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。     

加速度载荷下推进剂力学行为研究进展

为探究加速度载荷条件下固体推进剂及装药的力学行为,首先分析了加速度载荷条件下固体推进剂装药力学响应呈材料非线性、几何非线性和边界条件非线性的特点,并从宽泛应变率力学性能试验、线性与非线性粘弹性本构模型、失效准则、结构力学响应、装药检测验证等五方面,对加速度载荷条件下固体推进剂动态力学行为进行了综述.结果表明,完善深化加...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

复合固体推进剂颗粒相互作用的增强效应分析

应用Ｅｓｈｅｌｂｙ－Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ的细观力学理论，考虑两种类型颗粒之间相互作用的影响，从颗粒与基体的本构关系出发，计入更多的微细观信息，从而建立了更加合理的复合固体推进剂线粘弹本构方程。     

基于细观模型的复合推进剂宏观松弛行为

采用随机算法生成了指定体积分数的复合固体推进剂细观分析模型。通过有限元方法及对细观场量的均匀化处理,对复合固体推进剂不同随机分布、颗粒尺寸分布及在不同应变水平下的力学响应进行了数值模拟,研究了颗粒分布随机性及颗粒大小对推进剂松弛性能的影响,并预测推进剂在宏观上的松弛行为。类比于时间温度等效原理,建立了复合推进剂时间-应变等效,并通过该原理将各应变水平松弛曲线沿时间轴平移,得到复合推进剂的预测松弛模量主曲线,预测结果与试验结果吻合较好。通过该方法生成的细观分析模型,可直观描述细观结构损伤对推进剂松弛力学性能的影响,并可在一定程度上预测不同配比方案复合推进剂的宏观松弛行为,对复合固体推进剂的配方设计及固体火箭发动机装药设计具有一定的指导意义。     

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。     

高低温对推进剂装药抗高过载能力影响研究

固体推进剂作为典型的粘弹性材料,其力学行为具有很强的温度依赖性,不同的发射初温下装药抗过载能力存在差异。基于50℃高温和-40℃低温条件下某改性双基(CMDB)推进剂宽应变率下的单轴压缩试验,从材料性能的率相关性角度确立了50℃和-40℃条件下CMDB推进剂的本构模型和强度判据。基于宽应变率的Prony本构模型,对某端燃柱型装药进行有限元分析,通过应力场和应变率场的耦合分析,分别确立了高低温条件下装药最大抗过载幅值。结果表明,该型装药在50℃高温条件下抗过载极限约为16 000g;在-40℃低温条件下的抗过载极限为14 000g。     

复合固体推进剂脱湿研究进展

复合固体推进剂的"脱湿"是影响固体发动机装药结构完整性的重要因素,其演化行为及失效机理的定量表征一直是国内外研究的重点与难点问题。从"脱湿"的观测及表征方法、理论模型及数值模拟三方面评述了复合固体推进剂"脱湿"的研究现状及进展,指出本领域未来的研究方向和研究重点。分析认为,在观测表征方面,加强高精度实时动态监检测技术手段的开发、解决好定量化表征问题仍是今后"脱湿"机理研究工作的重点;在理论模型方面,应充分考虑不同模式的损伤与失效因素,开展"脱湿"损伤与化学反应耦合理论与模型研究,以及推进剂的动态损伤本构关系研究,以促进"脱湿"表征技术的发展与破坏机制研究;在数值模拟方面,应综合考虑体积分数、颗粒尺寸、形状、排列、界面性能等细观因素,发展基于细观尺度的数值模型与计算方法,进一步提高计算精度与效率。     

功能梯度材料薄板的热气动弹性数值分析方法及特性研究

对高超声速环境中功能梯度薄板的热气动弹性问题的有限元数值分析方法和特性进行了研究。在考虑了沿板厚方向上非线性温度分布影响基础上,建立了更为精确的功能梯度薄板的热气弹耦合力学模型。采用Eckert参考温度法模拟气动加热效应,进而使用有限元方法求解热传导方程,得到薄板内部的热应力以及物性参数分布,并求解功能梯度材料薄板的控制方程,得到薄板在热应力-气动力-弹性力耦合下的振动特性。结果表明,所提出的基于有限元的数值分析方法能够有效处理该问题的复杂性,并且发现气动加热效应能够使薄板发生热屈曲或者提前进入振动状态,此外还发现当无量纲气动力位于某一“过渡区”内时,薄板行为对初值异常敏感。最后,建立的功能梯度薄板热气弹耦合模型以及相关数值求解方法,能够有效地研究高超声速环境中功能梯度材料薄板的振动行为,相关数值结果对功能梯度薄板的热气弹研究也具有借鉴意义。     

补燃发动机半系统试验装置静特性仿真

以液氧/煤油补燃发动机半系统试验装置为研究对象,建立了试验装置的静态模型,所建模型考虑了推进剂在输送过程中温升对调整计算的影响.推进剂的温升导致发生器实际温度比对应组元比下的热力计算温度要高,计算表明因推进剂温升导致发生器温度升高47.7K.文中采用牛顿法对所建立的试验装置静态模型进行了非线性数值求解,分析了试验装置的静特性.分析表明为了保证试验装置在低工况下参数协调匹配,应采用降低流量调节器流量、减小工艺喷管喉部面积两项措施来降低试验装置工况.     

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%。     

一个包括气相和亚表面反应的过氯酸铵复合推进剂的点火模型

本文提出了 Ap 基复合推进剂点火的一个综合模型及其数值解。这一分析模拟位于滞止区的推进剂试样在快速加压条件下的点火过程。本模型的特点包括:a)考虑了 Ap 基复合推进剂点火的详细的化学动力学资料;b)推进剂几何形状是二维(轴对称)的;c)考虑了气相中压力迅速增加对点燃过程的影响。使用隐式有限差分格式求解瞬态二阶联立、非齐次、非线性偏微分控制方程组。数值解揭示在点火阶段顺序发生的一系列重要事件,包括:点火器气体流入接近样品表面的区域;压缩波到达处未燃成份的燃烧;向推进剂传热;氧化剂和燃烧剂的高温分解;气相反应导致点燃。这个模型正确地预测了实验观察到的现象:随着增压速率提高,点火延迟时间缩短。采用文中考虑的不同点火准则都得到和试验一样的趋势。