单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。     

振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能影响

为了研究振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能的影响,通过60℃和70℃温度下HTPB推进剂10%定应变振动试验,采用单向拉伸法和扫描电镜观测法,对定应变HTPB推进剂在振动载荷作用下的宏观力学性能变化规律和细观损伤模式进行了研究。结果表明:定应变状态下振动载荷的作用使HTPB推进剂的抗拉强度减小(最大值超过5%),最大延伸率增大(最大值超过15%);老化初期振动载荷对高氯酸铵(AP)颗粒脱湿发展影响较小,当定应变状态下推进剂中的AP颗粒脱湿到一定程度时,振动载荷的作用会促进AP颗粒脱湿,降低固体颗粒的模量增强作用。     

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

为确定复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤,对复合固体推进剂的细观损伤过程进行数值仿真计算。将数值仿真得到的应力-应变曲线与试验曲线进行对比,建立颗粒脱湿损伤参数的优化目标函数,通过分步迭代计算,对颗粒脱湿损伤参数进行反演识别。结果表明:根据反演参数计算复合固体推进剂细观损伤过程,颗粒夹杂模型表现出的宏观应力-应变关系与试验结果吻合良好,说明双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。     

基于微CT技术的丁羟推进剂脱湿定量表征方法研究

为定量表征丁羟推进剂单轴拉伸过程中的脱湿演化过程,设计了一种兼顾宏观力学性能测试与细观结构微CT表征的新型哑铃型试件,利用单轴拉伸过程中原位微CT扫描试验,获取推进剂内部平均灰度值与平均孔隙率随拉伸应变的变化规律。结果表明:随着拉伸过程应变的增加,受脱湿损伤与拉伸变形双重因素的影响,丁羟推进剂的平均灰度值逐渐下降,且下降速率呈现先增后减再增的变化趋势;平均孔隙率经历初始孔隙膨胀时的较小增幅、新增脱湿损伤时的突然增加、脱湿逐步发展时的平稳增长、以及脱湿诱发裂纹贯通时的再次突然增加等四个阶段。可见,平均灰度值和孔隙率均与丁羟推进剂的细观结构及宏观力学性能变化密切相关,两者均可定量表征丁羟推进剂脱湿损伤。相比较灰度值而言,孔隙率统计可以更有效地反映丁羟推进剂内部脱湿损伤形成与发展的演化过程,故其更适合其脱湿损失的定量表征。     

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。     

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。     

AP/Al/CMDB推进剂的断裂特性实验研究

开展了关于AP/Al/CMDB推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂实验研究,利用CCD光学显微镜实时监测了裂纹的起裂与扩展过程,并阐述了裂尖材料的损伤演化机理;结合电镜扫描(SEM)技术对推进剂的断面形貌进行了表征,分析了大粒径高氯酸铵(AP)的微观结构演化机理;采用积分法获得推进剂的断裂能。结果表明:推进剂在起裂与扩展过程中裂尖区域材料存在明显的损伤现象,AP颗粒的脱湿行为主导着微孔洞和微裂纹的萌生、成核、长大、合并过程,表征着推进剂的断裂机理,并控制着推进剂的非线性断裂特性;采用积分法获得推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂能为1.765±0.025N/mm。     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

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。     

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。      

含初始缺陷的复合固体推进剂力学性能

为研究含初始界面缺陷的复合固体推进剂力学性能,基于周期性假设和分子动力学算法构建复合固体推进剂细观结构模型,在高氯酸铵(ammonium perchlorate,AP)颗粒与端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应。通过相应算法实现对界面缺陷单元的自定义,基于商业有限元软件ABAQUS数值计算存在初始界面缺陷的推进剂的宏观力学响应,其应力-应变云图表明缺陷界面处会更早达到损伤条件发生脱粘,缺陷的存在会加速推进剂的断裂失效的进程。通过对比不同界面缺陷含量的仿真结果,发现界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及抗拉强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势。     

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推进剂细观损伤机理的声发射实验研究

采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形ＨＴＰＢ推进剂件声发射（ＡＥ）信号的方法,对ＨＴＰＢ复合固体推进剂在载荷作用下细观损伤及其扩展的机理进行了研究。实验结果表明：声发射累计能量对应于细观损伤产生和扩展两个不同阶段,提出了一个描述ＨＴＰＢ复合固体推进剂细观损伤扩展的物理模型,该模型解释了不同拉伸速率下ＨＴＰＢ复合固体推进剂破坏了后出现的不同物理现象。     

中性聚合物键合剂对硝胺推进剂相界面的作用

采用溶胀比测试和原位拉伸扫描电镜观测等手段,研究中性聚合物键合剂（NPBA）对硝胺填充固体推进剂界面作用的影响。结果表明,NPBA能在硝胺颗粒周围形成一层高模量中间相,有效地解决“脱湿”问题,提高了推进剂的拉伸性能。     

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。     

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.     

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中，燃烧表面存在Al颗粒团聚现象，其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型，实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型，分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象，得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律，并将之与实验数据进行对比，最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律，设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数，分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.445 3与86.49，可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。     

NEPE高能推进剂力学性能模拟计算

将颗粒填充聚合物三相结构(颗粒相-中间相-基体相)和粘弹模型相结合,提出了NEPE高能固体推进剂三相结构粘弹模型,建立了NEPE高能推进剂力学性能与其配方组成、固体填料粒径及级配、弹性母体(基体)的拉伸强度和模量、界面层模量等参数的数学关系,进行了编程计算,其拉伸强度和伸长率90%的计算值和测试结果相对误差小于20%。     

不同状态HTPB推进剂动态冲击损伤研究

针对HTPB推进剂长期服役中面临动态冲击的风险,以未老化、热老化和湿热老化三种不同状态HTPB推进剂为研究对象,研究动态冲击条件下HTPB推进剂损伤情况,采用细观检测设备(SEM,CT),以分形维数相结合的方式,定性和定量分析了损伤情况。研究结果表明,未老化和热老化HTPB推进剂动态冲击后,内部的损伤主要表现为颗粒穿晶断裂和破裂、基体与颗粒的界面损伤、基体撕裂、孔隙率增大等,经分析表明冲击时应力集中区易于在AP颗粒内部和颗粒/基体界面产生。而湿热老化HTPB推进剂在动态损伤后,表现为基体与颗粒的界面"脱湿"、基体撕裂和少量的颗粒断裂,冲击时应力集中区主要在颗粒/基体界面产生。采用分形维数对冲击后的损伤情况进行定量表达,损伤情况的严重程度由高到低依次是热老化、未老化和湿热老化,温度越低应变率越高,损伤越严重,同等实验条件下湿热老化的分形维数比未老化的情况减小了0.13%～4.82%,而热老化后的分形维数比未老化的情况提高了11.8%～15.0%。