Dynamic tensile behavior of AZ31B magnesium alloy at ultra-high strain rates

The samples having {0001} parallel to extruding direction(ED) present a typical true stress–true strain curve with concave-down shape under tension at low strain rate. Ultra-rapid tensile tests were conducted at room temperature on a textured AZ31 B magnesium alloy. The dynamic tensile behavior was investigated. The results show that at ultra-high strain rates of 1.93 · 102 s 1and 1.70 · 103 s 1, the alloy behaves with a linear stress–strain response in most strain range and exhibits a brittle fracture. In this case, {10-12} 10-11 extension twinning is basic deformation mode. The brittleness is due to the macroscopic viscosity at ultra-high strain rate, for which the external critical shear stress rapidly gets high to result in a cleavage fracture before large amounts of dislocations are activated. Because {10-12} tension twinning, {10-11} compressive twinning,basal a slip, prismatic a slip and pyramidal c + a slip have different critical shear stresses(CRSS), their contributions to the degree of deformation are very differential. In addition,Schmid factor plays an important role in the activity of various deformation modes and it is the key factor for the samples with different strain rates exhibit various mechanical behavior under dynamic tensile loading.     

一种稀薄两相流动的数值模拟方法

从描述粒子运动的微观层次出发,采用双向耦合技术,建立了一种适用于稀薄条件下两相流动的DSMC数值模拟方法。对相间相互作用进行解耦处理,实现了气固两相间动量和能量相互作用的模拟。相关算例验证了方法的可靠性。结果表明:在大样本统计平均条件下,该模拟方法能够保证相间动量和能量交换时守恒,固体颗粒尺寸、气体稀薄程度等条件对相间的相互作用有很大的影响。     

EPDM包覆层材料准静态压缩实验及力学模型研究

三元乙丙(Ethylene Propylene Diene Monomer,即EPDM)材料的力学性能对使用其作为包覆层的固体火箭发动机起到关键的作用。利用万能试验机进行EPDM包覆层材料常温下的准静态压缩实验,通过实验发现,EPDM包覆层材料具有明显的超弹特性和率敏感特性。提出采用超弹模型来描述材料压缩变形下的力学性能,通过比较Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Polynomial模型的拟合结果,发现二阶Polynomial超弹模型的精度最高,故选取Polynomial超弹模型作为EPDM包覆层材料的本构模型,并考虑其率相关特性,拟合超弹及率相关两部分的材料参数。对比实验结果,发现压缩模型能很好地预测40%应变内的EPDM材料的力学性能。     

级间通道构型对双脉冲发动机燃烧室局部受热的影响

为研究级间通道构型对双脉冲发动机一脉冲燃烧室气流再附着点的位置和对流换热系数的影响,本文采用基于格心的迎风型有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,空间离散采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用3阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,湍流模型采用适合模拟分离流动的改进SST湍流模型,并通过经验公式计算再附着点处的对流换热系数。结果表明:亚声速后台阶流动和固体火箭发动机燃烧室内流动的最大绝对误差分别为8.9%和5.8%;二脉冲工作的不同时刻,当二脉冲装药内孔直径大于级间通道直径时,级间孔直径每增大9.1%,气流再附着点位置平均减小28.2%,对流换热系数平均下降9.6%;其它条件相同时,级间孔宽度增加对气流再附着点位置和对流换热的影响比较小;级间孔角度变大使得气流再附着点的位置和对流换热系数分别平均下降3.4%和3.1%。     

率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型

采用实验与反演相结合的方法构建了端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层界面的率相关的内聚力模型.采用改进的单搭接试件完成了HTPB推进剂/衬层界面的断裂实验研究,采用内聚力单元方法对单搭接试件进行了数值研究,结合基于Hook-Jeeves优化算法的反演识别程序,获取了不同加载率下的界面断裂参数.由于界面断裂参数具有明显的率相关性,通过构建率相关的损伤函数,构建了基于双线性内聚力模型的率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型.模型预测结果和实验结果的对比相关系数大于99%,说明本文所建立的 率相关内聚力模型具有较高的准确性,能够准确描述加载率为5~200mm/min时推进剂/衬层界面的断裂性质.      

AP/Al/CMDB推进剂的断裂特性实验研究

开展了关于AP/Al/CMDB推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂实验研究,利用CCD光学显微镜实时监测了裂纹的起裂与扩展过程,并阐述了裂尖材料的损伤演化机理;结合电镜扫描(SEM)技术对推进剂的断面形貌进行了表征,分析了大粒径高氯酸铵(AP)的微观结构演化机理;采用积分法获得推进剂的断裂能。结果表明:推进剂在起裂与扩展过程中裂尖区域材料存在明显的损伤现象,AP颗粒的脱湿行为主导着微孔洞和微裂纹的萌生、成核、长大、合并过程,表征着推进剂的断裂机理,并控制着推进剂的非线性断裂特性;采用积分法获得推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂能为1.765±0.025N/mm。     

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明: I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。     

致密发散孔冷却环形折流甩油盘燃烧室设计研究

为了研究致密发散小孔冷却环形折流燃烧室的设计方法,根据火焰筒头部无冷却时的流场形态及期望引导的流场形态,对头部壁面发散小孔进行了两种对比性设计。为对比两种方案的优劣,对设计后的燃烧室进行了数值模拟。结果表明通过增加发散小孔,调节内外环射流孔的气量分配,可成功诱导出期望的多涡流场,且方案2的发散小孔冷却效果更佳。证明通过调整内外环发散小孔开孔数量来调节射流孔的射流穿透深度,并结合甩油盘油雾诱导理想的主燃区流场形成是可行的;采用孔倾角为钝角的发散小孔可更好地保护热负荷压力大的前几排火焰筒壁面;通过在高温区增大孔阵疏密度,把高温区处的发散小孔孔径由原先的0.68mm减小至0.3~0.55mm,可实现在不改变冷气流量的前提下,增强换热,降低壁面温度。     

旋流与炭黑对聚乙烯固体燃料冲压发动机工作性能的影响

为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。