考虑细观脱湿损伤的NEPE推进剂粘弹性本构模型研究

为了描述NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)复合固体推进剂的非线性粘弹性力学行为,基于粘弹性脱湿准则及所建立的粘弹性时间-损伤等效原理,将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至线性粘弹性本构关系中,从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE复合固体推进剂非线性粘弹性本构模型。通过定制配方NEPE材料在不同温度(-50, -35, -20, 0, 20, 35及50°C)、不同应变水平(5%, 10%, 15%, 20%, 25%以及30%)的应力松弛试验及单轴拉伸试验,结合反演技术,获取了本构模型参数。最后利用Matlab软件平台实现了本构模型对于NEPE单轴拉伸力学行为的数值预测,数值计算结果与试验曲线较为吻合,预测数值与试验值差值在15%以内,说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内(3.333×10-4～0.1s-1)的粘弹性力学行为,为预测具有复杂细观结构的复合固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。     

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。     

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。      

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。     

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.      

复合固体推进剂细观损伤扫描电镜实验及数值模拟

对复合固体推进剂进行单向拉伸载荷条件下的原位扫描电镜观察实验,分析其受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。基于原位电镜图片,运用数字图像处理技术提取推进剂细观形貌,建立了推进剂椭圆形颗粒填充模型,对受载条件下颗粒与基体之间的脱粘行为进行数值模拟。研究表明,数值分析结果能反映推进剂受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。     

基于表面粘结损伤的复合固体推进剂细观损伤数值模拟

为更准确地模拟固体推进剂的细观损伤,研究复合固体推进剂的非线性力学性能,采用分子动力学方法对高填充比复合固体推进剂细观模型进行建模,验证了Surface-based cohesive方法的可行性,并替代经典粘结单元模拟了复合固体推进剂细观颗粒与基体之间界面损伤的产生和聚合.通过对比固体推进剂细观模型的计算结果,研究了复合固体推进剂颗粒粒径、位置的随机分布对固体推进剂细观损伤及宏观力学性能的影响.结果表明,采用Surface-based cohesive方法对固体推进剂细观模型较易进行有限元前处理,易收敛,计算结果比较合理.     

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

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。      

基于细观力学的复合固体推进剂模量预估方法

应用分子动力学方法得到了复合固体推进剂颗粒在基体内随机分布的填充模型。针对推进剂所含颗粒大小不同,采用细观力学有限元法和Mori-Tanaka分析法相结合的方法计算了推进剂的模量,计算所得模量与不同颗粒体积分数推进剂的单向拉伸试验结果比较吻合。此外,该方法可以获得推进剂细观结构应力,从而为推进剂的细观损伤分析奠定基础。