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。     

基于SEM原位拉伸的HTPB推进剂/衬层粘接界面破坏过程分析

采用扫描电镜(SEM)原位拉伸试验系统对端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层粘接界面试件拉伸破坏过程进行了观察,实时采集了界面变形破坏过程的SEM图像,结合粘接界面的宏观应力-应变曲线,分析其在拉伸过程中细观变形破坏机理。结果表明:推进剂/衬层粘接界面拉伸的过程可以分为斜率较大的线性段(应变为0~5%)、斜率较小的线性段(应变为5%~25%)、非线性段(应变为25%~29%)和破坏段(应变为29%~35%)四个阶段,且验证试验所用试件的推进剂/衬层粘接界面分别在应变为25%和30%达到极限应力。研究发现试件内部颗粒的脱湿和基体间的脱粘是导致其力学性能变化及失效的主要原因,同时,可用推进剂相颗粒脱湿尺寸随应变的变化表现粘结界面失效的变化规律:脱湿尺寸随应变线性增大表示粘接界面还未破坏,当脱湿尺寸增大速率减小或不增大时,表示粘接界面已经破坏。     

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。     

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推进剂三点弯曲过程试验与数值模拟

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂三点弯曲过程裂纹尖端细观损伤特点,采用扫描电镜对裂纹尖端动态损伤过程进行了观察。建立了基于子模型的推进剂三点弯曲多尺度模型,实现了三点弯曲试件宏观变形和裂纹尖端细观损伤的有效计算,并从试验和数值模拟两个角度分析了裂纹尖端损伤过程。结果表明:推进剂三点弯曲裂纹尖端损伤过程先是裂尖颗粒与基体脱湿,在裂纹尖端附近形成损伤区,随压缩位移的增加,不同颗粒脱湿引起的微裂纹与裂尖汇聚,使裂纹向前扩展;压缩过程中,由于裂纹尖端两端的拉伸作用使裂尖发生钝化。压缩位移从0增加至1.2 mm,裂纹张开位移从0增加至84.1μm,并且随压缩位移的增加,其增加的速率也增大;数值模拟结果与试验结果吻合良好。建立的基于子模型的多尺度数值模型可以有效模拟推进剂三点弯曲试验宏观变形以及裂纹尖端细观损伤过程,为开展推进剂宏细观损伤过程分析提供了一种新方法。     

基于细观参数的HTPB推进剂粘接界面损伤演化数值模拟

为了研究加载角度对三组元端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂粘接界面细观失效机理的影响,使用微CT对单轴拉伸过程中的粘接界面进行原位扫描与重构,表征其损伤演化过程,然后将细观结构参数与损伤变量引入内聚力模型,得到不同加载角度下粘接界面的细观损伤演化过程。结果表明,粘接界面高氯酸铵（AP）颗粒的初始脱湿主要从靠近界面的弱界面层开始,方向沿界面的剪切分力方向。界面破坏形式与剪切角度有关,合力与界面的角度越小,裂纹越容易扩展至推进剂/衬层界面,反之裂纹扩展更容易发生在AP颗粒间。通过与CT试验结果对比,从失效模式与载荷位移关系验证了计算结果的准确性,揭示了不同加载角度下推进剂粘接界面结构的损伤演化规律。     

含界面微裂纹颗粒增强复合材料的有限元分析

界面弧形微裂纹是复合材料在制备和加工过程中产生的一种细观损伤,这种现象普遍存在,不可避免。根据细观力学方法,将陶瓷颗粒、弧形裂纹和基体壳简化为椭球三相胞元置于有效介质氛围中;假设复合材料受单轴拉伸应力作用,基于有效自洽方法对复合材料基体中局部应力应变场进行分析;并应用ANSYS有限元软件对含界面微裂纹复合材料进行单轴拉伸行为模拟,得到与实际情况相符的数值结果。     

