固体推进剂裂纹扩展研究综述

介绍国内外关于固体推进剂裂纹扩展的研究现状,总结固体推进剂裂纹扩展的试验研究和理论分析方法,归纳影响固体推进剂裂纹扩展的各种因素。分析认为:采用拉伸装置研究有裂纹推进剂力学性能和利用高速摄影系统研究裂纹燃烧和扩展情况是当前主要的研究手段;发动机燃烧室内压力、升压速率、裂纹形状尺寸和推进剂燃速是装药裂纹扩展的重要因素;必须进一步开展各因素和裂纹扩展的定量关系研究。     

HTPB推进剂粘聚断裂研究

为了预测推进剂药柱中裂纹的起裂和扩展过程,建立了HTPB推进剂的粘聚区本构模型和数值仿真方法。粘聚区本构模型参数分别使用单边裂纹拉伸实验、单轴拉伸实验和数值仿真的方法获取。在有限元分析软件ABAQUS基础上开发出粘结单元,建立了模拟复合型裂纹扩展的嵌入粘结单元方法。进行了复合裂纹试样拉伸实验,获得了裂纹扩展路径和载荷时间曲线,同时用数值仿真方法对结果进行了预测。通过仿真和实验结果对比发现,所建立的粘聚区模型可完整地模拟出HTPB推进剂的失效过程;嵌入粘结单元的方法可准确地预测复合型裂纹的扩展路径。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

复合固体推进剂双参数断裂准则研究

针对复合固体推进剂裂纹尖端的损伤特性,基于Dugdale模型建立了一个复合固体推进剂双参数断裂准则。通过单轴拉伸试验和单边断口断裂试验求得了双参数断裂准则中的两个材料参数。利用该准则对含有不同长度裂纹试件的破坏载荷进行预估,其结果与试验结果吻合得很好。
     

基于数字图像处理的复合固体推进剂细观损伤行为研究

为研究复合固体推进剂HTPB、NEPE和GAP推进剂的细观损伤行为,采用原位拉伸扫描电镜实验、数字图像处理技术和分形维数理论相结合的方法定性、定量地分析了推进剂在拉伸过程微裂纹的产生及演变过程。结果表明,HTPB推进剂拉伸破坏的起始点为大粒径的AP颗粒破裂形成的微裂纹,拉伸过程无明显“脱湿”,其裂纹变化趋势可以用拉伸过程裂纹分形维数描述;裂纹分形维数与拉伸过程的力-伸长率曲线一致。NEPE推进剂拉伸过程中主要的损伤是固体颗粒“脱湿”,有部分AP颗粒破裂。GAP推进剂中AP颗粒和CL-20颗粒与粘合剂基体均未见明显脱粘,拉伸破坏的起始点为AP颗粒脱落形成的凹坑和AP颗粒堆积区域。揭示的三类复合固体推进剂在细观层面的损伤演化特点,可为推进剂力学性能研究提供理论参考。     

HTPB推进剂低温裂纹扩展特性试验研究

使用中间穿透型平板裂纹试件开展不同温度下Ⅰ-型裂纹扩展试验,研究了温度对HTPB推进剂裂纹扩展特性的影响。使用改进割线法计算了不同温度下推进剂的裂纹扩展速率,得到了其裂纹扩展阻力曲线,并对裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子进行了回归分析。研究结果表明,在低温下推进剂的裂纹扩展速率比常温时要大,温度越低,裂纹开始扩展的时间越短。不同温度下推进剂的裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子都满足幂函数关系。     

基于统一强度理论的修正M准则及其在药柱裂纹预测中的应用

针对脆性材料,提出了最大应力三维度准则(M准则).为了将其推广到延性材料,引入俞茂宏统一强度理论定义裂尖塑性区,并修正了M准则中临界载荷的判据.采用WDN-10 kN材料实验机,在20 ℃和加载速率2 mm/min下,对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB推进剂进行了单轴拉伸试验,得到了不同裂纹倾斜角下裂纹的启裂角和临界载荷.结果表明,与其他准则进行比较,推进剂裂纹的启裂角和修正的M准则预测的结果较为接近,说明可借助修正的M准则预测推进剂裂纹的初始启裂角.     

未老化NEPE推进剂/衬层粘接试件拉伸失效模式研究

采用原位拉伸扫描电镜观测不同温度下NEPE推进剂/衬层粘接界面裂纹扩展规律,得出不同温度下裂纹产生位置均出现在推进剂和衬层连接处,且裂纹的扩展存在相互竞争关系;粘接性能较好时,粘接界面的好坏主要取决于推进剂/衬层界面附近推进剂性能。重点考察了会引起推进剂"脱湿"的HMX界面,利用纳米压痕仪及动态力学实验,得出当推进剂中含NPBA时,HMX周围存在一高模量层,且该高模量层的动态储能模量与温度呈反向关系。该高模量层的存在或消失会引起推进剂在宏观性能上发生变化,进而影响推进剂/衬层试件宏观力学性能。     

具有应变梯度的复合推进剂药柱裂纹扩展特性研究

对具有应变梯度、填充密度大的复合推进剂中的裂纹扩展特性,研究考虑了两种初始裂纹长度,采用中心裂纹的楔形片状试样,在室温、恒定应变速率下进行了试验研究.利用试验数据分析计算了瞬时应力强度因子K_I和裂纹扩展速率da/dt.研究了正割法、修正的正割法、样条拟合法和全多项式法四种数据处理方法及测量裂纹长度时间间隔对??计算精度的影响.还研究了初始裂纹长度、非均匀总应变场和数据处理方法对裂纹扩展特性的影响.确定了K_I和??之间的函数关系.     

