EPDM绝热层的粘超弹本构模型

为了准确描述固体火箭发动机内三元乙丙(EPDM)绝热层在有限变形下的力学特性,主要通过多步松弛和单轴拉伸2种实验方法,获得平衡响应曲线和拉伸曲线。分别采用Ogden模型、Mooney-Rivlin模型,对平衡响应曲线进行拟合,并以此为基础,引入应变率参数μ来描述EPDM在单轴拉伸实验中的率相关特性,从而建立了EPDM在准静态单轴拉伸条件下的本构模型。研究结果表明,本文所建立的模型能很好地描述EPDM在准静态条件下的力学特性,通过该模型,也可在有限应变率范围内预测EPDM的应力响应特性。     

EPDM包覆层热解状态下的力学行为及本构模型

为了准确描述固体火箭发动机三元乙丙(EPDM)包覆层在不同热解状态下的力学特性,通过热重分析的方法得到EPDM的热解温度范围,并采用准静态单轴拉伸实验的方法获得EPDM在不同热解温度下的应力-应变曲线。以Ogden(n=2)模型为基础,分别对不同热解状态下的力学曲线进行建模,并通过对实验数据的拟合获得模型参数。结果表明,在初始热解状态下,材料只发生了少量的失水和气体的逃逸,其力学行为可通过粘超弹本构模型进行描述;随着材料热解程度增加,基体材料和填充纤维均遭到破坏,其力学行为表现为超弹脆性材料特性。     

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。     

短纤维增强橡胶材料隔层的强度与失效分析

对短切芳纶纤维EPDM材料试件进行了拉伸试验,利用数字图像分析法处理得到了准确的材料应力应变数据。根据火箭发动机柔性隔层的结构特点,用ABAQUS有限元分析软件建立了柔性隔层的有限元模型,利用轴对称结构大大简化了计算量。通过ABAQUS对拉伸试验数据进行拟合,得到了较为准确的超弹性本构模型,并通过此模型对隔层工作情况进行模拟,得到了隔层的实际应变情况。结果表明,当前工况下柔性隔层受载未超出材料强度极限,且尚具有较高的安全裕度,现有的安全判据是不可用的。改变壳体刚度、隔层与药住间隙计算其应变结果,并综合对比之前的结果,提出了有效的降低隔层应变方法,为隔层的优化提供了依据。     

柔性接头弹性件压缩剪切联合加载试验研究及数值分析

通过单轴拉伸与平面拉伸试验,得到了柔性接头弹性件橡胶材料“三阶五项式”超弹本构模型参数,通过有限计算证明了该模型的优越性.为了获得柔性接头弹性件材料剪切模量随容压的变化规律,设计了双轴加载试验装置和征柔性接头弹性件的三重片试件,进行了压缩剪切联合加载试验及有限元数值模拟,发现橡胶材料的剪切模量随压强的高略有增加.数值模...     

基于机器学习的绝热层材料粘-超弹性本构模型参数确定方法

为了更准确地描述固体发动机绝热层大变形特点以及力学响应与速率相关的力学性能,建立了一种粘-超弹性本构模型。模型由超弹性与粘弹性两部分组成,超弹部分的应力响应基于指数-对数形式的应变能密度函数推导获得,粘弹部分的应力响应为卷积积分形式。引入机器学习方法用于本构模型参数的厘定过程,该方法可以实现复杂模型的参数确定。将绝热层材料的试验数据与模型预测结果进行对比分析。结果表明,模型能够准确描述绝热层材料的力学响应,在不同拉速下(1.98、99、1980 mm/min)模型预测结果与试验结果的平均偏差分别为1.74%,8.1%,3.5%,从而说明基于机器学习的模型参数确定方法具有较高的可靠性与便捷性。     

