基于单胞体模型的复合固体推进剂松弛模量衰减过程数值模拟

为研究复合固体推进剂松弛模量的衰减,依据复合固体推进剂组分建立单胞体模型。根据复合固体推进剂5%定应变下的松弛模量,利用有限元计算方法和均匀化理论对基体材料的松弛模量进行参数反演。在此基础上,研究了复合固体推进剂单胞体模型在不同定应变水平下的松弛模量,并计算了单胞体模型的拉伸过程。根据Boltzmann叠加原理及广义胡克定律计算了单胞体模型拉伸过程中松弛模量的变化。结果表明,复合固体推进剂松弛模量有明显的应变相关性,并且在拉伸过程中模量的衰减与载荷历程相关。     

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。     

膏体推进剂应力松弛谱分析

利用RS300 Haake流变仪测试了双基体系膏体推进剂的应力松弛特性，获得应力松弛模量随时间的关系。通过对实验数据的分析获得了膏体推进剂连续谱和离散谱，并对二者结果进行了分析，从松弛时间范围的角度得出离散谱求解方法在实际应用更有意义，通过分析松弛单元数目对松弛谱结果的影响，得出求离散谱时松弛单元一般取3～8个为宜。     

构建AP-HTPB固体推进剂松弛模量主曲线的不同方法（英）

分析了建立高氯酸铵-端羟基聚丁二烯(AP-HTPB)固体推进剂松弛模量主曲线的三种不同方法(Williams-Landel-Ferry(WLF)方法、Arrhenius方法和基本的时间-温度叠加(TTS)方法).通过不同温度(-40,+20,+76℃)和10%常应变下1380 s的应力松弛试验得到了复合固体推进剂松弛模量.通过评估松弛模量,给出转移因子和松弛模量主曲线,最后通过确定系数(R2)得出了最佳的拟合方法.结果表明,基本TTS方法可给出最佳拟合曲线,因为该方法不依赖外部材料常数和应用中的经验方程,而且该方法可以适用于任何黏弹性材料.但是,在应用有限元软件时,经常要求用材料常数来定义非线性黏弹性材料模型,这种情况下,目前研究结果表明,当给出合适的常数后,WLF和Arrhenius两种方法均可给出满意的结果,而且WLF方法更为准确,因此在AP-HTPB固体推进剂有限元分析中倾向于采用这种方法.     

构建AP-HTPB固体推进剂松弛模量主曲线的不同方法（英文）

分析了建立高氯酸铵-端羟基聚丁二烯(AP-HTPB)固体推进剂松弛模量主曲线的三种不同方法(Williams-Landel-Ferry(WLF)方法、Arrhenius方法和基本的时间-温度叠加(TTS)方法)。通过不同温度(-40,+20,+76℃)和10%常应变下1380s的应力松弛试验得到了复合固体推进剂松弛模量。通过评估松弛模量,给出转移因子和松弛模量主曲线,最后通过确定系数(R~2)得出了最佳的拟合方法。结果表明,基本TTS方法可给出最佳拟合曲线,因为该方法不依赖外部材料常数和应用中的经验方程,而且该方法可以适用于任何黏弹性材料。但是,在应用有限元软件时,经常要求用材料常数来定义非线性黏弹性材料模型,这种情况下,目前研究结果表明,当给出合适的常数后,WLF和Arrhenius两种方法均可给出满意的结果,而且WLF方法更为准确,因此在AP-HTPB固体推进剂有限元分析中倾向于采用这种方法。     

基于遗传算法的复合推进剂粘弹性本构参数研究

为了准确地获得HTPB复合固体推进剂的粘弹性本构参数,研究了基于遗传算法的全加载历程松弛模量获取方法。利用DMA实验机系统进行了HTPB复合固体推进剂试件的松弛实验,分别使用传统计算方法和遗传算法获得了HTPB推进剂的松弛模量数据。将该结果应用于真实松弛实验的加载过程中,结果表明:传统方法忽略了实验过程中的加载阶段,计算得到的松弛模量小于实验值; 而基于遗传算法得到的松弛模量,精确度较高,是获取复合固体推进剂松弛模量一种较好的方法。     

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.     

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.     

舰载导弹发动机药柱蠕变损伤研究

针对舰载立式贮存导弹固体发动机药柱蠕变的问题,通过对推进剂试件进行不同应力水平下蠕变试验,拟合蠕变时间硬化率方程,利用ABAQUS有限元软件对舰载立式贮存导弹固体发动机药柱进行分析.研究结果表明:舰载立式贮存的导弹发动机药柱在振动作用下应力载荷也呈周期性变化,重力和振动载荷引起发动机药柱内表面变形,中部变形最大,尾部次之,头部较小,蠕变占药柱总变形的60%以上,蠕变效应不可忽视.蠕变仿真得到的药柱变形方式,可为发动机寿命预估提供依据.     

