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。     

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。     

三元乙丙材料粘超弹本构模型研究

利用等速拉伸和拉伸-回复实验研究三元乙丙（EPDM）包覆层材料的力学特性,提出采用有限变形条件下的超弹本构模型及线粘弹性本构理论相结合的方法建立一种粘超弹本构模型,在此基础上进一步研究模型参数的获取方法。研究结果表明：该材料具有典型的超弹性力学行为特征,并呈现出明显的率相关效应;所建立的粘超弹本构模型能够较好地描述该材料的单轴力学行为,在一定程度上可对使用该包覆层材料的固体火箭发动机的结构完整性分析提供理论参考。     

NEPE推进剂应力分布的数值模拟及损伤破坏趋势分析

根据NEPE推进剂的组成及结构特点,采用ANSYS10.0有限元计算软件,建立了NEPE推进剂轴对称有限元计算模型.对NEPE推进剂在单轴拉伸作用下损伤破坏趋势进行了模拟.通过对应力集中因子α和脱粘角θ的比较,讨论了固含量、键合剂加入量、氧化剂组成及氧化剂粒度等推进剂的组成与结构条件的变化对其在单轴拉伸作用下损伤破坏趋势的影响.结果表明,采用所建立的NEPE推进剂轴对称有限元计算模型所模拟的力学性能规律与实验研究的趋势符合得很好.     

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。     

固体火箭推进剂过保温后力学性能试验研究

为了研究固体火箭推进剂过保温后的力学性能,在保温温度为50 ℃的条件下,对NEPE推进剂哑铃型试件进行了3个不同拉伸速率下10组保温时间下的拉伸试验。试验结果表明,与未保温的NEPE推进剂试件相比,保温之后NEPE推进剂的强度有一定的提高,延伸率出现明显的下降; NEPE推进剂试件的保温时间越长,抗拉强度越大; 在保温时间相同的情况下,保温次数越多,抗拉强度越大; 保温时间和保温次数对NEPE推进剂的延伸率没有影响。     

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。     

NEPE推进剂拉伸破坏过程实验研究

为研究NEPE推进剂在拉伸载荷作用下的破坏情况,利用扫描电镜对其在拉伸载荷作用下的细观形貌变化进行了原位观察.结果表明: NEPE推进剂在静态拉伸应力作用下首先在大填充颗粒处出现界面脱粘,形成微裂纹,同时粘合剂被拉成丝状.然后微裂纹沿着附近的大填充颗粒处进行扩展,形成宏观裂纹,同时伴随着粘合剂的断裂,并最终导致NEPE推进剂出现整体断裂.本文进一步利用有限元方法对不同大小填充颗粒在拉伸作用下的受力情况进行了分析,结果表明在相同应变下,大颗粒粘结界面处的应力明显大于小颗粒粘结界面处的应力.因此,认为NEPE推进剂在静态拉伸过程中的主要破坏模式为大填充颗粒处的粘结界面破坏.     

HTPB推进剂/衬层粘接试件变形破坏过程试验与数值模拟

为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。     

HTPB推进剂粘聚区本构模型反演识别研究

端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在拉伸过程中裂尖存在一个明显的非线性粘聚区,粘聚区本构模型的精度影响着推进剂装药裂纹起裂和扩展过程的数值仿真结果。为了准确地获得HTPB推进剂的粘聚区本构模型,建立了基于实验的反演识别方法,该方法通过实验获取粘聚区断裂能和断裂强度参数,使用有限元模型更新方法得到粘聚区本构曲线形式参数。将获得的本构模型应用于裂纹起裂和扩展过程仿真,研究结果表明所建立的粘聚区本构参数获取方法简单可行;所获得的粘聚区本构参数可以准确地模拟出HTPB推进剂裂纹起裂和扩展过程。     

