HTPB推进剂宽泛应变率下粘弹性本构模型研究

为研究HTPB推进剂的率相关性力学性能,采用材料万能试验机、液压试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB),分别开展了低(1.67×10~(-4)~1.67×10~(-1)s~(-1))、中(1~100 s~(-1))、高(700~2 500 s~(-1))应变率的单轴压缩实验。实验结果表明,HTPB推进剂的压缩力学性能是率相关性,随应变率的升高,给定应变下的应力逐渐增大。采用广义非线性ZWT本构模型描述HTPB推进剂宽泛应变率下的压缩力学行为,模型预测与实验数据对比表明,模型中至少需要4个麦克斯韦元件。     

低温和应变率对HTPB推进剂压缩力学性能影响

采用单轴压缩实验方法,分析了低温(-40～25℃)和应变率(1/300～1/12 s-1)对HTPB推进剂压缩力学性能的影响,得到了不同温度和应变率条件下推进剂的压缩应力-应变关系。结果表明,推进剂压缩强度和压缩模量随温度的降低和应变率的增加而逐渐增加,且均与应变率具有良好的线性对数关系(lg[σ.k(T)]=a+blg.ε和lg[E.f(T)]=c+dlg.ε),利用该关系式可对推进剂压缩力学性能进行预测。通过双因素方差分析表明,低温和应变率均对推进剂压缩力学性能具有显著影响。其中,低温对压缩模量的影响更加显著,而应变率对压缩强度和压缩应变的影响更加显著。     

HTPB复合固体推进剂的声发射特性及损伤模型的试验和理论研究

通过声发射（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ简称ＡＥ）试验监测单轴定速拉伸试验试样的动态损伤破坏过程，阐述了ＨＴＰＢ复合固体推进剂材料的声发射特性，提出了具有明确物理意义的损伤变量定义，并给出了描述复合固体推进剂材料损伤发展的数学模型。     

HTPB推进剂贮存期预估模型研究

提出了一种利用延伸率保留值预估HTPB推进剂贮存期的数学模型(半经验公式)。它与常用模型(指数形式和对数形式)相比,具有一定的可扩展性。通过对2个HTPB推进剂配方老化试验数据的回归结果进行相关性检验,得出算例中该计算式相关系数R>0.975、标准差Rstd<0.008、置信概率P>99%,预估得到的HTPB推进剂贮存期与实际接近。考虑到大部分HTPB推进剂的老化机理相似,所以该模型具有一定普遍性,适用于HTPB推进剂贮存期的预估。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

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%。     

HTPB推进剂细观损伤及载荷传递行为数值模拟

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂细观损伤及传力特性,基于粘超弹性材料本构和双线性内聚力模型,结合DIGIMAT建立了推进剂代表体积单元(RVE)模型,通过应力集中因子和载荷传递系数定量分析了颗粒和基体之间的载荷传递及应力集中程度。结果表明,颗粒位置随机并不会对力学性能造成明显的影响,但颗粒发生“脱湿”的位置改变可能会影响裂纹扩展的路径;颗粒的长径比越大,应力集中现象越明显,相较于椭圆形颗粒,圆形颗粒的界面更容易发生“脱湿”损伤;大颗粒含量越高,初始阶段颗粒的应力集中程度越大,基体的应力集中程度越小,载荷传递的效率越高,脱粘后变化趋势相反,同时大颗粒含量的增加会加快界面损伤的进程,加剧界面损伤的程度;颗粒体积分数越大,颗粒和基体的应力集中因子都将逐渐增加,初始阶段载荷传递效率越低,脱粘后载荷传递效率越高。     

HTPB复合固体推进剂老化损伤的CT研究

针对HTPB复合固体推进剂老化存在的材料性能劣化问题，采用了计算机层析识别技术研究HTPB复合固体推进剂材料老化损伤．通过HTPB复合固体推进剂损伤的数学模型，定量描述了材料的老化问题，并将其代入推进剂粘弹本构方程．结果表明．老化损伤的粘弹本构方程能够一定程度上描述损伤老化引起的材料劣化问题。     

HTPB推进剂力学性能散布与确定变量相关性研究

针对复合固体推进剂力学性能存在散布的问题,通过方差分析试验,研究了松弛模量和泊松比的散布与确定变量之间的相关性。建立了力学性能散布的方差分析模型,分析了散布的变化规律,并对导致变化的原因进行了讨论。结果表明,松弛模量的散布受温度和载荷作用时间影响显著;泊松比的散布在不同的应变阶段差异较大,结构损伤的不确定性是导致泊松比散布变大的主要原因;玻璃化转变及结构失效会引起力学性能的很大散布。     

