单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。     

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚（NEPE）固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征，基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术，对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征，获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征，提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明：同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征，可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现，NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种，一种为颗粒内的孔洞，一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙：在拉伸载荷较小时，推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙；在拉伸载荷较大时，除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿，大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合，最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明，孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加，而球度变化与初始缺陷相关，有初始缺陷时，球度呈现单调减...     

振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能影响

为了研究振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能的影响,通过60℃和70℃温度下HTPB推进剂10%定应变振动试验,采用单向拉伸法和扫描电镜观测法,对定应变HTPB推进剂在振动载荷作用下的宏观力学性能变化规律和细观损伤模式进行了研究。结果表明:定应变状态下振动载荷的作用使HTPB推进剂的抗拉强度减小(最大值超过5%),最大延伸率增大(最大值超过15%);老化初期振动载荷对高氯酸铵(AP)颗粒脱湿发展影响较小,当定应变状态下推进剂中的AP颗粒脱湿到一定程度时,振动载荷的作用会促进AP颗粒脱湿,降低固体颗粒的模量增强作用。     

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

为确定复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤,对复合固体推进剂的细观损伤过程进行数值仿真计算。将数值仿真得到的应力-应变曲线与试验曲线进行对比,建立颗粒脱湿损伤参数的优化目标函数,通过分步迭代计算,对颗粒脱湿损伤参数进行反演识别。结果表明:根据反演参数计算复合固体推进剂细观损伤过程,颗粒夹杂模型表现出的宏观应力-应变关系与试验结果吻合良好,说明双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

防老剂 H 对 IPDI 丁羟推进剂低温伸长率的影响

研究了防老剂Ｈ对ＩＰＤＩ丁羟推进剂（中燃速和高燃速的ＨＴＰＢ／ＡＰ／Ａｌ推进剂,ＨＴＰＢ／ＡＰ／ＨＭＸ／Ａｌ推进剂）低温力学性能的影响,在常温强度相同的条件下,随着防老剂Ｈ的加入和用量的增加,ＩＰＤＩ推进剂的低温强度升高和低温伸长率显著降低,这种现象是由于防老剂的加入和用量的增加使粘合剂相中硬段微区型物理交联贡献增大,导致推进剂的拉伸脱湿造成的。     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

基于表面粘结损伤的复合固体推进剂细观损伤数值模拟

为更准确地模拟固体推进剂的细观损伤,研究复合固体推进剂的非线性力学性能,采用分子动力学方法对高填充比复合固体推进剂细观模型进行建模,验证了Surface-based cohesive方法的可行性,并替代经典粘结单元模拟了复合固体推进剂细观颗粒与基体之间界面损伤的产生和聚合.通过对比固体推进剂细观模型的计算结果,研究了复合固体推进剂颗粒粒径、位置的随机分布对固体推进剂细观损伤及宏观力学性能的影响.结果表明,采用Surface-based cohesive方法对固体推进剂细观模型较易进行有限元前处理,易收敛,计算结果比较合理.     

考虑细观脱湿损伤的NEPE推进剂粘弹性本构模型研究

为了描述NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)复合固体推进剂的非线性粘弹性力学行为,基于粘弹性脱湿准则及所建立的粘弹性时间-损伤等效原理,将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至线性粘弹性本构关系中,从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE复合固体推进剂非线性粘弹性本构模型。通过定制配方NEPE材料在不同温度(-50, -35, -20, 0, 20, 35及50°C)、不同应变水平(5%, 10%, 15%, 20%, 25%以及30%)的应力松弛试验及单轴拉伸试验,结合反演技术,获取了本构模型参数。最后利用Matlab软件平台实现了本构模型对于NEPE单轴拉伸力学行为的数值预测,数值计算结果与试验曲线较为吻合,预测数值与试验值差值在15%以内,说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内(3.333×10-4～0.1s-1)的粘弹性力学行为,为预测具有复杂细观结构的复合固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。     

HTPB推进剂热力耦合老化力学性能研究

为了研究预应变对复合固体推进剂老化性能的影响,针对HTPB复合固体推进剂开展了70℃热力耦合加速老化试验,通过单轴拉伸力学性能测试及拉伸断面扫描电镜试验研究了不同预应变作用下HTPB推进剂的老化性能。结果表明:在试验预应变范围内(≤15%),无论预应变水平多大,随老化时间的延长,粘合剂基体的氧化交联反应是HTPB推进剂的主要老化机理;在相同老化时间,预应变对HTPB推进剂力学性能的影响存在一个损伤阈值,当预应变超过该阈值时,拉伸断面中AP颗粒/粘合剂基体界面“脱湿”及粘合剂基体撕裂损伤现象明显。