拉伸载荷下PBX-9501裂纹产生的数值模拟

高聚物黏结炸药（Polymer Bonded Explosive, PBX）是由占极大体积分数的单质炸药颗粒与少量高聚物黏结剂组成的多相复合材料,其中颗粒与黏结剂的界面脱粘以及细观结构是影响材料力学性能的重要因素。可以通过将随机模拟方法与Voronoi方法相结合,建立细观尺度下PBX材料的代表性体积元进行分析。但当颗粒为多级配时,该方案生成的模型大颗粒周围的颗粒呈条状散射形状,因此本研究在Voronoi方法的基础上改进了PBX细观结构的建模方法。首先根据PBX-9501颗粒与黏结剂的细观界面特性,采用三阶段黏结界面本构关系,对PBX-9501材料在静态拉伸下颗粒与黏结剂界面的损伤演化进行数值模拟,获得的PBX-9501宏观力学性能与实验数据比较吻合,其次对使用有限元隐式静力分析时的收敛性与代表体积元尺寸之间的关系进行讨论,结果表明代表体积元尺寸越大则模拟界面脱粘的收敛性越差。     

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.     

结构试验器固体推进剂装药低温加速老化试验研究

采用低温加速老化试验的方法,依据GJB770B-2005火药试验方法,测试了6%、9%、12%和15%四种不同应变水平的结构试验器在单轴拉伸条件下的最大拉伸强度σm和最大伸长率εm,考察了四种结构试验器中装药推进剂在低温(-28℃)下贮存性能随老化时间的变化趋势。结果表明:在低温应力应变情况下结构试验器中推进剂老化的主要原因是应力损伤。动态力学分析(DMA)试验(频率1 Hz,振幅20μm,测试温度范围-100~80℃,升温速率为3℃·min-1)证实推进剂确已发生损伤。常温拉伸(拉伸速度100 mm·min-1,测试温度(23±2)℃)情况下,推进剂σm逐渐升高,15%应变的结构试验器经过19周低温老化后,σm(0.96 MPa)与初始值(0.74 MPa)相比增加了近30%,εm基本在初始值附近波动;低温快速拉伸(拉伸速度500 mm·min-1,测试温度(-55±2)℃情况下老化后期推进剂σm升高,εm明显下降,15%应变的结构试验器经过19周低温老化后,σm(4.18 MPa)与初始值(3.77 MPa)相比增加了约11%,εm(26.8%)与初始值(37.6%)相比降低近29%。根据试验现象初步分析推进剂在低温应力情况下的老化机理可能是应力/应变作用下的物理损伤,包括网络内聚损伤和固体颗粒与粘合剂界面"脱湿"。     

LY12铝合金在冲击绝热压缩下的泊松比

对泊松比的意义进行讨论,给出了单轴应变加载下线弹性区的泊松比与纵向应力和横向应力的关系,以及准弹性区的泊松比与声速的关系。通过实验测量LY12铝合金在冲击压缩下的纵波和体波声速,计算在20~131 GPa冲击压力范围内的泊松比。实验结果表明：LY12铝合金在发生冲击熔化前泊松比基本保持为常数,约为0.32左右;发生冲击熔化后混合相区的泊松比快速增加;当接近完全熔化时泊松比趋于理论极限值0.5. 泊松比测量为确定金属的冲击熔化压力区间提供了一种有用的方法。     

坡膛结构变化对火炮内弹道性能影响的研究

考虑了经典内弹道方程组和弹带挤进过程的耦合效应,以内弹道方程组的解作为弹带挤进过程数值模拟的力边界条件,同时以数值模拟的结果作为内弹道方程组下一增量步计算的初始条件。引入了Lemaitre提出的基于连续损伤介质力学的考虑粘塑性及韧性损伤耦合效应的本构模型来模拟弹带材料的损伤失效过程,采用了Von Mises屈服准则、Johnson-Cook硬化模型及Johnson-Cook失效模型,考虑了大应变、高应变率、温度软化作用、初始损伤及累计损伤失效效应,并借助一种高效的时间积分方法通过Abaqus\\Explicit模块的材料子程序接口VUMAT将其引入到显式非线性有限元软件中,借助显式非线性有限元算法对两种坡膛结构下弹带挤进过程进行了数值模拟。分析了两种不同坡膛结构对弹带在挤进过程受力状态的影响,同时指出坡膛结构及弹带应力状态对火炮内弹道性能的影响,为火炮坡膛的设计提供了有益的参考。     

