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。     

复合固体推进剂颗粒相互作用的增强效应分析

应用Ｅｓｈｅｌｂｙ－Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ的细观力学理论，考虑两种类型颗粒之间相互作用的影响，从颗粒与基体的本构关系出发，计入更多的微细观信息，从而建立了更加合理的复合固体推进剂线粘弹本构方程。     

复合固体推进剂长贮中HTPB胶微结构损伤研究

为研究HTPB复合固体推进剂老化过程中微结构损伤机理,设计了HTPB/TDI、AP+HTPB/TDI、RDX+HTPB/TDI、Al+HTPB/TDI及HTPB复合固体推进剂5个体系,表征在75℃、92 d的热加速老化过程中各复合体系及线性HTPB微结构变化规律。结果显示,在密闭热加速老化过程中,线性HTPB分子间不饱和的CC键相互交联,生成了高分子网络结构,是线性HTPB及各复合体系在老化过程中数均分子量及交联密度增大的原因之一;AP、RDX、Al粉等组分间相互作用加速了HTPB复合固体推进剂的热老化过程,且电镜未观察到组分与粘合剂产生"脱湿"现象。     

振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面影响

为研究振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面的影响,进行了振动载荷和定应变作用下HTPB推进剂高温老化试验,测试了不同载荷和老化时间下推进剂的宏观力学性能,利用扫描电镜观测了推进剂的细观破坏过程,基于颗粒增强本构理论,分析了推进剂基体/颗粒粘接界面的损伤规律。结果表明,振动载荷和定应变的作用使HTPB推进剂的初始模量和抗拉强度均减小,高温老化、定应变和振动载荷的作用都会破坏推进剂基体/颗粒粘接界面、降低推进剂固体颗粒模量增强效果,定应变状态下振动载荷作用后,粘接界面损伤最严重。     

界面损伤对复合固体推进剂黏弹性本构关系的影响

基于Eshelby-Mori-Tanaka细观力学理论及Weilbull统计学方程,建立了含界面损伤的复合固体推进剂黏弹性本构关系,研究了均匀开裂、环向开裂和顶部与底部开裂3种界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系的影响。数值分析结果表明:界面损伤对推进剂黏弹性本构关系影响显著,使其呈现明显的非线性黏弹性;不同界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系影响程度各异。     

固体推进剂低温细观损伤仿真研究

为了研究低温条件下固体推进剂的细观损伤,采用Cohesive单元描述推进剂材料的颗粒/基体界面,基于ABAQUS软件,开发了模拟基体开裂的VUMAT本构子程序,仿真了常温和低温条件下其损伤破坏过程。结果表明,低温对单颗粒推进剂影响较小,推进剂损伤从界面脱粘开始,沿颗粒赤道方向由脱粘面向基体扩展,规律与常温情况相同。随着推进剂颗粒增加,虽然大颗粒仍然首先发生界面脱粘,但是低温会对推进剂界面脱粘和基体断裂的时机、位置和损伤程度造成显著影响,导致推进剂破坏形式更加复杂。     

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。     

复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征

复合固体推进剂脱湿涉及导弹武器的贮存和使用情况。针对复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征开展研究。首先为研究复合固体推进剂在外界载荷作用下的细观损伤演化规律,基于随机序列吸附法、热膨胀原理和分步填充的思想,实现了高体积分数颗粒填充,并通过几何合并的方式,加入粘合剂基体和颗粒/基体界面,建立了高体积分数固体推进剂三维细观结构模型。该细观几何模型将固体氧化剂(AP)颗粒与羟基封端的聚丁二烯(HTPB)粘合剂基体的连接界面处设定为内聚力单元,基于双线性损伤内聚力模型,考虑粘合剂基体与时间相关的粘弹特性,开展了不同应变率下固体推进剂的颗粒/基体界面脱湿数值模拟。提取内聚力界面单元高斯积分点的几何体积和刚度衰减率SDEG数据,定义固体推进剂材料内部脱湿面积,对其细观损伤进行了定量表征。结果表明,该三维细观结构模型能有效表征固体推进剂的细观结构。在外界载荷作用下,颗粒/基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域,界面损伤导致颗粒承载能力下降,且应变率越高,推进剂内部越容易出现损伤。     

HTPB推进剂的老化及使用寿命

为了进行老化评价研究,选择和研制了三种不同固体含量的(88～91%)端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂。已经证实,88%固体含量的HTPB推进剂符合以前提出的老化模型。这种老化模型已成功地进一步用于较高固体含量的推进剂以及其它计划用的HTPB推进剂的实测力学性能老化数据。采用这种老化模型,根据加速热老化试验数据予测了长期力学性能,予测数据与六年实测老化数据相当一致。利用予测的推进剂破坏性能,结合火箭发动机的要求,来确定予先选定安全裕度的发动机药柱的使用寿命。本文列出了各种复合推进剂老化速率的比较数据。根据老化结果的分析,提出了一个宽范围老化行为的数学表达式。     

