HTPB复合固体推进剂粘弹性应变能及非线性本构模型

为了准确表征HTPB复合固体推进剂在有限变形条件下的力学性能,针对推进剂粘弹性应变能及本构模型进行研究。提出了推进剂粘弹性应变能函数和非线性本构方程的一般形式,并通过一元非线性回归方法拟合不同应变率下的拉伸试验数据,得到了材料参数关于应变率的函数,并由此建立了推进剂单轴拉伸变形下的应变能函数和本构方程,预测了不同应变率下的应力曲线,与试验结果和已有模型的预测结果进行了对比。结果表明,材料参数与应变率之间呈现幂函数关系;推进剂应变能密度随变形量的增大呈非线性单调增长,同一变形条件下,应变率越高,推进剂的应变能密度越大;本构方程可准确描述推进剂拉伸变形的应力应变关系,且尤其适用于表征低应变率下,材料在有限变形内的粘弹特性。     

基于粘弹性VCFEM的复合固体推进剂等效松弛模量预示方法研究

复合固体推进剂松弛模量一定程度上决定了固体发动机的结构完整性和贮存寿命,为获得推进剂组分材料参数、夹杂相质量分数、级配的质量分布和粒径比等细观特征参数对等效松弛模量的影响规律,基于Prony级数粘弹性本构模型在时域内的离散形式,推导了含夹杂相粘弹性VCFEM(Voronoi单元有限元方法)的有限元列式,结合二分法提出了推进剂等效松弛模量预示方法,采用随机抽样的方式完成了不同细观特征参数下推进剂等效松弛模量的影响分析。结果表明,夹杂相的组分材料参数和颗粒级配对等效模量的影响较小,在给定的参数变化范围内,结果的变化幅度小于10%,而基体相模量和夹杂相质量分数对等效松弛模量的影响非常显著,分别呈现线性增长和加速增长的趋势。     

考虑应变率和温度响应的少烟NEPE推进剂粘弹性本构模型

为研究少烟NEPE推进剂力学性能的应变率及温度相关性,使用万能材料试验机分别在不同应变率(4.17×10-4～4.17×10-1s-1)和温度(-40～50℃)下测试了推进剂的力学性能,建立了考虑应变率和温度响应的本构模型。结果表明,少烟NEPE推进剂具有应变率硬化特性,其拉伸应力与对数应变率呈线性关系;降低温度使推进剂的定伸应力和模量增大,升温则相反。结合少烟NEPE推进剂的线性对数应变率效应和温度变化特性,建立了粘弹性本构模型,该模型用多蠕变模式与非线性弹簧的组合来反映力学性能的率相关性,用率相关模型与温度函数的乘积形式来描述力学性能的温度相关性。模型预测与实验曲线对比表明,所建模型在实验温度、应变率、0.1～1.0应变范围内预测的准确性较好,其百分误差小于24%。     

一种求解固体推进剂粘弹性参数的通用数值积分法

根据粘弹性理论,用拉氏逆变换推导出了由拉伸松弛模量E(t)和体积松弛模量K(t)求固体推进剂剪切松弛模量G(t)的一种积分方程式,并用迭代和数值积分法给出了求解G(t)的数值积分算法。算例表明,该法简单实用,便于用ANSYS等软件进行粘弹分析时输入参数的确定。经比较,可将此源于梯形积分公式的数值积分算法作为一种求解固体推进剂粘弹性参数的通用数值积分法。     

基于分数阶三参数模型的HTPB推进剂粘弹性力学响应分析

为拓展分数阶粘弹性模型在端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的应用,研究分数阶粘弹性模型预示推进剂频域下的动态模量变化。推导了三维下的分数阶三参数模型,并结合Grünwald-Letnikov定义编写UMAT子程序。为标定本构参数,推导了带有预加载的蠕变、松弛响应的解析解,并采用遗传算法分别标定了0.4 MPa和0.6 MPa应力下蠕变实验以及10%和30%应变下松弛实验的本构参数。计算得到的有限元数值与解析解、解析解与实验值的时程相对误差均小于5%。采用分数阶三参数模型动态模量对-5、25、60℃下的动态力学实验(DMA)结果进行拟合得到本构参数,动态模量与实验结果误差小于2%,同时随着温度升高,本构参数均减小,体现出HTPB推进剂升温软化现象。结果表明,分数阶三参数模型能精确地描述不同温度下多种频率的HTPB推进剂模量变化,结合二次开发本构,可为后续HTPB推进剂复杂边界下的力学响应的研究提供材料本构模型。     

