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。     

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。     

双基发射药黏弹特性与本构模型研究

为研究双基发射药的黏弹性和力学响应特点，对双基发射药开展了黏弹特性与本构方程研究。通过拉伸、压缩、断面观察和应力松弛实验研究，明确了双基发射药的黏弹性质；然后以Reduced Polynomial （N=5）模型和Prony级数建立了双基发射药的超弹-黏弹模型，利用实验数据获取了模型参数；最后对所建立的双基发射药超弹-黏弹模型进行了验证。结果表明，双基发射药超弹本构模型对单轴拉伸应力应变的仿真结果与实验结果之间的误差不高于5.01%，超弹-黏弹本构模型对应力松弛的仿真结果与实验结果之间的误差不超过6.49%，说明建立的双基发射药超弹-黏弹本构模型能够较好地描述双基发射药的力学特性，能够为发射药力学性能研究提供重要的研究方法和仿真手段。     

多管火箭武器箱式复合材料定向器长期堆码贮存吸湿-蠕变耦合行为预测

为研究多管火箭武器箱式复合材料定向器长期堆码贮存吸湿-蠕变耦合行为,在Scha-pery非线性模型中引入湿移位因子,推导考虑吸湿效应的三维正交各向异性非线性蠕变本构模型.制备E-玻璃纤维/6509环氧树脂复合材料层压板,开展吸湿试验、静态力学性能试验和短期蠕变-回复试验,获得复合材料吸湿特性参数和吸湿率、应力相关非线性...     

考虑初始缺陷的HTPB推进剂粘超弹本构模型

为研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂存在初始缺陷对其宏观力学性能的影响,对定制的不同界面缺陷含量的HTPB推进剂开展了多步松弛和单轴拉伸试验。获得了HTPB推进剂的平衡响应曲线和拉伸曲线。采用Ogden模型拟合了不含缺陷的HTPB推进剂的平衡响应曲线,引入应变率参数M来描述HTPB推进剂单轴拉伸曲线的率相关特性。通过该曲线拟合,得到了不含缺陷的HTPB推进剂的粘超弹本构模型参数。考虑了缺陷的影响,通过引入初始缺陷损伤因子f,构建了含初始界面缺陷的HTPB推进剂的粘超弹本构模型,分步拟合得到了所有模型参数。最后,用本研究所建模型预测了单轴拉伸载荷下的HTPB推进剂的宏观力学性能,结果表明,预测结果与试验结果一致,二者最大偏差仅为4.4%,验证了模型的可靠性。     

某型复合固体推进剂-40℃条件下准静态力学性能仿真

为了研究某型复合固体推进剂在低温（-40℃）时的准静态力学性能,采用有限元方法,对该复合固体推进剂低速单轴拉伸实验进行了简化和仿真。根据实验数据拟合朱王唐非线性黏弹性本构方程各未知参量,计算过程中采用修正Newton迭代法结合加速收敛技术来解决大变形问题。将仿真结果与实验结果进行对比后表明：二者吻合较好;通过数学方法修正朱王唐非线性黏弹性本构方程,可表征低温下复合固体推进剂的准静态力学性能,为进一步研究低温下复合固体推进剂的动态黏弹特性提供了依据。     

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

RDX基PBX的本构行为与应变历史、应变率效应（英）

高聚物粘结炸药(PBX)作为一种典型的颗粒填充弹性材料,其力学性能与应变率、应变历史密切相关.利用材料试验机获得了浇注PBX在准静态应变率范围内(10-4～10-2/s)的循环加载、卸载应力-应变曲线.用Dorfmann & Ogden模型分析了PBX的本构行为.结果表明,该PBX具有应变率效应,循环加载过程中存在应力软化和滞回现象,卸载过程中存在残余应变现象.材料损伤可用滞回环和残余应变的大小来表征,损伤程度主要受最大加载应变控制.在Dorfmann&Ogden模型中,只有剪切模量(μ)受加载速率影响.10-4,10-3,10-2/s下的μ值分别为43.94,56.92,71.93 MPa.该模型可以较好地描述材料的应力软化和残余应变行为.预测结果与试验数据吻合良好.     

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。     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

自由装填式药柱贮存过程中的变形分析

采用基于Total Lagrangian方法的三维粘弹性大变形增量本构关系,结合动态力学分析仪进行改性双基推进剂的性能测试,得到了自由装填式药柱贮存十年过程中的变形情况以及等效应力、应变值及分布。计算结果表明:经过长期贮存后,药柱产生的轴向下沉量约为0.16 mm,药柱外径增大约0.04 mm,内径几乎不变。包覆层与药柱之间的应力约为11.8 kPa,不会造成脱粘。此外,计算得出此类自由装填式药柱长期贮存中达到变形平衡的时间大约为半年,可根据贮存半年后药柱的变形量推算长期贮存后装药的变形情况。     

