推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法

固体推进剂是典型的粘弹性材料,其泊松比是时间的函数,相关标准中基于接触式测量方法的结果将推进剂泊松比视为常数,影响了药柱结构完整性分析的精度。针对此问题,推导了粘弹性泊松比的松弛型定义,提出了一种基于数字图像相关方法的固体推进剂泊松比高精度测量方法,研制了相应的测试系统,并测量了某HTPB推进剂的粘弹性时变泊松比。评估试验显示该测试系统的应变测量精度可达20με,有效解决了推进剂泊松比千分位测不准的难题。结果表明,推进剂泊松比随松弛时间的增加而增加,具有明显的粘弹特性。所提方法可为粘弹性材料泊松比的高精度测量提供参考。     

HTPB推进剂“脱湿”性能表征及影响因素试验研究

为研究HTPB推进剂的"脱湿"性能,基于气体膨胀计原理研制了复合固体推进剂"脱湿"性能测试装置,并采用该装置开展了配方及应变率对推进剂"脱湿"性能影响的试验研究。采用起始"脱湿"点、特征"脱湿"点和特征"脱湿"速率来表征推进剂的"脱湿"性能,试验结果表明,推进剂的"脱湿"性能具有明显的率相关性,应变率越高,推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大,但是推进剂的内部"脱湿"速率存在一个上限;HTPB推进剂中AP含量对推进剂"脱湿"性能的影响占主导地位,AP含量越高,则推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大。所建立的试验方法和"脱湿"性能表征方法对药柱结构完整性、药柱力学性能预示及可靠性评估均具有重要实用意义。     

复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征

复合固体推进剂脱湿涉及导弹武器的贮存和使用情况。针对复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征开展研究。首先为研究复合固体推进剂在外界载荷作用下的细观损伤演化规律,基于随机序列吸附法、热膨胀原理和分步填充的思想,实现了高体积分数颗粒填充,并通过几何合并的方式,加入粘合剂基体和颗粒/基体界面,建立了高体积分数固体推进剂三维细观结构模型。该细观几何模型将固体氧化剂(AP)颗粒与羟基封端的聚丁二烯(HTPB)粘合剂基体的连接界面处设定为内聚力单元,基于双线性损伤内聚力模型,考虑粘合剂基体与时间相关的粘弹特性,开展了不同应变率下固体推进剂的颗粒/基体界面脱湿数值模拟。提取内聚力界面单元高斯积分点的几何体积和刚度衰减率SDEG数据,定义固体推进剂材料内部脱湿面积,对其细观损伤进行了定量表征。结果表明,该三维细观结构模型能有效表征固体推进剂的细观结构。在外界载荷作用下,颗粒/基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域,界面损伤导致颗粒承载能力下降,且应变率越高,推进剂内部越容易出现损伤。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

复合固体推进剂脱模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理。运用弹笥－粘弹性对应笥原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型，利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程，并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式。计算结果表明，颗粒的体积分数、粒径和加载速率对脱湿时间有显著的影响。     

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。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

复合固体推进剂脱湿模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理.运用弹性-粘弹性对应性原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型 ,利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程,并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式.计算结果表明,颗粒的体积分数、粒径和加载速率对脱湿时间有显著的影响.     

考虑泊松比的固体发动机装药贮存寿命预估

以含单个小孔隙的立方体为代表性体积单元,结合弹性力学公式,推导了固体推进剂空穴率与瞬时泊松比的关系,得到泊松比随推进剂老化的变化规律.通过固体推进剂加速老化试验,得到固体推进剂瞬时模量及最大延伸率随贮存时间的变化规律.以固体推进剂瞬时模量和瞬时泊松比为老化参数,结合三维粘弹性有限元计算方法,计算了某发动机装药结构不同贮...     