非线性粘弹性本构模型在固体火箭发动机装药结构完整性分析中应用

针对以往复合固体推进剂非线性本构模型中积分项多、本构参数难获取的问题,从朱-王-唐非线性本构模型出发,将本构模型表示为弹性项和粘性项之和的形式,并提出了基于松弛实验和拉伸实验的本构模型建模方法;完成了松弛实验和拉伸实验的数值仿真,并结合单向拉伸实验数据对本构模型进行了验证,仿真结果与实验数据的相对偏差不超过15%。对贴壁浇注固体火箭发动机硫化降温过程进行了数值仿真,并通过与实验数据的对比,表明本构模型的仿真精度较高。     

加速度载荷下推进剂力学行为研究进展

为探究加速度载荷条件下固体推进剂及装药的力学行为,首先分析了加速度载荷条件下固体推进剂装药力学响应呈材料非线性、几何非线性和边界条件非线性的特点,并从宽泛应变率力学性能试验、线性与非线性粘弹性本构模型、失效准则、结构力学响应、装药检测验证等五方面,对加速度载荷条件下固体推进剂动态力学行为进行了综述.结果表明,完善深化加...     

Experimental research on rate dependent constitutive relation of double-basepropellant under impact load

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103 s-1应变率下的应力-应变曲线.实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对教与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象.利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数.研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为.     

双基推进剂高应变率型本构模型的实验研究

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103s-1应变率下的应力-应变曲线。实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对数与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象。利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数。研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为。     

基于L-M算法的分数阶导数粘弹性本构模型的参数求解

引入分数阶导数,建立了类Kelvin体粘弹性本构模型。用最小二乘法法和Levenberg-Marquard（L-M）算法,给出了求解类Kelvin体粘弹性本构模型参数的详细步骤。由实际数据选择初值,保证L-M法不会陷入局部最小。某固体推进剂的粘弹性本构模型参数的计算结果表明：该法可较好地表征推进剂松弛曲线,且模型简单、计算参数少。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

固体推进剂时间—温度转换因子的一种实际测定法

为了证明固体推进剂的时间—温度支配方程,能用有限的试验数据客观地表征出来,而对其相互关系进行了评价。这个概念的基础是过去对弹性体和推进剂性能的观察。已经发现这些弹性体和推进剂的主松弛曲线的大部分都符合修正的指数定律。经验也表明loga_T服从于用两个材料参数表达的简化关系式。在给定的松弛时间点上,用应力松弛模量来计算这些参数就需要一条与试验温度有关的曲线。虽然也可以用常应变速率下的初始正切模量和拉伸强度来确定loga_T的关系,但结果常常和用应力松弛数据得出来的结果不一致。预期将来应用这个概念能够评价聚合物的链缠结、内部流动和应变扩张等效应。     

高低温对推进剂装药抗高过载能力影响研究

固体推进剂作为典型的粘弹性材料,其力学行为具有很强的温度依赖性,不同的发射初温下装药抗过载能力存在差异。基于50℃高温和-40℃低温条件下某改性双基(CMDB)推进剂宽应变率下的单轴压缩试验,从材料性能的率相关性角度确立了50℃和-40℃条件下CMDB推进剂的本构模型和强度判据。基于宽应变率的Prony本构模型,对某端燃柱型装药进行有限元分析,通过应力场和应变率场的耦合分析,分别确立了高低温条件下装药最大抗过载幅值。结果表明,该型装药在50℃高温条件下抗过载极限约为16 000g;在-40℃低温条件下的抗过载极限为14 000g。     