浇铸型高能CMDB推进剂的力学性能

研究了硝化棉种类和含量、高氯酸铵粒径,以及双基球和黑索今含量等对复合改性双基(CMDB)推进剂力学性能的影响。结果表明,随着含氮量12.0%的NC的降低,CMDB推进剂20℃和50℃下的拉伸强度和延伸率均显著降低。在CMDB推进剂中添加适量含氮量13.0%的NC和12.6%的NC均有助于提高推进剂拉伸强度;含氮量13.0%的NC不利于改善推进剂的延伸率;而含氮量12.6%的NC有助于提高推进剂的低温延伸率,但对推进剂高温延伸率影响不显著。在CMDB推进剂中添加适量的双基球对提高推进剂的拉伸强度和延伸率均有利。AP的粒径对CMDB推进剂力学性能影响显著,小粒径的AP有利于提高推进剂的拉伸强度,而大粒径的AP有利于改善推进剂的延伸率。随着RDX取代AP量的逐渐增大,CMDB推进剂在高温和常温下的拉伸强度先增大后减小,而延伸率先增减小后增大。     

DNTF在螺压高能硝胺改性双基推进剂中的应用

为探索3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)对改性双基推进剂(RDX/Al/CMDB)的影响,以DNTF逐渐取代螺压高能硝胺改性双基推进剂中的RDX进行验证试验。表征了引入DNTF后改性双基推进剂的工艺性能、力学性能、燃烧性能、安全性能以及能量特性。研究结果表明:DNTF的引入对推进剂加工工艺性能及化学安定性无不良影响; DNTF的引入不仅可以提高推进剂能量,对改善推进剂力学性能以及降低机械感度也是有益的。DNTF的引入可以适当提高推进剂燃速; 在引入的DNTF含量不超过10%时,燃速压力指数所受影响不明显。     

铝镁贫氧推进剂压缩力学性能及本构模型实验研究

为获得贫氧推进剂在压缩情况下的力学特性,运用单向压缩方法、显微镜及CCD图像传感器技术,研究了铝镁贫氧推进剂在常温下、不同压缩速率时的力学特性,得到其在压缩情况下的应力-应变关系、屈服应力和屈服应变与压缩速率之间的关系以及在压缩过程中推进剂表面形貌的变化.建立了贫氧推进剂压缩情况下的粘弹性本构模型.试验结果表明,贫氧推进剂在压缩情况下应力-应变关系分弹性段、应变软化段、塑性不稳定段和应变强化段;贫氧推进剂力学特性受压缩速率和温度耦合作用的影响,贫氧推进剂的破坏形貌没有明显的压缩速率效应;常温下,贫氧推进剂的屈服应力和屈服应变与压缩速率的自然对数呈线性函数关系;文中建立的粘弹性本构模型与不同应变率下的线粘弹性段试验结果符合较好.     

应变率和加载方式对HTPB推进剂力学性能及耗散特性的影响

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,利用单向拉伸法研究了应变率和加载方式对HTPB推进剂力学性能的影响,并基于耗散能方法分析了其在机械载荷作用下的耗散特性。结果表明,推进剂力学性能有明显的应变率相关性,抗拉强度、伸长率等与应变率的对数成线性增加关系;不同的应变控制也影响推进剂的力学性能;应变率和应变控制对推进剂试件的耗散能有较大的影响,耗散能与应变率的对数也成线性关系。     

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。     

温度对HTPB推进剂疲劳特性的影响

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂不同温度下的疲劳特性,进行了不同温度下恒应力控制的疲劳循环加载试验。以峰值应变作为损伤因子,基于损伤力学和粘弹性理论,建立了HTPB推进剂含温度效应的疲劳损伤三阶段演化模型。结果表明,随着温度的升高,材料的疲劳寿命缩短,疲劳断裂应变增大。疲劳过程中的峰值应变具有明显的三阶段演化规律:初始变形阶段、稳定发展阶段和加速阶段。建立的三阶段演化模型克服了两阶段模型不能考虑宏观裂纹扩展的缺点。拟合模型参数,运用线性回归的方式预测了213 K和333 K的理论结果,该结果和试验结果较为一致,因此,它可以很好地表征材料的损伤演化规律。     

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。     

SHPB实验加载方式对PBX炸药力学响应的影响研究

高聚物粘结剂炸药(PBX)炸药的损伤本构关系是炸药安全性研究的重要基础课题之一。研究PBX炸药的损伤本构关系需要建立在准确获取和认识PBX炸药的动态力学响应基础之上。为此,针对某PBX炸药的SHPB实验,详细探讨加载方式的细节设计对PBX炸药力学响应的影响。通过采用不同应变加速度、不同加载脉宽以及重复加载等方法,分析了不同加载条件对PBX炸药力学响应的影响,并获得了一系列不同加载脉宽、不同加载应变率的应力应变曲线。采用扫描电镜观察回收试样最终损伤形态,分析了PBX炸药动态单轴压缩下的损伤发展过程及其在应力应变关系上的表现。结果表明:应变加速度过大仍会对PBX炸药形成一定的冲击加载,造成额外损伤;经历动态单轴压缩后破坏的试样表现为晶体多次穿晶断裂甚至碎裂;典型PBX炸药的损伤本构关系可从微裂纹的产生、稳定扩展,穿越晶界失稳扩展来描述。