HTPB推进剂温度及率效应的累积损伤模型研究

为揭示机械载荷作用下HTPB推进剂的力学性能变化规律和破坏机理,利用单轴拉伸法研究了温度及应变率对HTPB推进剂力学性能的影响。运用单轴拉伸方法,研究了5组不同应变率(0. 000 333～0. 167 s-1)和不同环境温度(-50～35℃)下HTPB推进剂的恒速率单轴拉伸破坏试验。通过试验数据获取损伤模型参数,并最终建立了含应变率和温度因子的累积损伤模型。利用建立的累积损伤模型来预测HTPB推进剂在特定温度及应变率(0.000 333～0.167 s-1)条件下的失效情况,计算结果与试验结果吻合较好。此累积损伤模型可为固体推进剂装药结构完整性分析方法和HTPB推进剂损伤和破坏研究提供一定依据。     

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。     

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。     

T800碳纤维/PEEK热塑性复合材料的拉伸与剪切失效行为研究

采用T800碳纤维/聚醚醚酮(T800/PEEK)预浸料，以高温、模压方式制备了热塑性单向复合材料，通过拉伸、面内剪切试验方法对其模量和强度进行了测试分析，得到了不同载荷形式作用下的宏观失效破坏模式。针对T800/PEEK复合材料的微细观结构特点，建立了有限元代表性体积单元模型(RVE)和碳纤维、PEEK基体以及纤维/基体界面三种材料的本构关系，基于渐进损伤失效模型和内聚力模型得到了单轴拉伸/压缩、面内剪切载荷作用下单元模型的应力应变曲线和微细观失效模式。相比于试验测试结果，有限元模型预测得到的拉伸模量/强度相差最大为11%,剪切模量/强度相差最大为5%。     

芳Ⅲ编织绳动态拉伸性能研究

芳Ⅲ编织绳是常见的降落伞伞绳材料，在开伞过程中承受较大的冲击载荷，为研究其动态拉伸性能，文章以3.5-750芳Ⅲ编织绳为例，进行了动态拉伸试验及仿真模拟。首先使用万能强力机对3.5-750芳Ⅲ编织绳开展了4个不同应变率工况下的动态拉伸破坏试验，获得拉力-等效应变曲线，研究发现随拉伸应变率的增加，编织绳的断裂强力和弹性模量均增大，而断裂应变和韧性均减小。随后利用ABAQUS软件，建立了芳Ⅲ编织绳的纱线级有限元模型，依据试验结果对Johnson-Cook动态本构模型进行拟合及参数修正，并应用于编织绳动态拉伸破坏仿真，得到不同应变率下的仿真结果。与试验对比，研究表明，拟合、修正得到的Johnson-Cook动态本构模型可有效地模拟柔性编织绳动态拉伸行为，为柔性编织绳的动态力学性能研究提供了仿真手段。     

CMDB/EPDM包覆界面脱粘性能研究

为了研究固体火箭发动机改性双基(CMDB)推进剂与三元乙丙(EPDM)包覆层界面的脱粘性能,通过双悬臂梁(DCB)试件和粘接件单轴拉伸试件对界面性能进行试验研究,获取了界面的内聚能和内聚强度。同时,引入双线性内聚力模型对界面层单元进行描述,建立了界面裂纹开裂扩展计算模型。模型仿真曲线与试验曲线一致性较好,表明所建内聚力模型能够反映界面力学特性。对试验与仿真过程中的裂纹面开裂扩展过程进行了比较分析,发现二者变化趋势基本一致,误差范围在12.5%以内,验证了界面模型在描述裂纹面扩展方面的可靠性。     

常应变率下某固体推进剂非线性粘弹性本构关系研究

以工程可应用性和简单性为目的,开展某固体推进剂非线性粘弹性本构关系研究。首先从积分型线性粘弹性本构关系出发,通过松弛实验获得了某固体推进剂材料的松弛模量,建立了线性粘弹性本构关系。再引入随应变率变化的非线性松弛模量(含非线性弹簧和非线性粘壶)概念,建立了考虑应变率效应的积分型非线性粘弹性本构关系。最后,借助于常应变率拉伸实验曲线,提出参数识别策略,得到了三参数的非线性松弛模量。多种常应变率拉伸实验结果表明,所建立的非线性粘弹性本构关系不但与线性粘弹性本构关系具有很好的衔接性,而且因只含有3个物理意义明确的材料参数,极易于工程应用。     