固体推进剂松弛模量拉压性能及温度敏感性分析

固体推进剂的拉伸/压缩力学性能存在较大差异,这与推进剂的细观结构及其在拉压载荷作用下的受载作用机制有关,发动机药柱精细结构完整性分析必须考虑推进剂力学性能的拉压不同性。分别定义了推进剂松弛模量的拉压不对称因子和温度敏感性系数,通过HTPB和PBT两种固体推进剂的拉伸/压缩应力松弛试验,研究了温度对松弛模量拉压不对称因子的影响规律,探讨了两种推进剂的拉伸/压缩松弛模量的温度敏感性差异,最后通过细观有限元数值仿真对推进剂拉伸/压缩应力松弛过程中的受载机制进行了初步分析。研究表明,高温对HTPB推进剂的拉伸模量和PBT推进剂的压缩模量影响较大,而低温对HTPB推进剂的压缩模量和PBT推进剂的拉伸模量影响较大;推进剂在较高温度下的温度敏感性低于其在较低温度下的温度敏感性;应力松弛的过程中,造成推进剂拉压不对称性的主要原因是推进剂内部固体颗粒之间的挤压接触作用。     

细观尺度下推进剂/衬层/绝热层界面多角度拉伸过程中的变形测量与分析

为了研究细观尺度下推进剂/衬层/绝热层界面多角度拉伸过程中的变形特点与破坏模式,使用拉压力传感器、三目金相显微镜等设备获取多角度拉伸过程中的应力数据与界面形貌演化图像,采用数字图像相关技术对多角度拉伸过程的图像序列进行处理,获取了细观尺度下界面多角度拉伸过程中的应变场演化情况。实验结果表明,粘接试件在0°拉伸时的抗拉强度最大,90°拉伸时的伸长率最大;随着拉伸角度的增加,应力-应变曲线的加载段和卸载段均逐渐变缓,表面的应变集中区域由衬层/绝热层界面附近,变化为推进剂/衬层界面附近,最后两个界面附近均出现了明显的应变集中现象;45°拉伸时,推进剂与衬层表面应变随拉伸载荷的增加而增加,绝热层的模量高,应变变化幅度小,推进剂表面的平均正应变高于衬层,平均切应变低于衬层。所采用的实验方法可较好地测量界面在多角度拉伸过程中的变形,为发动机粘接结构的完整性分析提供参考。     

机械冲击载荷下固体推进剂热点微观模型探讨

分析了推进剂内部初始裂纹在机械冲击载荷作用下的扩展以及与反应气体产物相互作用。利用Ⅰ、Ⅱ型裂纹扩展、推进剂分解化学动力学模型,建立微观热点模型,研究了裂纹面摩擦、推进剂分解以及裂纹内部气相反应等微观过程。进行数值模拟计算,得出了推进剂产生高温热点或导致冲击点燃的外部条件。认为裂纹间摩擦和气相产物在高速冲击下压缩可导致推进荆热点产生。     

固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法研究

为评估持久应变载荷下固体推进剂装药在贮存过程中的结构完整性,采用定应变断裂和热力耦合加速老化相结合的试验方法,获得了宽应变区域内固体推进剂松弛破坏时间模型,联合装药在长期贮存/低温应力加速状态下危险部位的最大持久应变,计算出装药的低温应力加速系数和等效加速试验时间,确定了其在长期贮存和低温应力加速状态的等效关系,在此基础上建立了固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法。采用此方法,开展了NEPE推进剂■200 mm圆管发动机装药的低温应力等效加速试验,试验温度为-48℃,试验时间分别为365 d和517 d,试验后装药均保持结构完整。结果表明,仅考虑机械应力情况下装药贮存12 a和17 a后结构完整,已应用于某型号固体推进剂发动机装药寿命评估、定寿和延寿。     

硼化物键合剂在硝胺推进剂中的应用研究

本文根据单轴反复拉伸破坏能,研究了两种硼化物键合剂在RDX/HTPB推进剂和RDX/AP/HTPB推进剂中的作用效果,还分析了它们对推进剂工艺性能、对RDX颗粒与粘合剂基体界面粘结效能的影响,结果表明,这两种键合剂能明显改善硝胺复合推进剂宽广温度范围内的力学性能,并使推进剂具有较好的工艺性能。     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

拉伸速率对NEPE推进剂力学性能的影响

运用单向拉伸手段,研究了不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)、测试温度(25～70℃)对NEPE推进剂最大抗拉强度σm和最大伸长率εm的影响。试验结果发现,NEPE推进剂σm和εm均与拉伸速率v呈幂律函数关系,建立了相关性较好的幂函数方程σm=k(T)va和εm=f(T)vb。利用该方程,对极慢拉伸速率下NEPE推进剂σm和εm进行了预示,计算结果可为固体火箭发动机设计及推进剂贮存性能研究提供技术支持。     

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度。结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响。分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因。     

丁羟推进剂老化性能研究——几种防老剂对丁羟推进剂老化性能的影响

本文采用高温加速老化的试验方法研究了老化对推进剂的力学性能、邵氏硬度、相对交联密度、燃速、失重百分数的影响,并以 DSC 曲线的出峰温度作为评定参考.同时,通过电镜技术观察推进剂表面及其拉伸断裂面氧化剂 AP 的分解行为.实验结果表明,防老剂H、α-萘胺和二苯胺这三种防老剂对丁羟推进剂的防老化效果基本相同,但在较高温度下,防老剂 H 稍优于α-萘胺和二苯胺.