固体发动机药柱低温点火开裂失效的跨尺度分析

为了准确预测推进剂装药在低温点火过程中是否发生开裂,提出了一种全局-局部单向收缩耦合的跨尺度分析方法。针对高能硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂,开展低温中应变率单轴拉伸试验,获取了推进剂的典型失效模式。结果表明,基于发展的推进剂非线性粘弹性本构模型,实现了固体发动机药柱低温点火的宏观结构分析,获取了推进剂药柱结构危险点的位置;同时建立了考虑颗粒与基体界面脱湿和颗粒断裂的细观颗粒填充模型,进一步将宏观结构分析结果作用于相应的细观代表性体积单元（RVE）上。最后,建立推进剂细观失效准则,表明在低温点火条件下药柱结构完整性满足要求。收缩跨尺度分析方法可作为预测药柱在低温点火过程中开裂行为的有效手段。     

考虑细观损伤的推进剂粘弹性多尺度本构模型研究

为了深入研究固体推进剂细观损伤行为及对其宏观力学性能的影响,在223~333 K温度下对硝酸酯增塑聚醚推进剂（NEPE）推进剂开展了单轴拉伸和应力松弛试验,获得了相应的应力应变曲线及松弛模量主曲线。在有限变形下开发了考虑细观损伤的非线性粘弹性本构模型,该模型通过将微空洞演化与温度、应变率、围压及循环加载损伤等因素关联实现对推进剂力学性能的多尺度分析。通过有限元软件ABAQUS对模型进行了二次开发,并基于试验数据确定了模型参数,之后将模型应用于预测推进剂在不同加载下的力学响应。结果表明,该模型能够准确预测推进剂在宽温（223~333 K）和加载速率（1~200 mm·min^-1）下的单轴拉伸响应,并且适用于循环加载、围压试验和双轴加载试验,验证了该模型在复杂应力状态下的有效性。该模型所需参数较少且易于嵌入商用软件,可为发动机推装药结构完整性的多尺度分析提供一定的理论指导。     

复合固体推进剂界面多尺度数值模拟研究进展

固体推进剂界面作为固体发动机结构中力学性质相对薄弱的部分之一,明确其物化性质、损伤演化模式以及脱湿对推进剂结构完整性的影响是极其重要的研究内容。与实验相比,利用数值模拟能够快速、高效地研究各种界面体系下的不同物化性质,具有较好的应用前景。从微观尺度分子动力学、细观尺度有限元数值仿真与宏观数值模拟角度出发,综述了复合固体推进剂多种界面力学性质的研究进展,探讨了多尺度下复合固体推进剂界面数值模拟对固体推进剂工程设计的推动作用与目前存在的不足,并展望了未来的发展方向。     

固化降温过程中固体火箭发动机药柱温度场应力场分析

固化降温过程是固体火箭发动机装药制造过程中的一个重要环节,固化降温过程中各界面热应力的产生将直接影响装药性能,为此建立了装药数学模型和物理模型。基于粘弹性积分型本构关系,应用有限元分析软件,数值模拟固体火箭发动机装药的固化降温过程,得到固体推进剂在固化降温过程中应力、应变的变化规律。仿真结果对分析装药固化降温过程中的结构完整性有很好的参考价值。     

固体推进剂力学性能和本构模型的研究进展

从力学性能的实验测试方法、力学性能参数的确定以及本构模型的构建三个方面,对固体推进剂力学性能和本构模型的研究进展进行了综述,并在此基础上提出了当前研究中存在的不足和需要进一步重点开展的研究。分析表明:动态加载条件下和多轴应力状态下固体推进剂力学性能的实验测试方法是目前研究中的难点,针对该问题可以借鉴其它应变率敏感性材料的测试方法;固体推进剂力学性能参数的确定方面缺乏针对不同应力状态下力学性能参数相互之间关系的讨论和分析,亟待通过借鉴其它非金属材料的研究方法 /手段和基本结论来解决这一问题;固体推进剂的本构模型研究与实际需求还存在较大的差距,特别是动态加载条件下的大变形非线性粘弹性本构,而基于宏观方法构建含损伤积分型非线性粘弹性本构模型的思想在解决该问题上具有较大的优势,可以成为今后研究的重点,但损伤函数的推导和求解是难点,需要研究者根据动态加载条件下固体推进剂的变形进行合理的分析。     

