循环加载下复合推进剂的能量耗散

在空空导弹的挂载飞行阶段,弹体高频振动导致的固体推进剂温升极大地损害了固体火箭发动机的性能。为深入探究固体推进剂的能量耗散及其影响因素,针对某复合推进剂进行了不同应变幅值下的多频率疲劳测试,并利用非接触式红外辐射装置同步采集了循环加载下推进剂试件的表面温度,讨论了频率、应变幅值两个因素对复合推进剂能量耗散的影响。结果发现,复合推进剂由于自身的黏滞性,在外部激励下产生了剧烈的疲劳生热行为,其能量耗散密度随着加载幅值和频率的增大而提高,能量耗散带来的试件表面温度呈现出先增大后稳定的规律。根据能量耗散和温度场方程,建立了复合推进剂疲劳过程中的温升计算模型,利用有限元仿真对不同加载条件下推进剂的滞后温升进行了较好的预测。     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

艇载固体发动机药柱蠕变-疲劳损伤分析

为研究大型艇载固体发动机立式贮存状态下药柱经受长期自重和低频振动载荷作用下的累积损伤,开展HTPB推进剂定应力持续加载破坏试验、定应力幅值往复拉伸试验以及蠕变-疲劳交互试验,拟合了交互损伤本构方程;开展发动机固化降温、长期重力和低频振动联合作用下的有限元计算,得到了药柱应力应变分布规律;并基于Miner线性损伤理论对发动机药柱关键点和关键路径的累积损伤进行了计算。研究结果表明:蠕变作用与疲劳作用具有非对称性的交互作用;长期自重载荷作用下,药柱整体下沉,从头部至尾部下沉量依次减少,蠕应变占据药柱总应变的60%以上;周期性的低频振动后,应力应变呈现周期性变化;药柱内部累积损伤随时间呈线性关系,艇载贮存半年的累积损伤为0.0219。     

摇摆载荷作用下舰载固体火箭发动机药柱疲劳损伤

以某固体火箭发动机为例,建立了摇摆载荷作用下发动机药柱的疲劳损伤评估方法.首先,通过推进剂定应力往复拉伸试验获得了复合固体推进剂的疲劳损伤特性;其次,运用有限元分析方法得到了发动机危险部位的应力谱;最后,运用雨流计数法和Miner线性累积损伤理论对发动机危险部位的损伤进行了评估.结果表明,发动机装药危险部位一年时间由于舰船摇摆载荷所造成的损伤为0.0855.      

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。     

含Ⅰ型裂纹复合固体推进剂双轴拉伸实验研究

开展了复合固体推进剂含Ⅰ型裂纹拉伸实验研究。采用不同拉伸速率,获得双向拉伸极限特性主曲线和应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,如果复合固体推进剂的断裂阻力被看作是材料常数,则裂纹驱动力必受到平行于裂纹之应力的影响,在一定范围内裂纹驱动力与平行应力成反比关系。当平行应力超过屈服应力以后,因平行应力太大超过了损伤阀值,在推进剂中造成了损伤,从而断裂韧性下降。     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

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.      

复杂载荷下疲劳寿命估算

 本文给出了LY12CZ铝合金板材的循环硬化规律;以材料在循环载荷作用下累积的塑性滞后能作为疲劳损伤准则,证明了应力控制等幅循环加载条件下损伤累积随循环次数变化的非线性,导出了材料瞬态塑性应变能的计算公式,算出了破坏发生时材料耗散的总塑性应变能,并给出了它与应力变程的关系。文中把疲劳损伤分为静拉伸损伤与循环损伤两部分,给出了损伤累积模型。以该模型为基础,计算了两级加载、4级加载和程序加载下光滑试件的疲劳寿命。计算结果与试验结果符合很好。     

基于累积损伤的双基推进剂强度准则及实验

国内在对固体火箭发动机装药结构完整性分析时,强度判断准则基本采用传统的结构强度准则,这些强度准则并不能很好地反映固体推进剂材料的强度破坏过程。该文对双基推进剂试件进行了若干不同拉伸速率下的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获得损伤方程参数,建立了基于累积损伤的结构强度准则。并利用损伤方程预测试件破坏情况,和试验值吻合较好,说明该基于累积损伤的强度准则能够较好地判断双基推进剂材料的破坏。     

HTPB推进剂细观损伤机理的声发射实验研究

采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形ＨＴＰＢ推进剂件声发射（ＡＥ）信号的方法,对ＨＴＰＢ复合固体推进剂在载荷作用下细观损伤及其扩展的机理进行了研究。实验结果表明：声发射累计能量对应于细观损伤产生和扩展两个不同阶段,提出了一个描述ＨＴＰＢ复合固体推进剂细观损伤扩展的物理模型,该模型解释了不同拉伸速率下ＨＴＰＢ复合固体推进剂破坏了后出现的不同物理现象。     

基于细观颗粒夹杂模型的复合固体推进剂松弛模量预测

为更准确地预测不同固体颗粒体积分数的复合固体推进剂的松弛模量,采用了分子动力学方法对不同体积分数的复合固体推进剂细观模型进行建模.根据有限元理论及细观力学均匀化方法,计算在定应变工况下复合固体推进剂细观模型的平均应力随时间的变化,从而有效地预测复合固体推进剂的松弛模量.该方法有效地体现了随填充颗粒体积分数的增大,复合固体推进剂瞬时模量逐渐增大的变化规律及颗粒随机分布对复合固体推进剂瞬时模量的影响.将其应用到复合固体推进剂的设计过程中,可有效降低设计成本,缩短设计周期.      

一种有效评估推进剂药柱老化的方法

固体火箭发动机用的合成推进剂其物理性能会随使用年限发生很大的变化.因此在估算安全界限及重新评估剩余寿命时,需要对时效的火箭发动机在其寿命跨度的各个不同阶段进行结构完整性分析.而且在分析的时候必须采用现时的推进剂物理参数,以获得可靠的分析结果.在推进剂暴露面处,因时效而引起的物理性能变化更是尤为明显.而用传统方法评估的物理参数不可能真实地反映现时推进剂的物理性能.本文提出一种利用小型实验装置测量推进器药柱表面应力应变响应的技术.在此技术中,采用特殊设计的装置测量出推进剂表面以恒速率受压时的应力响应.然后将所测得的应力应变行为与经人工时效的推进剂拉伸试验测得的物理参数建立起相应的关系.研究表明它们之间存在着很好的对应关系,它能明确给出发动机推进剂的物理性能参数.与传统方法相比,它既安全又经济.     

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

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.