基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证

具有高屈服强度的某装甲钢广泛应用于我国装甲车辆。为准确模拟该装甲钢的动态力学行为,开展基于Johnson-Cook（J-C）本构模型的动态本构参数标定及验证。采用万能材料试验机对该装甲钢进行不同温度下的准静态拉伸试验,同时采用分离式霍普金森压杆开展不同应变率下的压缩性能测试。基于实验数据和J-C本构模型,拟合得到该装甲钢的本构参数。基于轻气炮开展泡沫铝弹丸冲击均质梁的实验研究,分别采用J-C本构模型和理想弹塑性模型进行有限元仿真计算,并将冲击实验与数值结果进行对比分析。结果表明：该装甲钢具有应变率强化效应,且温度软化效应显著;采用J-C本构模型仿真的均质梁峰值挠度与试验结果的相对误差为1.7%~6.1%,残余挠度相对误差为0.6%~7.6%。     

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。     

复合改性双基推进剂黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型研究

为描述复合改性双基(CMDB)推进剂复杂的力学性能,推导出黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型。进行一系列蠕变-回复试验,获得了本构模型参数。通过不同应力水平和不同加载时间下的蠕变-回复试验和恒加载率-回复试验,验证了本构模型的有效性。结果表明：黏弹性-黏塑性-黏损伤本构模型能够预测CMDB推进剂的蠕变-回复响应和恒加载率-回复响应;与黏弹性-黏塑性本构模型相比,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型对CMDB推进剂力学性能的预测能力明显提高;损伤变量随着应变增大,在经过缓慢增大和快速增大后逐渐趋于稳定,应变变化越慢,损伤变量越大,黏弹性-黏塑性-黏损伤模型和黏弹性-黏塑性模型的预测结果差别就越大。     

基于Beam-based近场动力学模型的材料冲击响应研究

采用近场动力学方法研究材料冲击破坏动态行为,针对常规键基近场动力学模型对材料泊松比的限制,借鉴有限元Euler-Bernoulli梁单元模型,在键基近场动力学模型的基础上加入物质点间相对转动效应,建立了新型Beam-based近场动力学本构模型,推导了二维和三维条件下Beam-based近场动力学模型微弹性模量矩阵。为了验证新型模型在冲击动力学中的适用性,研究了不同泊松比矩形板的二维冲击响应,结果表明矩形板位移响应与有限元结果一致。建立了三维Kalthoff-Winkler冲击破坏模型,获得了裂纹扩展角度和发展过程,结果表明:该文模拟的裂纹扩展过程与实验结果符合较好,新型Beam-based近场动力学模型有效拓展了传统键基模型的应用范围,并为冲击动力学问题研究提供了一条新的途径。     

不同温度下固体火箭发动机粘接界面振动试验

为解决陆上运输过程中固体发动机推进剂/衬层粘接界面在温度、振动载荷同时作用下的损伤问题,以试验的方式研究振动载荷对粘接界面的影响.给出试验试件和不同温度下粘接试件的加速振动试验设计,确定不同温度下加速振动试验方案,总结试件失效规律,分析试件力学性能随振动时间、温度间的变化关系,并从细观角度解释温振载荷造成粘接界面性能下降的原因.结果表明,当环境温度越高,抗拉强度下降越快;当温度升高,振动时间增加时,界面处颗粒脱湿程度加剧,更易出现裂纹.     

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。     

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。     

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。