动态加载下HTPB复合固体推进剂双轴压缩试验件设计

为研究固体推进剂的动态双轴压缩力学性能,需确定与试验机、试验夹具相适配且满足双轴变形特性要求的推进剂试验件最优构型.基于有限元数值仿真计算,获得了双轴压缩加载下八种不同构型的三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂试验件变形的应力云图,并通过开展动态加载下对应推进剂试验件的力学性能试验对最优构型进行了验证.结果表明:小变形条件下(应变10％以内)所有试验件的应力云图均呈现整体均匀分布的特性,但长宽比大于1的试验件变形时不再满足平面应力状态的要求.选取平面应力平均值、平面应力离散度、整体应力稳定系数和应力集中系数作为推进剂试验件构型优化指标,对比分析得出边长为25 mm的正方体推进剂试验件为最优构型.最后,通过分析动态加载下双轴压缩试验获得的应力-应变曲线特性,验证了最优试验件构型设计的有效性.     

丁羟复合推进剂粘弹力学特性主曲线

本文通过动态力学试验和计算机数据图形处理,给出一种丁羟复合推进剂的复模量E~*(ωα_T)、贮存模量F′(ωα_T)、损耗模量E″(ωα_T)、应力松弛模量E(t/α_T)和蠕变柔量D(t/α_T)主曲线及其数学表达式。     

超声波实时测量技术在固体火箭发动机中的应用

利用超声波对固体推进剂燃速进行实时测量是先进的燃速测量方法之一。针对超声波技术在固体火箭发动机试车中的应用,对典型固体火箭发动机材料进行测试研究,获得了发动机材料的超声波信号特征。将超声波探头直接安装在发动机壳体外侧部位,测量了固体推进剂在常压燃烧时的厚度变化。针对动态燃速测试,提出了超声波数据处理方法,对固体装药在常压燃烧下的回波进行处理,获得了装药的厚度变化过程和燃速,并分析了燃面附近温度分布对燃速测量的影响。结果表明：用超声波测量金属壳体固体发动机的燃速必须在壳体上开窗使超声波透过壳体和绝热层界面,而对复合材料壳体发动机可将超声波探头直接安装在壳体外侧;燃烧引起的装药表面温度变化对测量的影响可以忽略;该数据处理方法可以有效获得装药厚度变化。     

固体推进剂装药固化降温时间估算新法

对大型固体火箭发动机浇铸装药的固化降温时间提出一种新的估算方法。该方法根据不稳定热传导方程计算装药内部各点温度分布和所需降温时间，由所需降温时间计算出对应的应力松弛模量。并与实验的松弛模量谱比较，在该降温时间内应力是否达到完全松弛。     

模数对药柱热应力的影响

为获得药柱模数对发动机结构完整性的影响,针对某一典型火箭发动机常用的圆孔药柱和星孔药柱,建立温度冲击下的计算模型,基于推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对不同模数的圆孔药柱和星孔药柱受温度载荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力、应变特性,分析了不同时刻药柱内不同位置处应力、应变特性,应力、应变随时间的变化规律及最大应力、应变随模数的变化关系.分析结果表明圆孔药柱和星孔药柱内的最大应力值都随模数呈指数形式增长,危险点分别在药柱内壁处和星尖圆弧过渡处,药柱内的应力变化速度均大于应变变化速度.     

HTPB推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析

为了实现端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析,制作了含中心贯穿复合型裂纹的HTPB推进剂试件,进行了动态拉伸观察试验,获得了复合型裂纹的扩展特性,并通过数字图像相关方法(DIC)得到试件表面及裂纹尖端的应变场,对复合型裂纹尖端应变场特点及应变场与裂纹扩展规律的关系进行了研究。结果表明,复合型裂纹试件的拉伸过程可以分为线性段、非线性段和失效段三个阶段,裂纹沿与载荷垂直的方向扩展;数字图像相关方法采用大变形分析方法能有效解决试件大变形的问题,可以定量给出试件表面的应变场,且应变集中区域与理论结果吻合;复合型裂纹的扩展与应变场的变化密切相关,应变场在裂纹尖端产生应变集中,导致裂纹扩展。     

发射药颗粒间摩擦系数测定及其对装填密度的影响

为测量发射药颗粒间的摩擦系数并探究其对装填密度的影响,以表面涂有石墨的发射药颗粒为研究对象,采用传统的斜面仪来测量静摩擦系数; 对于滚动摩擦系数的测定,基于离散单元法,模拟发射药颗粒堆积过程,得到模拟堆积角与滚动摩擦系数间的线性拟合方程,再基于实验所测堆积角进行参数标定获取参数值,二次拟合结果说明该参数测定方法可行。模拟结果表明,堆积角随着滚动摩擦系数的增大而增大。通过模块装填模拟,探究摩擦系数对装填密度的影响,结果表明,随着摩擦系数的增大,模块所装发射药的颗粒数越小,装填密度越小,说明摩擦系数对模块装填密度的影响是一个不可忽略的因素。