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。      

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

基于原位拉伸的推进剂/衬层界面力学性能研究

为了解释某种HTPB复合固体推进剂/衬层粘接试件载荷-位移曲线的"双峰"特征,设计了一种基于推进剂/衬层微型试件的原位拉伸试验方法,根据界面细观破坏形态与载荷变化过程,提出了界面处颗粒脱湿及基体断裂过程分别对应两个载荷峰的假设。采用改进的并联Maxwell元件模型对界面断裂行为进行了模拟计算,重现了断裂过程的载荷-位移曲线的"双峰"特征,验证了假设的合理性。通过模拟计算实测曲线,给出了推进剂基体与颗粒之间的近似粘接强度等参数,为推进剂/衬层粘接系统细观材料参数计算方法提供了一种参考。     

固体火箭发动机装药粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型反演研究

针对以人工试算的方式获取粘接界面所采用的张开型-剪切型(Ⅰ-Ⅱ)混合型内聚力模型存在精度低且工作量大等问题，采用分步反演与Hooke-Jeeves优化算法相结合的识别方法，基于矩形粘接试件多角度拉伸载荷-位移实测数据，对装药粘接界面所采用的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型开展反演研究。反演结果表明：拉伸速率为5mm/min时，界面刚度、最大名义应变、临界断裂能的法向值分别为0.17MPa,3.85,6.14kJ/m²，切向值分别为0.09MPa,1.66,2.66kJ/m²;0°，22.5°，45°拉伸的仿真与实测载荷-位移曲线的相对误差分别为7.2%,5.1%,5.2%；基于反演获取的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的界面损伤系数分布图定量分析粘接界面的破坏情况，与实验结果吻合良好。以上均表明所采用的反演方法可有效修正粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的相关参数。     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

HTPB推进剂湿热老化规律及损伤模式实验

通过HTPB推进剂湿热老化实验,采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形试件声发射(AE)信号的方法,结合扫描电镜(SEM)断面观察结果,对HTPB推进剂的湿热老化规律和损伤模式进行了研究,给出了一个描述湿热老化性能变化规律的三阶段模型。实验研究表明:声发射信号累积计数对时间的导数的大小对应基体开裂、脱湿和宏观断裂三种损伤模式;同时水份破坏粘合剂和氧化剂的界面是导致脱湿关键因素,且水份在推进剂中的浓度与脱湿严重程度呈正相关。     

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。     

含初始缺陷的复合固体推进剂力学性能

为研究含初始界面缺陷的复合固体推进剂力学性能,基于周期性假设和分子动力学算法构建复合固体推进剂细观结构模型,在高氯酸铵(ammonium perchlorate,AP)颗粒与端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应。通过相应算法实现对界面缺陷单元的自定义,基于商业有限元软件ABAQUS数值计算存在初始界面缺陷的推进剂的宏观力学响应,其应力-应变云图表明缺陷界面处会更早达到损伤条件发生脱粘,缺陷的存在会加速推进剂的断裂失效的进程。通过对比不同界面缺陷含量的仿真结果,发现界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及抗拉强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势。     

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。     

无预固化衬层成型工艺对界面粘接强度的影响

采用钢/ 三元乙丙绝热层/ 衬层( K/ J/ B) 粘接试件和钢/ 三元乙丙绝热层/ 衬层/ 推进剂( K/ J/ B/ Y)矩形试件,对三元乙丙(EPDM)绝热层、无预固化衬层界面粘接强度进行测试,研究了EPDM 绝热层表面处 理工艺、衬层成型厚度以及衬层成型后装药间隔时间对界面粘接性能的影响。结果表明:无预固化衬层与表面 未处理的EPDM 绝热层粘接强度约1. 0 MPa,而EPDM 绝热层表面处理后,无预固化衬层与绝热层和推进剂界 面的粘接良好。无预固化衬层成型厚度为0. 3 ~0. 5 mm,界面粘接强度基本不变;衬层成型厚度增大到0. 7 mm,则界面粘接强度逐步增加。K/ J/ B/ Y 断裂面均在推进剂间,界面良好无异常;装药间隔时间从4 h 延长至 24 h,对K/ J/ B/ Y 粘接强度影响较小,无预固化衬层完全可以按照现行装药工艺进行装药。     

基体特性对HTPB推进剂力学性能的影响

按工程生产工艺要求,制得hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB)固化胶片,通过控制试验环境温度（-50、-35、-20、0、20、35℃）,得到了基于Prony级数形式的具有不同松弛特性的复合基体材料的松弛行为描述,为细观模型的建立提供了必要参数。随后基于分子动力学方法,结合具有内聚本构的黏接单元,建立了推进剂的细观计算模型。为验证所建数值模型的准确性,对固体推进剂在常温条件下进行宏观松弛力学试验,将仿真结果与试验数值的对比,试验结果与仿真结果相差在20%范围之内。最后对具有不同随机分布及不同基体松弛特性的推进剂细观模型进行有限元计算,结果表明:颗粒随机性不影响推进剂的宏观力学行为,而基体松弛特性显著影响固体推进剂的宏观力学性能,基体松弛特性获取环境温度与推进剂的宏观初始模量、延伸率以及强度均呈指数型关系。      

基于CDM-CZM的复合材料补片补强参数分析

 复合材料开口补强设计参数的确定对于结构设计具有重要的意义。针对复合材料层合板开口区补片补强结构,采用各向异性材料连续介质损伤力学模型(CDM)对复合材料层合板的损伤演化进行描述,采用粘聚区模型(CZM)对补片与母板间界面材料的分层损伤进行模拟,建立了复合材料开口区补片补强结构三维非线性渐进损伤模型,模型可预测补强结构强度和损伤演化过程。应用本文模型分析了补片铺层方式、补片厚度和补片半径3个主要设计参数对补强效果的影响,明确了补片与母板间界面材料分层损伤破坏是导致补强结构最终失效的主要原因。     

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。     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

复合材料 ENF 试件裂纹扩展理论分析简

 对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析

对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

三元乙丙橡胶薄膜黏接界面温度相关性力学性能

采用双悬臂夹层梁(DCSB)试件对三元乙丙橡胶(EPDM)薄膜黏接界面Ⅰ型断裂的温度相关性进行了研究;采用线弹性断裂力学(LEFM)方法获取了黏接界面断裂能,将其与单轴拉伸所得内聚强度作为双线性内聚力模型(CZM)参数,对不同温度条件下双悬臂夹层梁试件的Ⅰ型断裂行为进行了数值仿真.结果表明:仿真与实验曲线偏差较大,偏差出现的原因主要是未经修正的线弹性断裂力学方法所求断裂能存在较大的误差,需对其进行修正.调整模型参数使仿真曲线与实验曲线重合,获取了黏接界面的准确力学性能参数,采用此参数得到的仿真结果与实验结果具有较高的吻合度,证明了模型的可适用性.