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。     

B65A-S钢动态力学性能及本构模型的研究

为了研究B65A-S钢的动态力学行为,采用Instron液压试验机和分离式霍普金森压杆试验装置,在不同应变率和不同温度条件下对圆柱形试样进行准静态和动态加载试验。试验结果表明,材料的屈服强度与流动应力随着温度升高而降低;在温度一定时,随着应变和应变率的增大,材料的流动应力增高,具有典型的温度软化、应变强化和应变率强化特性。最后基于Jonson-Cook本构模型对试验数据拟合,得到B65A-S钢的Johnson-Cook本构模型参数。     

HTPB推进剂粘聚断裂研究

为了预测推进剂药柱中裂纹的起裂和扩展过程,建立了HTPB推进剂的粘聚区本构模型和数值仿真方法。粘聚区本构模型参数分别使用单边裂纹拉伸实验、单轴拉伸实验和数值仿真的方法获取。在有限元分析软件ABAQUS基础上开发出粘结单元,建立了模拟复合型裂纹扩展的嵌入粘结单元方法。进行了复合裂纹试样拉伸实验,获得了裂纹扩展路径和载荷时间曲线,同时用数值仿真方法对结果进行了预测。通过仿真和实验结果对比发现,所建立的粘聚区模型可完整地模拟出HTPB推进剂的失效过程;嵌入粘结单元的方法可准确地预测复合型裂纹的扩展路径。     

基于烧蚀发动机的EPDM烧蚀性能试验研究

采用有2个流速试验段的烧蚀试验发动机在双基推进剂和含Al 10%复合推进剂燃气环境下对EPDM绝热材料进行烧蚀试验,分析了压强、燃气组分和速度等因素对EPDM绝热材料烧蚀特性和炭化层微观结构的影响规律。研究表明,EPDM绝热材料炭化率和质量烧蚀率随着燃气速度和燃烧室压强的增加而增大;在燃气温度、燃烧室压强和燃气速度接近的条件下,含Al 10%复合推进剂燃气环境下的炭化率是双基推进剂燃气环境下的2倍;EPDM绝热材料炭化层的结构呈现一种致密/疏松的多孔结构,表面存在一层致密层。烧蚀模型中炭化层物理模型可用非均质可渗透多孔介质描述。     

Kevlar层合板超高速撞击数值建模及参数识别

针对Kevlar层合板在超高速撞击条件下的力学特性的复杂性及参数不准确对数值仿真的不利影响,提出一种使用正交各向异性本构模型,Chang-Chang复合材料失效模型和有限元方法对Kevlar层合板的超高速撞击力学特性进行建模并运用连续响应面技术对材料失效模型参数进行识别的方法.然后使用该方法建立了与现有文献中的试验工况相对应的数值模型,并把Kevlar层合板材料失效模型的4个参数作为优化变量,以仿真结果与试验结果的二乘残差最小作为优化目标,使用连续响应面技术建立参数优化模型,由此识别这些参数.结果表明,该建模方法能正确描述Kevlar层合板的超高速撞击力学特性,采用识别后的参数进行仿真计算可以显著提高数值模型的仿真精度.     

固体推进剂动态力学行为研究进展

从动态力学表征、损伤机理、动态断裂和动态本构4个方面,对固体推进剂动态力学行为进行了综述。分析表明,动态力学实验重点关注固体推进剂的初始弹性模量、屈服应力、强度等参数,填充颗粒破裂是动态损伤的主要形态,动态断裂主要集中动态起裂研究,并对3类动态本构模型性进行了评述。在此基础上,梳理了下一步研究的重点,认为深化实验研究、力学数值模拟和含损伤热粘-超弹性动态本构模型将是下一步研究的重点。