固体推进剂裂纹端部损伤区形状的实验研究

固体火箭推进剂是一种粘弹性高聚物,同时又是颗粒基复合材料。其断裂实验难度较大。本文用两种新方法:数字二次云纹法和渗透探伤法,进行裂纹端部损伤区的实验研究。结果说明裂纹端部的强烈损伤区是“窄带形”的,定义此窄带形损伤区为固体推进剂裂纹端部损伤区比以往的“腰子形”损伤区更为合理。为研究预测、控制固体推进剂的断裂性质提供了实验依据。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

复合固体推进剂双参数断裂准则研究

针对复合固体推进剂裂纹尖端的损伤特性,基于Dugdale模型建立了一个复合固体推进剂双参数断裂准则。通过单轴拉伸试验和单边断口断裂试验求得了双参数断裂准则中的两个材料参数。利用该准则对含有不同长度裂纹试件的破坏载荷进行预估,其结果与试验结果吻合得很好。
     

固体推进剂裂纹扩展研究综述

介绍国内外关于固体推进剂裂纹扩展的研究现状,总结固体推进剂裂纹扩展的试验研究和理论分析方法,归纳影响固体推进剂裂纹扩展的各种因素。分析认为:采用拉伸装置研究有裂纹推进剂力学性能和利用高速摄影系统研究裂纹燃烧和扩展情况是当前主要的研究手段;发动机燃烧室内压力、升压速率、裂纹形状尺寸和推进剂燃速是装药裂纹扩展的重要因素;必须进一步开展各因素和裂纹扩展的定量关系研究。     

基于数字图像处理的复合固体推进剂细观损伤行为研究

为研究复合固体推进剂HTPB、NEPE和GAP推进剂的细观损伤行为,采用原位拉伸扫描电镜实验、数字图像处理技术和分形维数理论相结合的方法定性、定量地分析了推进剂在拉伸过程微裂纹的产生及演变过程。结果表明,HTPB推进剂拉伸破坏的起始点为大粒径的AP颗粒破裂形成的微裂纹,拉伸过程无明显“脱湿”,其裂纹变化趋势可以用拉伸过程裂纹分形维数描述;裂纹分形维数与拉伸过程的力-伸长率曲线一致。NEPE推进剂拉伸过程中主要的损伤是固体颗粒“脱湿”,有部分AP颗粒破裂。GAP推进剂中AP颗粒和CL-20颗粒与粘合剂基体均未见明显脱粘,拉伸破坏的起始点为AP颗粒脱落形成的凹坑和AP颗粒堆积区域。揭示的三类复合固体推进剂在细观层面的损伤演化特点,可为推进剂力学性能研究提供理论参考。     

固体发动机药柱完整性失效的判据

固体发动机工作过程中,燃烧室药柱处于三向受压状态下,围压条件对推进剂力学性能有增强。该增强作用在细观结构上表现为延缓推进剂中微裂纹与真空孔穴(脱湿)的出现,并限制其在固体填料周围粘合剂中的扩展;在宏观力学性能上表现为在低温高应变率下推进剂的最大伸长率εm由常压下的较小值增大到接近断裂伸长率εb。通过围压环境对推进剂力学性能的影响分析,提出以推进剂断裂伸长率εb作为药柱在工作内压下的失效判据,并结合某翼柱型装药结构的有限元分析、完整性评估及地面试验,验证了该判据的合理性。     

固体推进剂断裂韧性试验方法研究

利用声发射试验系统和CT试样,对HTPB推进剂Ⅰ型裂纹断裂韧性进行实验研究.通过研究复合固体推进剂的声发射事件特性和裂纹扩展特性的关系,得到一种由振铃计数确定临界载荷的方法,该方法能准确求得断裂韧性.     

固体推进剂断裂韧性试验方法研究

利用声发射试验系统和CT试样，对HTPB推进剂I型裂纹断裂韧性进行实验研究。通过研究复合固体推进剂的声发射事件特性和裂纹扩展特性的关系，得到一种由振铃计数确定临界载荷的方法，该方法能准确求得断裂韧性。     

丁羟推进剂拉伸断裂行为的扫描电镜研究

利用扫描电镜及附属微型动态拉伸装置实验手段，对丁羟基复合固体推进剂进行了断口微观形貌观察和电镜微型拉伸试件在应变状上的断裂行为分析。结果表明，从推进剂拉伸力学行为的微观结构变化以预示其宏 同力学性能，改善丁羟推进剂粘合剂与固体颗粒之间的界面性质，是固体推进剂力学性能的一个重要方向。     

HTPB复合固体推进剂内损伤的CT识别

本语文通过ＨＴＰＢ复合固体推进剂断面层的计算机层析识别实验结果分析，并在微裂纹类型单一的假设条件下定量分析了材料内部微裂纹分布的密集程度和微裂纹面积的大小，建立了ＨＴＰＢ复合固体推进剂损伤的ＣＴ数学识别模型和方法。     

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。     

固体发动机装药裂纹中火焰传播速度计算

本文根据实验观察和分析、建立了一个固体火箭发动机推进剂裂纹点火燃烧的综合模型,使用该模型进行了裂纹中火焰传播规律的理论计算,计算结果与实验结果基本吻合。     

复合固体推进剂损伤演化的声发射检测

导出了复合固体推进剂材料声发射(AE)累积能量与裂纹扩展间的线性关系,建立了基于声发射累积能量的损伤演化模型.单轴拉伸声发射实验结果验证了该演化模型的正确性,可用于复合固体推进剂材料损伤的研究.     