基于BDP模型的AP/HTPB推进剂燃速参数敏感性分析

稳态和非稳态燃烧模型对于研究AP/HTPB复合推进剂中低频下的压强耦合特性问题是十分重要的,可信的稳态计算结果是非稳态计算的前提。在应用稳态燃烧模型对推进剂的燃速进行计算时,参数值的选取对计算结果具有很大的影响。针对AP/HTPB复合推进剂燃烧特性,在BDP多火焰结构理论的基础上,采用了AP/HTPB复合推进剂稳态燃烧模型,并对模型进行了数值计算,研究了AP和HTPB的指前因子和活化能及δ参数对推进剂燃速的影响。计算结果表明,AP活化能Es,ap的取值对推进剂燃速结果影响较大,在高压下更为敏感;HTPB的指前因子As,b对燃速几乎没有影响,其活化能Es,b对燃速影响较小,高压条件下,影响作用略微增强;参数δ值的选取对计算燃速值影响很大。     

HTPB推进剂用季铵盐高效降速剂研究

低燃速、高比冲端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂是先进固体火箭发动机发展的重要方向,针对HTPB推进剂用传统降速剂的降速效率不高,且容易造成推进剂能量损失等问题,设计合成了以NF₂SO₃^-、CF₃SO₃^-、BF₄^-、ClO₄^-为阴离子的含有长链烷基的新型季铵盐降速剂。对这些降速剂进行了SEM和DSC表征、燃速测试及量子化学计算,研究了它们抑制高氯酸铵(AP)分解和降低HTPB推进剂燃速的作用规律,探讨了高氯酸根季铵盐的降速机理。结果表明,这些季铵盐降速剂对AP的热分解均具有一定的抑制作用,与添加相同含量(1%)草酸铵的推进剂燃烧性能相比,它们的降速幅度提升均超过4.5%,降速效果最好的BPE-1524CD的降速幅度提升达到10.43%;在相同燃速条件下,添加BPE-1524CD降速剂的推进剂燃烧残渣比添加草酸铵的降低了50%,比冲提高了10～20 N·s/kg;三种高氯酸...     

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。     

醇胺类键合剂对HTPB推进剂力学性能和工艺性能的影响及分析

较系统地分析了醇胺类键合剂用量及规格对HTPB推进剂力学及工艺性能的影响。通过红外光谱图及实验研究进行了键合剂作用机理分析。对醇胺类键合剂在HTPB推进剂系统中的应用性能进行了验证和和探索。     

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。     

低燃速HTPB复合推进剂过载情况下燃烧性能试验研究

利用固体火箭发动机离心试验方法,研究了低燃速(4 mm/s,4 MPa)、高铝粉含量的HTPB复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性。试验分2组进行,第1组试验发动机平均工作压强为4 MPa,第2组为12 MPa,分别在0、5gn、8gn、15gn离心加速度条件下进行试验。通过对试验机理和试验数据分析发现,此类HTPB复合推进剂的燃速对过载加速度非常敏感。在较低加速度情况下,垂直于加速度的燃面处燃速出现了增加;同一压强(4 MPa)下,在0~15gn范围内,燃速与加速度近似呈线性关系。     

HTPB推进剂裂纹起裂J积分研究

为研究HTPB推进剂的裂纹起裂特性,建立了一种由单试件计算推进剂J积分和JV积分的方法,开展了HTPB推进剂松弛试验和含I型裂纹平板试件J积分试验,标定了试件的裂纹构型因子,得到了推进剂的载荷-虚位移曲线以及裂纹起裂J积分和JV积分值。结果表明,文中建立的方法能够很好地计算推进剂的裂纹起裂J积分和JV积分值,推进剂的J积分和JV积分具有明显的率相关性,随着加载速率的增加,其值也变大,且加载速率对JV积分的影响比对J积分的影响要大得多。     

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。     

基于红外光谱的HTPB推进剂老化机理

为从红外光谱角度研究HTPB推进剂贮存过程中老化机理,开展了70℃下推进剂试样的加速老化试验,并测得加速老化过程中15个时间节点的试样红外吸收光谱及最大延伸率数据,通过对二者变化规律的相关性分析,找到了与最大延伸率变化相关度较高的红外特征波数及其对应的特征官能团—OH、C=O、NH_4~+,且这些官能团特征吸收峰强度与最大延伸率均呈总体下降趋势。研究结果表明在加速老化过程中,推进剂试样中存在的主要老化机理是消耗—OH与C=O的后固化反应以及会导致NH_4~+含量降低的氧化交联反应。同时,红外光谱分析的实验结果,与以往传统研究方法所揭示的HTPB推进剂主要老化机理一致,印证了红外光谱法的正确性,也说明它具备进一步发展为定量反映推进剂老化性能工具的潜力。     

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。