固体推进剂药柱的近似不可压缩粘弹性增量有限元法

固化推进剂的泊松比一般接近于0.5，材料近似于不可压缩，以常用的有限无了法进行结构分析，精度不能保证，本文利用适用于不可压缩材料的粘弹性本构关系，发展了一种粘弹增量有限元法，所需存储窨较少，算例表明即使泊松比为0.5也有较高的计算精度，适用于固体推进剂药柱的结构分析。     

复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

基于粘附功的复合推进剂AP/基体界面损伤宏细观仿真

为研究复合推进剂AP/基体界面脱湿机理,建立了基于粘聚力界面模型的双尺度有限元损伤分析平台.为确定界面模型的输入参数,采用点滴法和Washburm毛细管上升法,分别测得基体与AP颗粒的接触角,再经Young's方程计算得到界面的粘附功.通过对不同体积分数下简化配方推进剂试件的拉伸试验结果与计算结果的对比显示,两者具有较...     

低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

为分析热老化后三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在低温动态准双轴加载下的性能，开展了不同热加速老化时间、不同温度和应变率条件下推进剂的准双轴拉伸力学性能试验及扫描电镜(SEM)观察试验。试验结果表明：热加速老化前后，推进剂的拉伸曲线趋势、力学性能变化规律及细观损伤形式保持一致，改进型非线性模型能够更好地描述1~100 s -1 应变率范围内典型力学性能参数随热老化时间的非线性变化关系。随温度降低，老化后推进剂的断面形貌由“脱湿”变为AP颗粒断裂，热老化、低温以及高应变率载荷的叠加使得推进剂的细观损伤变得更加严重，但准双轴拉伸时损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。热老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、 14.29 s -1 加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s -1 条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%，该参数定义可为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性失效的准则提供数据支持。     

输送管壁温对膏体推进剂燃速的影响

膏体推进剂作为一种新型特种推进剂,具有广阔的应用前景。膏体推进剂燃速直接影响发动机内弹道性能,研究输送管道壁温对推进剂燃速的影响具有重要意义。采用幂律本构方程表征膏体推进剂粘度,Arrhenius方程表征温度对粘度影响,并利用中心有限差分格式对控制方程进行离散。对恒定壁温下的膏体推进剂与管道间传热特性进行数值仿真,并进行了数值验证。结合仿真结果,并借鉴固体推进剂初温与燃速关系,分析了热管道内膏体推进剂燃速特性。结果表明：近壁面加热层厚度随入口速度增高而减小,随管径增大而增大,管内膏体推进剂平均燃速较入口温度条件下有所提高,同时,高温壁面条件下,近壁面推进剂温度高于爆发点,需要考虑管道内的防窜火措施。     

HTPB复合固体推进剂本构方程

本文将Schapery非线性粘弹本构模型和Perzyna非线性粘塑本构模型组合建     

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。     

复合固体推进剂静电危险性数值模拟

建立了一维非稳态传热、传质、裂纹扩展方程,对复合固体推进剂在静电激励下的危险性反应过程进行了数值模拟研究。计算了使一种HTPB推进剂发生危险的临界放电能量为0.74 J,与文献报道值0.76 J接近,说明本数值计算模型比较准确。在模型验证的基础上,考察了某推进剂的特征参数,如断裂韧性、裂纹扩展速度、固相分解热、燃速及静电放电时间对该推进剂发生危险时的临界放电能量和功率的影响规律。研究表明,放电时间、断裂韧性、裂纹扩展速度、燃速对推进剂发生危险变化的临界能量影响较大,断裂韧性越大、裂纹扩展速度越低、燃速越高的推进剂越容易在静电激励下发生危险。     

某固体推进剂湿热老化模型

通过对常用失效物理模型的分析和总结,结合量子力学理论关于电子产品老化反应速率与环境温、湿度的关系,以推进剂力学性能参数为研究对象,建立了固体推进剂贮存使用寿命的湿热老化模型,并通过试验数据拟合得到具体的经验公式。该模型可作为湿热环境下固体火箭推进剂贮存使用寿命预估的理论依据,也可作为固体火箭发动机剩余寿命计算的参考模型。     

基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的HTPB推进剂贮存寿命预估

针对Arrhenius方程将活化能假设与温度无关的常数,给HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂寿命预估引入了误差的问题,提出了基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的寿命预估方法。对HTPB推进剂进行了高温加速寿命试验,以最大延伸率作为性能变化表征参数,根据老化反应速率常数随温度的变化关系,建立了马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型,对常温条件下推进剂的老化反应速率常数进行了预测,并预估了HTPB推进剂在常温条件下的贮存寿命为11.74 a。