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。     

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。     

一种粒子增强体复合材料的线粘弹性模型

定量分析了粒子增强体复合材料的粘弹性力学性能。首先,依据复合材料的细观力学理论与Laplace变换理论,在Tan提出的粘弹性模型基础上,发展了一种改进的粒子增强体复合材料的三维线粘弹性模型,克服了Tan的模型只能刻画界面脱湿的缺点;其次,采用非线性有限元方法,实现了粒子增强体复合材料在常应变率下粘弹性本构关系的数值模拟。结果表明,该模型与程序可用于定量化分析多种情况下粘弹性问题的应力-应变关系,如不同粒径、温度、常应变率及粒子体积分数等参数,并得出粒径大的固体颗粒与粒子体积分数高的复合材料都容易发生界面脱湿。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

复合固体推进剂长贮中HTPB胶微结构损伤研究

为研究HTPB复合固体推进剂老化过程中微结构损伤机理,设计了HTPB/TDI、AP+HTPB/TDI、RDX+HTPB/TDI、Al+HTPB/TDI及HTPB复合固体推进剂5个体系,表征在75℃、92 d的热加速老化过程中各复合体系及线性HTPB微结构变化规律。结果显示,在密闭热加速老化过程中,线性HTPB分子间不饱和的CC键相互交联,生成了高分子网络结构,是线性HTPB及各复合体系在老化过程中数均分子量及交联密度增大的原因之一;AP、RDX、Al粉等组分间相互作用加速了HTPB复合固体推进剂的热老化过程,且电镜未观察到组分与粘合剂产生"脱湿"现象。     

高填充复合推进剂的初始粘弹性泊松比

本文从粘弹性力学和复合材料力学理论说明，高填充复合固体推进剂的初始粘弹性泊松比可能小于０．４，并讨论了粘弹性泊松比的测试方法，利用一种新方法得出了相应的实验数据。     

准静态拉伸下固体推进剂三维结构变形损伤失效机理研究

为揭示固体推进剂在准静态拉伸下变形损伤过程，依靠微型材料试验机在上海同步辐射光源BL13W1线站搭建了原位显微CT测试系统，对HTPB推进剂试样在准静态拉伸下变形损伤过程进行了三维原位实时表征，像素尺寸3.74μm。基于上述试验结果，分析了目标微细观结构演化过程及孔隙率与材料宏观损伤之间的关系。结果表明，固体推进剂内部微裂纹的出现早于应力-应变曲线达到拉伸极限强度点。利用图像分割技术精确提取了AP颗粒、Al粉颗粒、微裂纹与HTPB基体相，并对AP颗粒与Al粉颗粒的三维拓扑结构进行了定量描述。微裂纹的成核集中在较大且形貌不规则的AP颗粒与HTPB基体界面。最后，观察到裂纹在固体推进剂内部的水平传播和竖直合并两种传播模式，并以水平传播为主导。     

固体推进剂药柱在内压载荷下的应力应变分析

采用有限元法，对含人工脱粘层的某固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析，研究了在工作内压戴荷下人工脱粘层和材料泊松比对药柱应力应变的影响。分析结果表明，增加人工脱粘层面积可导致药柱头部应力增大。增加泊松比也会加大药柱应力。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究

依据最小自由能原理，采用固体推进剂能量特性计算程序计算了标准条件下含铝锂(Al-Li)合金丁羟(HTPB)推进剂的能量性能，研究了不同Li含量的Al-Li合金粉对HTPB推进剂比冲、密度、密度比冲及特征速度的影响；并采用爆热、爆热残渣粒度分布以及活性铝含量验证了Al-2.5Li(Li质量含量为2.5%)合金粉对HTPB推进剂能量特性的影响。理论计算结果表明，采用纯Li取代Al粉，HTPB推进剂的标准理论比冲最大可增加58.11 N·s/kg;当以Al-Li合金的形式取代Al粉时，不同Li含量的Al-Li合金对HTPB推进剂配方的能量性能参数影响不同，标准理论比冲以及特征速度呈现增加的趋势，密度以及密度比冲呈现降低的趋势；当以Al-20Li合金替代Al粉时，HTPB推进剂配方的标准理论比冲最大可提高39.10 N·s/kg。爆热试验结果表明，含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂的爆热略高于Al粉配方，燃烧残渣粒度d₄₃低于对照配方；含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂燃烧残渣活性铝含量低于对照配方。     

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。