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。     

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。     

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。     

非线性粘弹性本构模型在固体火箭发动机装药结构完整性分析中应用

针对以往复合固体推进剂非线性本构模型中积分项多、本构参数难获取的问题,从朱-王-唐非线性本构模型出发,将本构模型表示为弹性项和粘性项之和的形式,并提出了基于松弛实验和拉伸实验的本构模型建模方法;完成了松弛实验和拉伸实验的数值仿真,并结合单向拉伸实验数据对本构模型进行了验证,仿真结果与实验数据的相对偏差不超过15%。对贴壁浇注固体火箭发动机硫化降温过程进行了数值仿真,并通过与实验数据的对比,表明本构模型的仿真精度较高。     

含损伤非线性粘弹性本构模型及数值仿真应用

提出了一种含累积损伤的非线性粘弹性本构方程,通过数值展开,获得该应力更新方程和切线模量矩阵,利用FORTRAN语言编制了自定义材料本构模型子程序,将子程序融合到ABAQUS软件中进行有限元数值仿真。通过验证试验证明了所建立的非线性粘弹性本构方程及数值方法的准确性和实用性,为装药结构完整性数值仿真提供了较为精确的本构模型及材料子程序。     

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应，即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性，基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法，编写了基于Abaqus的用户子程序，并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现，非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应，自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响，与不考虑自热效应相比，循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著，表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明，考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为，滞回圈的形状与实验结果更为吻合，斜率误差在10%以内。     

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。     

用三维非线性粘弹模型分析药柱结构

一个三维非线性粘弹模型结构分析有限元程序业已完成。该模型可运用于分析准静态条件下承受有限应变的各向同性、近乎不可压缩的粘弹材料,包括材料非线性影响.以热流变的简单性假设来建立与温度有关的模型。该模型已用于分析固化后冷却过程中的固体火箭发动机。当变形有限时,发现非线性模型预估的药柱应力水平高于线性粘弹模型预估的药柱应力水平.     

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。     

复合固体推进剂非线性粘弹本构方程的微观力学分析

在填充颗粒为弹性硬颗粒的条件下，本文成功地将Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂理论及相应的平均化方法推广应用于研究复合固体推进剂的非线性粘弹性本构方程，结果表明，复合固体推进剂的非线性本构关系可以用基体的本构关系与一个增强系数的 积β来表示，β只与颗粒的形状，体积分数及泊松比有关。本文的结论具有重要的工程应用价值。     

基于虚温定义的粘弹性有限元方法

基于NARAYANASWAMY提出的虚温定义,用虚温表示的温度变化产生的折算应变率替代Swanson模型中的应变率修正函数,获得了基于虚温定义的粘弹性材料的应力应变本构方程,并导出基于虚温定义的粘弹性非线性有限单元法计算公式。计算结果验证了此基于虚温定义的粘弹性分析方法的正确性。     

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。     

防空导弹翼面弹性支承边界参数识别

利用系统可测自由度上获得的不完全模态来识别尾翼的边界支承参数。直接由特征方程出发求解边界的未知位移和内力，借此计算边界动刚度，同时对带有一定误差的已知试验模态进行叠代修正，然后通过最小二乘法求解边界的支承刚度和附加质量。本文方法简捷。精度和效率都较高。在防空导弹及其他相关领域都有一定的应用价值。     

超声速气流下黏弹性夹层壁板非线性颤振分析

基于Kelvin-Voigt黏弹性本构模型、von-Karmen薄板大变形理论和三阶气动力活塞理论建立了三维黏弹性夹层壁板的气动弹性颤振方程。使用Galerkin截断方法,对超声速气流下,四边简支黏弹性夹层壁板颤振的非线性特性进行了研究。对于非线性一阶截断方程,研究了它的平衡点及稳定性随来流速度的变化情况,得到了系统发生静态分叉时的临界速度;对于非线性二阶截断方程,使用数值仿真分析方法,得到了系统发生Hopf分叉时的临界速度,并利用响应、相图等手段研究得到黏弹性夹层板随来流速度变化的动力学特性。     

