复合固体推进剂松弛模量与蠕变柔量转换关系

以粘弹理论为基础，采用Volterra算子，建立了复合固体推进剂松弛模量和蠕变柔量之间的相互转换关系。结果表明：由松弛模量计算蠕变柔量的理论值与实验值吻合；该转换表达式避免了数值积分法求解蠕变柔量值产生舍人误差和采用拉氏变换的繁琐计算。研究方法可以用于固体推进剂其它力学参数的转换计算，如体积松弛模量和体积蠕变柔量之间的转换计算。     

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.      

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。     

固体推进剂动态储能模量主曲线计算应力松弛模量

基于一维线性粘弹性理论中动态储能模量与应力松弛模量的关系,导出了一种利用动态储能模量主曲线计算固体推进剂修正应力松弛模量的方法。通过两类固体推进剂修正应力松弛模量与实测应力松弛模量主曲线对比发现:虽然计算值大大高于实测值,但二者的比例系数随时间单调递减。根据这种关系,利用固体推进剂动态储能模量主曲线可以计算一定时间内的应力松弛模量。最后,对该方法在发动机药柱应力松弛模量监测中的应用进行了初步探讨。     

中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。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,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17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双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

计算固体推进剂粘弹泊松比的一种新方法

以高聚物静态松弛模量E(t),静态体积模量K(t)和静态粘弹泊松比ν(t)之间的积分变换关系为基础,采用对其求拉氏逆变换和数值积分的方法,用计算机计算其粘弹泊松比,并选择了三种不同配方固体推进剂实测的E(t)和K(t)实验值做为实际算例。计算结果表明,由该方法计算的粘弹泊松比和实验得到的粘弹泊松比以及理论上推导的粘弹泊松比均一致,且该方法简单、实用、方便,精度高。     

粘弹性泊松比与动态复数泊松比的研究

论述了静态粘弹性泊松比与动态复数泊松比的各种精确与近似表达式及其测试方法，通过实验计算出一种复合固体推进剂的粘弹性泊松比。本文对获得固体推进剂的精确粘弹性泊松比值具有重要实用意义。     

不可压缩粘弹性有限元法及其对推进剂药柱应力分析的应用

由于固体推进剂具有近似不可压缩的特点 ,利用位移法有限元求解这类材料的力学问题不可能得到满意的结果。本文根据 Herrmann变分原理导出一种适用于不可压缩和近似不可压缩粘弹性物质的新的本构关系式 ,介绍了相应有限元公式 ,并开发了用于平面问题分析的计算机程序 VFAPINP。计算结果表明 ,本方法和程序可以用于所有泊松比的粘弹性问题的计算 ,尤其适用于固体推进剂药柱的应力分析。     

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。     

固体推进剂体积松驰模量的数值解法

以粘弹理论为基础，采用拉氏逆变换和数值积分的方法，推导出由拉伸松弛模量Ｅ（ｔ）、粘弹泊松比ｖ（ｔ）计算固体推进剂体积松弛模量Ｋ（ｔ）的计算公式和数值解法。计算结果表明，由该方法计算的Ｋ（ｔ）值和实验得到的Ｋ（ｔ）值一致，且该方法简单、实用、方便、精度高。     

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。      

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。     

固体推进剂体积松弛模量的数值解法

以粘弹理论为基础，采用拉氏逆变换和数值积分的方法，推导出由拉伸松弛模量Ｅ（ｔ）、粘弹泊松比ｖ（ｔ）计算固体推进剂体积松也模量Ｋ（ｔ）的计算公式和数值解法。计算结果表明，由该方法计算的Ｋ（ｔ）值和实验得到的Ｋ（ｔ）值一致，且该方法简单、实用、方便、精度高。     

固体火箭发动机HTPB推进剂力学性能老化研究

为研究某型发动机高燃速端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在寿命期内的力学性能,选择贮存2 a、5 a、8 a和10 a的发动机推进剂作为研究样本;通过应力松弛试验和3点弯曲断裂试验研究了不同贮存期的推进剂力学性能,结果表明：随着发动机贮存时间的延长,HTPB推进剂的松弛模量逐渐升高,而断裂韧度逐渐降低。     

HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效研究

为研究HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应,推导了基于Schapery单积分非线性本构方程的HTPB推进剂时温等效理论表达式,给出了蠕变柔量主曲线的拟合方法。通过不同应力(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa)和不同温度(20℃,40℃,60℃,80℃)条件下HTPB推进剂蠕变试验,得到了参考温度(20℃)下的蠕变柔量主曲线。通过反复加载蠕变试验,分析了载荷变化对蠕变过程的影响。结果表明:不同温度下的蠕变柔量-时间对数曲线在稳定蠕变阶段具有良好的一致性,验证了HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应;0.1MPa,0.2MPa和0.3MPa应力下的蠕变柔量主曲线时间尺度从试验测试的103s分别延伸到了10~(4.27)s,10~(4.17)s和10~(3.91)s;快速的应力释放和恢复加载过程不会影响整个蠕变过程,载荷变化蠕变过程的时温等效效应具有连续性。     

固体推进剂药柱泊松比随机粘弹性有限元分析

为了研究泊松比的分布对固体推进剂药柱结构分析的影响，发展了一种地不可压缩材料的粘弹增量有限元方法，进行了泊松比随机粘弹性有限元的研究，要用局部平均方法对随机场进行离散，给出了二阶摄动有限 元变异方程。算例表明，对药桩进行随机模拟，计算效率和精度较高。     

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。     

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加。在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型。通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——主松弛模量的时间、温度依赖性

本文通过对HTPB复合固体推进剂在宽广温度范围内、定应变条件下单轴应力松弛的实验测定,根据线性粘弹及热流变简单性的基本假设,将-50℃到80℃间 一个温度下的应力松弛曲线,采用时间～温度折合变量的数据处理方法,迭加成-40℃、20℃及70℃三个参考温度下主松弛模量随推进剂时间特性的变化曲线,并用Prony级数式及修正的幂函数式描述;还通过玻璃化转变温度的测定和图解法求出的时间～温度偏移因子建立了该推进剂材料修正的WLF方程;同时就端部粘木试样和传统的哑铃形试样对试验结果的影响进行了比较。