基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

凝胶推进剂管道输送系统流阻特性实验和数值研究

为研究凝胶推进剂的流变特性,建立了两种不同结构的凝胶推进剂管道输送系统模型。在直管流变特性实验基础上,确定了凝胶推进剂的流变参数,采用凝胶推进剂和水对整个凝胶推进剂管道输送系统流动进行了数值模拟,并将结果与输送系统流阻实验的实验值进行了对比分析。结果显示数值计算结果与实验结果吻合较好。     

推进剂药浆流平性研究

用真空喷淋浇注和流变参数测定的方法,研究了ＨＴＰＢ、ＣＴＰＢ推进剂药浆的流平性,探索红浆屈服值、表观粘度与流平性的关系。实验结果表明：药浆屈服值与流平性相关,并对多种推进剂具有普遍适用性;提出用实测屈服值作推进剂药浆流平性判据参数。     

HTPB复合固体推进剂含损伤和老化本构研究

通过热氧老化实验、声发射损伤检测实验和蠕变柔量测试实验确定HTPB复合固体推进剂非线性本构关系，并与Schapery非线性本构方程进行比较，结果表明，含损伤老化模型较好地解释了HTPB复合固体推进剂的非线性特征，可以应用分析HTPB复合固体推进剂的力学特性。     

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。     

AP包覆硼对富燃推进剂药浆流变特性的影响

用四种不同量AP包覆的硼粉,对硼含量达30%的富燃推进剂实验配方中的药浆流变特性进行了研究,结果表明:20%AP包覆硼粉的含硼富燃固体推进剂药浆的流变性与另三种硼粉的明显不同———近6h粘度为2 2kPa·s,屈服值在300Pa以下,表明其药浆流平性好并可满足浇铸要求。20%AP包覆硼的合适包覆量、包覆完整的表面性质及近似球型粒子的形状决定了其药浆的流变特性最优。     

低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能影响研究

为研究固体填料粒度级配及工艺助剂对低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能的影响,本文依据固体颗粒堆积最密集排列理论,建立了固体颗粒级配模型,结合固体填料实际粒径,计算得到两种理想刚性球的堆积结果,并在此基础上考察了不同级配配方药浆流动性及触变性。同时,通过筛选工艺助剂种类及优化最适助剂用量,对比了加入不同工艺助剂配方药浆的触变性。结果表明：当采用双二级配模型,计算出的固体颗粒级配比例最优;通过进一步优化固体颗粒级配,结合药浆触变环大小快速判定了推进剂固体级配的合理性,提高了低铝低燃速HTPB推进剂配方工艺性能的可设计性;当工艺助剂选用SU-2,且用量为0.03%时,推进剂工艺性能明显改善,适用期可达596min。     

低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能研究

为研究固体填料粒度级配及工艺助剂对低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能的影响，依据固体颗粒堆积最密集排列理论，建立了固体颗粒级配模型，结合固体填料实际粒径，计算得到两种理想刚性球的堆积结果，并在此基础上考察了不同级配配方药浆流动性及触变性。同时，通过筛选工艺助剂种类及优化最适助剂用量，对比了加入不同工艺助剂配方药浆的触变性。结果表明：当采用双二级配模型，计算出的固体颗粒级配比例最优；通过进一步优化固体颗粒级配，结合药浆触变环大小快速判定了推进剂固体级配的合理性，提高了低铝低燃速HTPB推进剂配方工艺性能的可设计性；当工艺助剂选用SU-2，且用量为0.03%时，推进剂工艺性能明显改善，适用期可达596min。     

HTPB复合固体推进剂非线性本构研究

采用Ｓｃｈａｐｅｒｙ蠕变型非线性粘弹性本工用Ｍ－Ｃ方法,分析蠕变实验数据,研究了ＨＴＰＢ复合固体推进剂非线性本构关系。结果表明,该方法可以减少加卸载时数据波动的影响,降低参数拟合对实验条件的要求。Ｓｃｈａｐｅｒｙ非线性模型较好地反映了ＨＴＰＢ复合固体推进剂的力学性能,可以用于固体推进剂的力学分析。     

表界面化学原理在复合固体推进剂中的应用

从表界面化学基本原理出发,进行一些数理上的推导,探寻出复合固体推进剂各组份表面张力及极性分量的测试方法,并对各种组份间的界面张力和界面粘附功进行了估算,从而对固体推进剂药浆流变性能和药柱的力学性能进行了预估,同时为界面改性研究和功能助剂研究提供了理论依据。     

硝酸酯增塑聚醚推进剂药浆固化反应研究

从推进剂药浆固化的动态流变特征出发，用DRA动态流变学方法研究了硝酸酯增塑聚醚推进剂的固化反应动力学。结果表明：它可提供推进剂药浆固化的表观凝胶化时间和固化反应的表观活化能；活化能随动态条件的不同而异，具有明显的固化反应指纹特征；动态流变学方法可对药浆直接进行固化反应动力学研究。对于深入研究推进剂性能将有很好的实际意义。     

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。     

氨基甲酸酯基对推进剂工艺性能的影响

用甲苯二异氰酸酯封端的丁羟粘合剂进行推进剂制药实验，经测定药浆流变特性，研究了聚氨酯推进剂中氨基甲酸酯基对药浆工艺性能的影响。结果表明：氨基甲酸酯基对改善聚氨酸推进剂的药浆工艺性能有重要作用。氨基甲酸酯基与相连的粘合剂大分子一起作用，可增加推进剂填料颗粒的表面润湿性、分散性和推进剂药浆二相流的连续性，从而显著降低药浆屈服值、减少假塑性，改善推进剂的工艺性能。     

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。     

考虑围压效应的N15固体推进剂本构模型

利用自制围压试验系统,完成了不同围压下N15固体推进剂的力学性能测试,结果显示:围压对推进剂初始模量影响不大,但最大抗拉强度、断裂强度、最大伸长率和断裂伸长率均随着围压的增大而增大;结合推进剂细观结构及断面分析,初步揭示了围压对推进剂力学性能的影响机理,由于围压的存在,推进剂内部颗粒脱湿度降低,孔洞由于受到压迫,其形成扩展过程延缓,裂纹萌发扩展被抑制,从细观结构上证明了围压对推进剂具有强化效果;根据弹性-黏弹性对应原理建立了考虑围压效应的N15推进剂本构模型,结果表明所建立的本构模型准确度较好,能够准确描述围压对N15推进剂力学性能的影响。