固体火箭发动机药柱大变形数值分析

本文采用基于Swanson积分型非线性粘弹性本构关系，提出了改进的非线性粘弹性本构模型并推导了一种新的增量型关系式，对Poisson比是否与时间t有关均适用，同时考虑时温等效与推进剂材料的可压缩性；应用T.L.法的虚功方程，推导出了三维热粘弹静力问题的有限元列式。最后，通过编制的有限元程序对算例进行了分析，展示了固体发动机装药的力学特性，表明该方法的正确性和实用性。     

推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法

固体推进剂是典型的粘弹性材料,其泊松比是时间的函数,相关标准中基于接触式测量方法的结果将推进剂泊松比视为常数,影响了药柱结构完整性分析的精度。针对此问题,推导了粘弹性泊松比的松弛型定义,提出了一种基于数字图像相关方法的固体推进剂泊松比高精度测量方法,研制了相应的测试系统,并测量了某HTPB推进剂的粘弹性时变泊松比。评估试验显示该测试系统的应变测量精度可达20με,有效解决了推进剂泊松比千分位测不准的难题。结果表明,推进剂泊松比随松弛时间的增加而增加,具有明显的粘弹特性。所提方法可为粘弹性材料泊松比的高精度测量提供参考。     

考虑泊松比的固体发动机装药贮存寿命预估

以含单个小孔隙的立方体为代表性体积单元,结合弹性力学公式,推导了固体推进剂空穴率与瞬时泊松比的关系,得到泊松比随推进剂老化的变化规律.通过固体推进剂加速老化试验,得到固体推进剂瞬时模量及最大延伸率随贮存时间的变化规律.以固体推进剂瞬时模量和瞬时泊松比为老化参数,结合三维粘弹性有限元计算方法,计算了某发动机装药结构不同贮...     

筒状大长度固体药柱在内压载荷下的响应

本文研究不可压缩的粘弹性圆筒，在轴对称的平面应变条件下承受内压的问题，粘弹性材料采用分数阶导数模型。并用分数阶导数模型拟合固体推进剂松弛模量曲线，用Ｌａｐｌａｃｅ变换和其反变换计算了固体火箭发动机筒段在点火内压建立过程中的位移和应力，得到它们随位置和时间变化的曲线。     

复合固体推进剂非线性粘弹本构方程的微观力学分析

在填充颗粒为弹性硬颗粒的条件下，本文成功地将Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂理论及相应的平均化方法推广应用于研究复合固体推进剂的非线性粘弹性本构方程，结果表明，复合固体推进剂的非线性本构关系可以用基体的本构关系与一个增强系数的 积β来表示，β只与颗粒的形状，体积分数及泊松比有关。本文的结论具有重要的工程应用价值。     

一种粒子增强体复合材料的线粘弹性模型

定量分析了粒子增强体复合材料的粘弹性力学性能。首先,依据复合材料的细观力学理论与Laplace变换理论,在Tan提出的粘弹性模型基础上,发展了一种改进的粒子增强体复合材料的三维线粘弹性模型,克服了Tan的模型只能刻画界面脱湿的缺点;其次,采用非线性有限元方法,实现了粒子增强体复合材料在常应变率下粘弹性本构关系的数值模拟。结果表明,该模型与程序可用于定量化分析多种情况下粘弹性问题的应力-应变关系,如不同粒径、温度、常应变率及粒子体积分数等参数,并得出粒径大的固体颗粒与粒子体积分数高的复合材料都容易发生界面脱湿。     

基于体积膨胀的固体推进剂粘弹性泊松比测量方法

基于体积膨胀原理研制了一种固体推进剂粘弹性泊松比测量系统，实现了固体推进剂试件级的粘弹性泊松比实时快捷测量，粘弹性泊松比测量数值的有效位数达到3位，可以为固体发动机精细化设计提供有力支撑。采用该系统开展了应变率及配方对HTPB推进剂粘弹性泊松比的影响规律试验研究。结果表明，HTPB推进剂的粘弹性泊松比随应变增加，呈现非线性降低的特征，且与应变率及配方具有明显的相关性，应变率越大，其粘弹性泊松比下降的越剧烈，也表明其内部的“脱湿”损伤越剧烈，同时配方中的大颗粒AP的含量越高，其内部“脱湿”越容易发生，粘弹性泊松比越容易下降。