固体推进剂的慢速烤燃行为与热分解特性的关系研究

利用同步差示扫描-热重联用仪（DSC-TG），扫描电镜（SEM）和慢速烤燃试验，对比分析了NEPE推进剂和HTPB推进剂的热分解特性与慢速烤燃行为的关系。结果表明：高氯酸铵（AP）温热分解过程形成的多孔性形貌是导致HTPB推进剂慢速烤燃响应剧烈的主要因素；由于硝酸酯在较低温度下放出热量，使得NEPE推进剂在AP、HMX分解反应前点火，其慢速烤燃响应较为温和。     

NEPE推进剂易碎性研究

为了研究NEPE推进剂的易碎性,利用撞击破碎模拟试验装置将NEPE推进剂以不同速度撞靶,将撞靶后不同损伤程度的NEPE推进剂进行密闭爆发器试验,分析NEPE推进剂在不同破碎程度条件下的燃烧特性。结果表明,NEPE推进剂的最大压力随时间变化率、燃速伴随着破碎程度的增加而增加,当撞击速度大于192 m.s-1时可能发生燃烧转爆轰。     

基于内聚力法则的高能硝酸酯增塑聚醚推进剂开裂过程细观模型

为从细观角度研究高能硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂的破坏机理,采用分子动力学算法生成细观颗粒填充模型,利用Python脚本语言在颗粒与基体界面及基体内部嵌入零厚度粘结单元。针对NEPE推进剂延展性失效特点,基于多项式内聚力法则建立一种多项式-梯形内聚力法则,并进行子程序VUMAT开发。对比考虑颗粒与基体界面脱湿及基体失效的数值模拟结果发现,NEPE推进剂颗粒与基体界面脱湿引起基体内部形成孔洞,孔洞周围形成的高应力区是导致推进剂开裂的关键。实验验证得知,多项式-梯形内聚力法则较双线性内聚力法则和多项式内聚力法则能更准确地描述推进剂的失效过程。     

几种典型固体推进剂的危险性能实验研究

为进行固体推进剂的危险性能(感度特性)研究,对NEPE推进剂、粒铸CMDB推进剂、螺压CMDB推进剂三种典型的固体推进剂分别进行了雷管感度实验、冲击波感度实验(隔板实验)和燃烧转爆轰实验。结果显示:NEPE推进剂对雷管引爆较敏感;三种推进剂对冲击波刺激较敏感;颗粒状的粒铸CMDB、螺压CMDB推进剂和内部有孔洞的NEPE推进剂在燃烧转爆轰实验中发生爆轰。实验表明,推进剂的危险性能(感度)与推进剂的组成(有无敏感物质)、装药形态(颗粒或药柱)及外界约束条件(强或弱)有密切关系。实验证实,固体推进剂在一定条件下也能发生燃烧转爆轰。     

含CL-20的NEPE推进剂高压热分解特征量与燃速的关联

用高压差示扫描量热仪(PDSC)对常压(0.1MPa)及高压条件(2,4,6,8MPa)下含CL-20的NEPE推进剂的热分解特性进行研究,指出催化剂能够引起推进剂分解峰温和放热量的变化,且这种变化因压力的不同而不同.将燃速与热分解速率和压力的平方根用一线性方程相关联,得到了含CL-20的NEPE推进剂以热分解特征量表征的燃速关系式,并获得了燃速与PDSC特征量相关因子(kr),kr可以反映出催化剂对推进剂燃速的调节作用.     

XLDB与NEPE推进剂催化燃烧性能的研究

制备了几种含燃烧催化剂的XLDB和NEPE推进剂,利用静态靶线法测试了其燃速。结果表明,对XLDB推进剂,一元水杨酸铅与一元水杨酸铜复配,二者比例为1.5∶0.5时,可使XLDB推进剂压力指数降低27.1%;其它铅、铜盐复配,只增加XLDB推进剂的燃速,对降低其压力指数效果不大;一元水杨酸铅与钼酸镍或氧化钍复配,燃速和压力指数高于和一元水杨铜复配;钼酸镍与其它燃速催化剂复配,不能降低压力指数,但燃速略有提高。对NEPE推进剂,碳酸铅的用量增加,有利于压力指数的降低;多组元燃烧催化剂对NEPE推进剂燃速和压力指数有一定影响,但和双组元的相比,并无大的差异。