固体火箭发动机撞击变形及装药内部热点形成数值分析

以热粘弹理论和动力有限元法为基础,结合机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型,分析计算了发动机壳体和装药结构撞击变形及装药内部热点形成,确定了产生高温热点撞击临界速度。计算模型中考虑了推进剂初始弥散细观裂纹离散、裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、基体粘性加热对热点形成影响等问题。通过与高能炸药Steven撞击试验结果进行对比分析,证明了理论模型及计算方法的有效性。计算了某小型发动机撞击试验临界速度。     

复合推进剂中裂纹扩展的实验研究

为了模拟固体推进剂出现的裂纹扩展,本文用圆盘状的模型来进行实验,同时还设计了一件简单装置,将它安装在标准试验机上。实验研究表明,裂纹扩展的开始是由应力强度因子的临界值决定的,其动力特性可由包括应力强度因子的平方法则和它的时间导数来描述。     

丁羟推进剂定载破坏试验探索研究

研究了丁羟推进剂在定载荷下断裂所需时间与推进剂本身抗拉强度的关系，并且给出了环境温度和湿度，试件大小，形状和制作方法对推进剂断裂所需时间的影响，为固体火箭发动机药柱设计提供了参考数据。     

固体推进剂药柱局部夹杂应力场分析的边界元法

夹杂、孔隙、脱粘和裂纹是固体推进剂药柱常见的缺陷形式,为获得缺陷附近精确的应力、应变场,可靠评估固体火箭发动机药柱的结构完整性,给出了求解夹杂和孔隙局部应力场的边界元法以及粘弹性时域问题的边界元迭代算法。首先将固体颗粒和孔隙抽象为夹杂,则固体推进剂药柱的受力问题实质为多连通域粘弹性力学边值问题,但由于夹杂界面位移和面力同时未知而导致该问题不能定解,然后根据夹杂域的边界积分方程和材料的本构关系建立了夹杂与基体界面面力与位移的关联矩阵,并将其作为整个多连通域问题的定解条件,最终使问题定解。通过含单个圆形弹性夹杂平面应变问题和圆筒固体火箭发动机平面应变问题的经典算例验证了该方法的正确性,数值结果表明,边界元法在局部夹杂应力场分析中具有较大的优势和潜力。     

固体填充剂对推进剂力学性能的影响

借助扫描电子显微镜（SEM）及微型动态拉伸装置测试手段，对含固体颗粒填充剂的丁羟复合固体推进剂（HTPB）和硝酸酯增塑的聚醚高能推进剂（NEPE）中的微相结构进行了断口微观形貌观察和推进剂拉伸试件在拉应力作用下的断裂过程分析。结果表明，固体颗粒的形状，粒径尺寸，粒度分布和级配变化，以及固体填料／粘合剂的界面性质等因素对推进剂力学性能有着重要的影响。     

冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究

高过载冲击载荷下,固体推进剂出现断裂行为是影响箭弹发动机装药结构完整性的重要原因之一。采用霍普金森实验技术(SHPB),对CMDB推进剂进行了冲击断裂实验。运用实验-仿真的方法,将实验数据直接输入仿真模型中,验证了实验条件下试件满足动态平衡前提假设,获得了推进剂的I型动态起裂韧性;利用扫描电镜设备(SEM),对推进剂断面形貌进行了观察和讨论。结果表明,CMDB推进剂动态起裂韧性在60 000~100 000 MPa·m1/2/s加载率范围内表现出明显的线性率敏感特性,并在加载率达到100 000 MPa·m1/2/s后出现极值3.96 MPa·m1/2;CMDB推进剂在高过载条件下表现出明显的脆性起裂特性以及动态起裂韧性存在率敏感性,直接与应力波对基体和AP颗粒损伤程度相关。     

光纤光栅传感器在固体推进剂内部应变测量中的试验研究

针对固体推进剂内部应变监测的难题,采用仿真与试验相结合的方法,开展了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)传感器在固体推进剂内部应变的测量研究。研究中采用增加增敏结构的方法解决FBG应变测量传感器与固体推进剂的变形协调性问题,通过数值仿真初步筛选了增敏球尺寸,结合仿真结果设计并加工了植入4种不同结构(不带增敏结构和带有2 mm、3 mm、4 mm增敏小球)的FBG应变测量传感器的固体推进剂试件,并对试件开展不同加载速率下的拉伸及压缩试验。结合试验结果分析了增敏小球直径、加载方式与加载速率对固体推进剂内部应变测试结果的影响,获得了内埋FBG传感器的固体推进剂内部应变变化规律。研究表明,采用增敏小球结构可有效解决FBG应变传感器与固体推进剂的变形协调性问题,大幅提高应变测量的灵敏度与传递效率,且增敏小球直径越大传递效率越高。所得研究成果可为FBG传感器用于固体发动机药柱应变监检测提供技术支撑。