failure and weft yarn fracture emerge simultaneously at the final stage, leading to the cata-strophic failure of composites. The weft directional strength and fracture strain are lower than the warp directional ones because of the lower weft density and the more serious brittle fracture of weft yarns.     

Service life prediction of AP/Al/HTPB solid rocket propellant with consideration of softening aging behavior

The aging behavior of softening composite solid propellant was investigated by measuring its mechanical and ballistic prosperities during prolonged storage at elevated and room temperatures. Accelerated aging was conducted at 65 °C for 231 days while the normal aging was performed at 25 ± 3 °C and relative humidity less than 50% for 8 years. The mechanical properties were obtained from uniaxial tensile tests for the aged propellant specimens while the ballistic properties were determined from static firing tests of subscale motors aged for 112 days at 65 °C. The mechanical results show that the maximum tensile strength and Young's modulus initially increase and subsequently decrease with increasing aging time, while the maximum tensile strain generally increases with increasing aging time. The ballistic properties like burning rate show a small change which cannot affect the ballistic performance. The experimental results show that the changes in the mechanical properties are significant during the aging period, but the burning rate does not undergo significant changes. From this study, it is observed that the propellant ages through a combination of reactions like post-cure, oxidative cross-linking, chain scission, and hydrolysis. The chain scission and the hydrolysis effect are the most significant process, which makes the propellant soft and extendible. The observed aging mechanism has been modeled using an exponential function with two terms which can describe the complex behavior of the aging. By applying Arrhenius equation,the activation energy values were obtained based on the propellant mechanical properties. The shelf life of this propellant formulation at 25 °C is predicted to be 13 years using the modulus as failure criteria and control parameter.     

环境压强对固体推进剂力学行为的影响

为了解环境压强对固体推进剂的力学行为的影响，以NEPE固体推进剂为研究对象，利用高压材料试验机，研究了室温中两种拉速条件下的NEPE推进剂力学行为变化规律。结果表明：NEPE推进剂的抗拉强度、伸长率、断裂伸长率均随环境压强的增加而增大。建立了环境压强对NEPE推进剂力学行为影响的数学模型，提出了力学性能压强指数的概念，并对测试结果进行了简要分析。     

HTPB推进剂的低温疲劳特性

为探究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在低温下的疲劳特性，结合空空导弹在使用中的实际情况设计了包含不同应变幅值和加载频率的高周疲劳实验.实验在动态热机械分析仪上进行，温度保持为-50℃，加载频率设定为50,100,150Hz.为了考察低温下HTPB推进剂微小预变形对疲劳特性的影响，在动力循环加载前进行了准静态加载.疲劳实验后对试件实施单轴恒速拉伸，以获取疲劳后推进剂的力学参数.结果表明:在其他条件不变的情况下，疲劳应变幅值和加载频率越大，材料力学性能劣化程度越大，所累积的疲劳损伤量越大.初始阶段的准静态加载对推进剂疲劳特性起消极影响，低温高频下推进剂的疲劳损伤演化呈现出非线性，随着疲劳次数的增加，疲劳损伤增速由快变缓.      

三维五向编织复合材料的冲击压缩特性及破坏机制

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统和高速摄像技术对三维五向碳/环氧编织复合材料的动态压缩特性进行研究。通过对编织角为22.3°的试样分别进行沿纵向和横向方向的冲击压缩实验,得到材料在200~1200 s^-1应变率范围内的应力应变曲线,并结合高速摄像记录的动态压缩过程,对不同应变率下材料在高速变形下的渐进破坏规律进行分析。同时,综合试样的宏观破坏特征和微观断口形貌特征,进一步分析材料的破坏模式及破坏机理。结果表明:随着应变率的增加,材料在纵向和横向均具有一定的应变率强化效应,在横向方向的应变率强化效应更为显著;不同加载方向下材料的渐进破坏过程、应力应变曲线特征以及破坏方式均具有明显差异,且随着应变率的增加而发生改变。     

复合材料层合板在动态变温情况下断裂韧性的研究

在室温至６５℃环境下,采用ＷＥＫ 断裂模型预测玻璃布－ 环氧层板材料的动态断裂韧性, 给出了具体的实验测试步骤和理论分析方法,同时测定了单边切口拉伸情况下的断裂功。结果表明,温度、加载速率的改变对玻璃布－ 环氧层板材料的断裂性能有明显的影响。还分析了在不同温度、不同加载速率条件下玻璃布－ 环氧层板材料的破坏过程及内部损伤情况。