复合固体推进剂损伤行为的多尺度研究进展

从微观、细观、宏观尺度和跨尺度4个方面,对复合固体推进剂损伤行为的研究进展进行了梳理,重点综述了不同尺度下损伤的观测和表征方法、损伤阈值的确定方法、损伤演化模型的构建方法、损伤数值模拟方法及宏细观跨尺度分析方法,并在此基础上针对当前研究中存在的若干不足,展望了需进一步重点开展研究的方向：拓宽微观尺度上开展复合固体推进剂损伤行为数值模拟时考虑的影响因素的范围,并从多个方面加强与试验研究结论的验证;提高细观尺度上损伤观测试验的能力、损伤演化模型的表征水平和损伤数值模拟的计算精度;提高宏观尺度上损伤识别测试试验的检测精度、损伤阈值确定方法的精确性和损伤演化模型的预测能力;在形成微细宏观单一尺度上复合固体推进剂损伤行为研究的标准规范的基础上,进一步建立推进剂损伤行为跨尺度研究的理论方法体系。     

基于能量守恒的HTPB推进剂非线性本构关系

为描述HTPB推进剂中增强粒子的脱湿引起本构关系非线性响应行为,建立了由粒子、空泡与基体组成的三相物理模型,给出了在单向拉伸载荷作用下确定本构关系的算法。依据热力学能量守恒定律,确定了临界脱湿应变方程。利用细观力学Mori-Tanaka方法,确定了临界应变方程需要的宏观有效模量。针对增强粒子满足对数正态分布的HTPB推进剂进行了数值模拟。结果表明,HT PB本构关系由两个阶段组成,初始的线弹性阶段与开始发生脱湿后的非线性阶段。体积膨胀应变随空泡体积分数的增大而增大,而宏观有效模量随空泡体积分数的增大而减小。针对一般复合固体推进剂,该本构关系的形式较为简单,适合应用于工程中。     

HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究

针对载荷作用下影响复合推进剂力学特性的脱湿问题,采用等速拉伸和CCD显微分析的试验方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程。建立了粘弹性本构模型,利用细观力学及界面力学的理论,分析试验测得的宏观力学性能发生发展的内在细观原因。结果表明:颗粒/基体的界面脱湿是宏观应力应变曲线非线性的重要原因,也直接导致材料泊松比的下降;界面脱湿的损伤程度由应变值决定,并与应变率具有一定的相关性,泊松比也是定量表征脱湿的重要参数。     

HTPB/IPDI复合固体推进剂细观界面率相关参数的反演识别研究

为研究HTPB/IPDI(hydroxyl-terminated polybutadiene/isophorone diisocyanate)复合固体推进剂细观界面性能随加载速率的变化规律,基于分子动力学算法生成了HTPB/IPDI复合固体推进剂的细观颗粒填充模型。颗粒与基体间粘接作用通过结合粘弹性标准机械单元及指数型率无关内聚本构所构建出的率相关内聚力模型模拟。通过HTPB/IPDI基体胶片的应力松弛试验得到细观模型中基体材料的松弛参数。基于模型对HTPB/IPDI推进剂在不同加载速率下(0.1,5,20 mm·min~(-1))的宏观力学响应进行仿真计算。利用数值仿真结果与HTPB/IPDI推进剂单轴拉伸试验结果曲线,通过Hooke-Jeeves优化算法对率相关内聚力模型参数进行反演分析,得到了优化后的界面参数数值。利用所建立的模型对50,100 mm·min~(-1)加载速率下的HTPB/IPDI复合固体推进剂材料的宏观力学行为进行预测。结果显示,预测结果与实际试验结果较为一致。     

