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。     

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。     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。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,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm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对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。     

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。     

宽温宽频宽动态位移下ZN-33材料的黏弹行为

对ZN-33黏弹阻尼材料进行温度、频率和动态位移的扫描实验和不同温度、载荷下蠕变实验。研究了材料在宽温、宽频、宽动态位移下的动态阻尼特性。得到了ZN-33材料复模量和损耗因子随温度、频率和动态位移变化的规律。同时对该材料的蠕变特性进行了研究,揭示其蠕变行为的非线性特性,进行了蠕变柔量的时间—应力等效性描述。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——动态抗张模量的时间、温度依赖性

利用RHEOVIBRN DDV-Ⅲ-EA型动态粘弹谱仪,在频率为110,35、11,3.5Hz,温度为-150～200℃及频率为0.3,0.03,0.01Hz,温度为-80～30℃的恒定频率,测定了HTPB复合固体推进剂动态抗张特性温度谱.以线性粘弹及热流变简单性作为基本假设,采用折合变量的数据处理方法,将恒定频率的动态抗张模量温谱曲线迭加成参考温度为20℃时的动态抗张模量主曲线,并用一般化的Maxwell模型级数式给予定量的数学描述;还将图解得到的偏移因子温度曲线处理成修正的WLF方程,从而为药柱强度分析提供该推进剂材料的动态粘弹参数.     

固体推进剂粘弹力学特性的实验研究

本文首先对固体推进剂的粘弹力学特性进行了初步分析,然后利用动态粘弹谱仪测定了“双芳镁—3”推进剂的动态粘弹力学特性。根据对测试结果的分析计算和频-温(或时-温)等效原理,绘制了该推进剂在宽广频率范围内的动态复模量E~*(ω)主曲线和在宽广时间范围内的静态应力松弛模量E(t)主曲线。其结果对装药结构完整性分析有实用意义。     

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推进剂低温断裂性能试验研究

为研究温度和加载速率对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂低温断裂韧性试验,测定了不同温度和加载速率下含Ⅰ型裂纹推进剂试件的断裂韧性值,并研究了试件厚度对断裂韧性值的影响。结果表明:随着温度的降低和加载速率的增加,推进剂断裂韧性值逐渐增大,且断裂韧性值与加载速率的对数呈线性关系,温度越低,加载速率的变化对断裂韧性的影响越显著;在常温和-40℃下厚试件的断裂韧性值比薄试件要大,并且低温下这种变化更明显。最后得到了推进剂断裂韧性的二次函数主曲线。     

双钴-1推进剂粘弹力学性能的实验研究

本文利用DDV-Ⅲ-EA动态粘弹谱仪,对双钴-1固体推进剂的动态粘弹力学性能进行了实验测定.通过频-温(时-温)等效原理,动-静态粘弹力学特性间的关系,经过计算机分析处理给出了复模量E(ωα_T)和应力松弛模量E(t/α_T)主曲线及其数学表达式.其如果对固体火箭发动机装药结构完整性分析计算有实用意义.