固体火箭发动机药柱三维结构非线性分析

非线性分析是药柱结构分析中的难点，针对其对结构分析的影响，基于不可压缩材料的粘弹性本构关系，应用完全拉格朗日（T．L）法的虚功方程，综合考虑药柱的近似不可压缩性和几何非线性，推导了三维粘弹性几何非线性有限元增量方程，编写了有限元程序对星型药柱在受压力载荷以及固化降温载荷作用下的结构进行了分析，并与线性计算的结果进行了对比，结果表明，在大载荷作用下，非线性对药柱结构分析的影响比较显著，计算时考虑非线性的影响是必要的。     

固体火箭发动机药柱大变形数值分析

综合考虑固体发动机药柱的近似不可压缩性和几何非线性,基于不可压缩材料的粘弹性本构关系,应用完全拉格朗日(T.L)法的虚功方程,推导了二维粘弹性几何非线性有限元的增量列式,编写了有限元程序并与算例进行了对比,并对星型药柱在受压力载荷作用下的结构进行了分析。结果表明,该方法和程序可用于所有泊松比粘弹性问题的计算,尤其适用于推进剂药柱的应力分析。     

Evolution of motion of two viscoelastic planets in the field of forces of their mutual attraction

Translational-rotational motion of two viscoelastic planets in a gravitational force field is studied. The planets are modeled by homogeneous isotropic viscoelastic bodies. In their natural undeformed state each of the planets represents a sphere. We investigate a specific case when the planet’s centers of mass move in a fixed plane, the axis of rotation for each planet being directed along the normal to this plane. An equation describing the evolution of a slow angular variable (perihelion longitude) is derived. The observed displacement of the perihelion of Mercury is compared with the results obtained in the considered model problem about motion of two viscoelastic planets. Quite important is the fact that the planet of smaller mass (Mercury) moves not in a central Newtonian field of forces, but rather in the gravitational field of a rotating viscoelastic planet (Sun).     

筒状大长度固体药柱在内压载荷下的响应

本文研究不可压缩的粘弹性圆筒，在轴对称的平面应变条件下承受内压的问题，粘弹性材料采用分数阶导数模型。并用分数阶导数模型拟合固体推进剂松弛模量曲线，用Ｌａｐｌａｃｅ变换和其反变换计算了固体火箭发动机筒段在点火内压建立过程中的位移和应力，得到它们随位置和时间变化的曲线。     

固体火箭发动机随机药柱结构分析参数的灵敏度研究

基于粘弹性随机有限元法(VSFEM)和多项式回归模型,分析了固体火箭发动机药柱结构的随机参数灵敏度。首先以近似不可压缩粘弹性有限元法为基础,结合Latin超立方抽样(LHS)技术获取多组输入、输出随机变量,然后采用多项式回归模型表示输入、输出随机变量之间的函数关系,利用最小二乘法估计多项式的各项系数,进而通过随机响应的显式表达式对药柱结构随机参数灵敏度进行了分析。所得结论可为固体火箭发动机工程设计提供参考。     

共固化粘弹性复合材料的结构多目标进化优化设计

共固化粘弹性复合材料结构兼具结构承载和阻尼减振能力,设计时需同时考虑强度、刚度、质量和阻尼性能等指标要求,且设计变量众多,因此传统的设计方法难以实现结构的优化设计。本文建立了共固化粘弹性复合材料结构的多目标优化模型,优化目标为结构质量最小化和模态损耗因子最大化,设计变量包括铺层厚度、方向角和阻尼层厚度,并考虑结构动刚度的约束条件。阻尼结构的分析采用基于有限元法的模态应变能法,进化优化采用改进的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II)。最后的优化算例表明将多目标遗传算法应用于共固化粘弹性复合材料结构阻尼/结构一体化设计的可行性。