固体推进剂黏弹性参数的确定及细观损伤演化

固体推进剂力学模型参数的准确性对其宏观力学响应预测具有重要的意义,为解耦标定固体推进剂非线性黏弹性模型参数,提出一种基于台阶应力松弛试验的模型参数确定方法。通过台阶应力松弛平衡响应确定固体推进剂弹性部分参数,通过小变形下的应力松弛确定无量纲松弛模量,分析一种固体推进剂力学响应。研究结果表明：固体推进剂在台阶应力松弛及单轴拉伸条件下的力学性能预测结果与试验结果吻合,验证了所提方法的有效性;由于平衡响应包含损伤,采用该方法标定的参数可用于预测含损伤固体推进剂力学响应。在此基础上,提出一种基于推进剂模型参数标定等效黏合剂力学参数的方法,并通过引入基于黏弹性脱湿准则的相界面模型建立代表性体积单元计算模型,实现在宽应变(～100%)范围内推进剂脱湿损伤分析,为推进剂宏观力学性能预测及细观损伤演化分析提供了支撑。     

固体发动机中应力释放罩的结构功能

采用粘弹性不可压增量有限元法,研究了应力释放罩对固体发动机的结构完整性和内弹道性能的影响。结果表明,应力释放罩虽然在降推进剂内孔中段表面的应变强度方面作用有限,但是能够显著降低包覆层/推进剂界面的应力水平而利于保持发动机的结构完整性,同时也能够减缓推进剂端部的冲击变形而利于稳定发动机的内弹道性能。     

双基固体推进剂药柱本构关系的实验研究

为研究某双基固体推进剂药柱的本构关系,对固体推进剂试件进行了不同温度、不同应力水平条件下的单轴拉伸实验,分析了其力学行为的非线性特性,得到了与应力水平相关的蠕变本构关系和与应变率相关的单向拉伸本构关系.结果表明,固体推进剂药柱力学性能与时间、温度、应力强烈相关.所得到的双基固体推进荆的蠕变本构关系及单向拉伸本构关系与实验结果比较吻合.     

基于加速老化与三维粘弹性有限元分析的固体导弹发动机寿命预估

为了预估固体导弹发动机的贮存寿命,通过推进剂加速老化试验,得到该推进剂延伸率随贮存时间的变化规律;应用三维粘弹性有限元分析方法,对发动机贮存一定时间后直接点火发射过程进行数值仿真,从中得到药柱在点火增压和轴向过载联合作用下最大Von Mises应变随贮存时间的变化规律;将推进剂的延伸率与推进剂药柱最大Von Mises应变进行对比,利用结构完整性评估准则,得到发动机的贮存寿命。该方法可为固体导弹发动机的设计和使用提供参考。     

海洋温度条件下的固体推进剂应力应变分析

建立以固体发动机壳体、药柱及绝热层等为主要部件的计算模型,基于三维热粘弹性积分型本构关系,考虑不同海域贮存条件的交变温度载荷情况,利用有限元方法计算了固体发动机药柱在海洋交变温度载荷下的力学响应,给出了药柱内应力应变场的分布规律及危险部位。结果表明,在未有效热保护的贮存状态下的药柱,长期的交变温度产生的交变应力载荷,使药柱微观结构受到不同程度的疲劳损伤,势必影响其结构完整性。     

基于变形热的NEPE推进剂本构模型

针对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂在冲击载荷下的变形生热现象,基于热传导理论,拟合得到了冲击载荷下的温升函数。基于固体推进剂力学特性所具有的温度相关性,将温升函数添加到黏-超弹本构模型中,由此提出了一种考虑变形生热的黏-超弹本构模型,利用NEPE推进剂的SHPB实验数据进行了参数的获取和模型验证。结果表明:该模型可以很好地预测固体推进剂在高应变率下的力学曲线; 在研究聚合物冲击载荷条件下本构模型时应考虑冲击生热对聚合物造成的软化影响。     

某发动机药柱极端温度发射结构完整性分析

为了对某型大长径比固体火箭发动机在极端温度发射时的结构完整性进行分析,采用三维热粘弹性有限元方法,计算得到了推进剂药柱在内压、轴向过载和极端温度载荷(-40℃和+50℃)联合作用下的位移、应变和应力分布规律。研究结果表明,推进剂药柱在高温和低温发射时位移最大值分别为9.3 mm和16.4 mm,Von Mises应变最大值分别为14.6%和23.5%,依据Von Mises应变准则,安全系数分别为2.74和2.46,满足结构完整性要求。     

单轴拉伸下NEPE固体推进剂细观结构演化行为研究

为了分析硝酸酯增塑聚醚（Nitrate Ester Plasticized Polyether, NEPE）推进剂在单轴准静态拉伸载荷下细观结构演化行为,基于Micro-CT对拉伸过程中NEPE推进剂开展了原位观测试验,对NEPE推进剂中高氯酸铵（AP）颗粒和初始缺陷的尺寸、形状等细观结构特征进行了表征,获取了单轴拉伸过程中推进剂细观结构的失效过程,并采用孔隙率对NEPE推进剂细观损伤的变化规律进行了定量分析,基于NEPE推进剂细观尺度上结构的演变规律解释了宏观力学性能变化的原因。结果表明,NEPE推进剂初始缺陷尺寸小、体积占比低,平均值为0.12%。单轴准静态拉伸过程中,NEPE推进剂的细观失效过程主要包括孔洞形核、生长与汇聚3个阶段;AP颗粒的体积分数虽然低,但是由于容易脱湿通常成为细观损伤的起点;当AP发生一定程度脱湿后,奥克托今（HMX）也会出现明显的脱湿,在分析NEPE推进剂细观失效问题时应当考虑HMX脱湿行为的影响。大量细观缺陷的形核与生长是NEPE推进剂宏观力学性能进入非线性段的原因,而细观缺陷的不断汇聚使得宏观应力增加落后于应变增加的现象越来越明显。加载过程中孔隙率呈现出先缓慢增加再急剧增加最后增加趋于平缓的变化趋势,孔隙率的变化规律不仅能够定量地反映NEPE推进剂细观缺陷的演化阶段,与NEPE推进剂宏观力学性能的变化也具有一定的对应关系。     

丁羟包覆层力学特性及本构模型研究

包履层是固体火箭发动机装药的重要组成部分,其力学行为影响着装药结构的完整性。为研究丁羟橡胶包覆层的拉伸力学性能,采用单轴拉伸实验方法拟合获取了Neo-Hookean、Yeoh、Mooney-Rivlin及Ogden超弹性本构模型的本构参数,对比分析了各模型对丁羟橡胶包覆层的适用性和精度。结果表明:丁羟橡胶包覆层具有显著的超弹特性,Neo-Hookean模型难以预示有限变形下丁羟包覆层的非线性特性,Yeoh模型可反映较大应变时的力学行为,而Mooney-Rivlin和Ogden模型可准确描述丁羟包覆层的力学特性,可应用于药柱/包覆层结构完整性的分析。     

固体火箭发动机撞击临界速度及影响因素分析计算

以机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型为基础，结合热粘弹理论和动力有限元法，分析计算发动机结构撞击变形及装药内部热点形成，确定产生高温热点撞击临界速度。分析计算了小型试验发动机撞击临界速度，研究讨论了推进剂力学及理化特性变化对撞击临界速度的影响。     

高填充细观模型不确定性及其表征

颗粒填充细观模型的不确定性及其对宏观等效性能的影响是国内外研究的重点问题之一。文中以填充分数较高的固体推进剂为应用背景,基于随机样本的二重性研究了颗粒数目的随机性和填充分数的约束不完整性;针对颗粒数目一定、空间分布不确定,提出了子域形心表征方法。在Matlab平台下集成Abaqus/Python二次开发技术,构建了固体推进剂细观模型不确定性影响分析的平台。结合某试验配方的算例表明,1)在填充分数和颗粒尺寸、数目均一定的条件下,颗粒空间分布的随机性导致初始模量呈正态分布;2)子域形心结合图像表示可直观、有效表征颗粒的空间分布特征。