基于分段老化模型的HTPB推进剂贮存寿命

针对常用老化模型不能准确描述端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂贮存老化不同阶段特点的问题,提出了一种分段老化模型。对HTPB推进剂进行了高温加速寿命试验,以最大延伸率作为性能变化表征参数,将HTPB推进剂的老化机理分三个阶段进行了分析,并根据老化不同阶段的相关性分析结果,建立了分段老化模型。利用时温等效原理,得到了高温(60℃)加速老化和常温(25℃)有效贮存的时间转换关系,结合分段老化模型,预估HTPB推进剂在常温(25℃)条件下贮存寿命为11.60年。该模型的相关系数R0.95,标准差R_(std)0.015。     

基于湿热加速老化试验的HTPB固体推进剂寿命预估

借鉴量子力学理论关于电子产品老化反应速率与环境温、湿度的关系,将Eyring和Arrhenius模型相结合,建立了固体推进剂贮存使用寿命的湿热老化模型,并通过试验数据拟合得到具体的经验公式。利用该模型预估出某HTPB固体推剂在室温20℃、相对湿度为50%的贮存寿命,与实际贮存寿命进行了对照。结果表明,采用将温湿因素引入推进剂老化模型的方法,可以使推进剂寿命预测的结果更接近于发动机中推进剂的实际使用寿命。     

HTPB推进剂老化机理的分子模拟

为了研究HTPB推进剂的老化机理,采用量子化学方法,计算了端羟基聚丁二烯-甲苯二异氰酸酯(HTPB-TDI)固化体系中化学键的键能,搜索了HTPB推进剂老化过程中可能发生的四个氧化反应的过渡态。结果表明,与CH2基团相连的C—O键的键能最小,为244.95 kJ·mol-1,在老化降解过程最容易发生断裂。老化过程中可能发生的四种氧化交联反应的活化能均较小,小于HTPB-TDI固化分子降解断裂所需要的能量,说明氧化交联反应是HTPB推进剂老化的主要原因,其中生成三元环氧反应的活化能最小,为12.59 kJ·mol-1。     

NEPE推进剂无损型贮存寿命预估

为了实现对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂药柱贮存寿命进行预估时的测量无损性,通过对施加10%定压缩应变的NEPE推进剂进行高温热加速老化实验、气体含量监测实验、单向拉伸力学性能实验,基于相关性分析和寿命预估模型,提出了一种以特征气体含量变化为基础数据的无损型寿命预估模型。结果表明,NEPE推进剂贮存老化过程中,CO气体释放量最大,不同温度条件下的释放量均达到1300 mg以上,且其和NO气体均呈现老化初期释放量增长缓慢,后期迅速增加的规律,HCl气体释放量在老化初期和后期增长较快,老化中期增长较慢;老化初期最大抗拉强度σm和最大延伸率εm小幅增大,老化中期前者小幅震荡,后者逐渐增大,老化后期两者均急剧减小;不同温度条件下CO气体释放量与最大抗拉强度关联度值最大,为0.93～0.95,且两者存在单一相关性;基于传统老化寿命预估模型和改进的老化寿命预估模型,建立了四种NEPE推进剂寿命预估方法,通过相关性系数比较和预估结果分析,得出以CO气体释放量作为预估参数的改进型寿命预估模型的相关性系数最大,寿命预估结果最为有效。     

考虑泊松比的HTPB推进剂贮存老化反应速率研究

对某型号HTPB推进剂在35℃、50℃、65℃条件下进行了加速寿命试验,并选用最大延伸率表征推进剂性能变化情况;对HTPB推进剂高温加速寿命试验的老化起点进行了修正,并推导出了考虑泊松比条件下的推进剂老化反应速率模型;根据加速老化试验结果,对模型的参数进行了求解,验证得出考虑泊松比变化条件下的某型号丁羟推进剂药柱预估寿命要长于未考虑泊松比的预估值;对含有不同含量防老剂的HTPB推进剂在80℃条件下的加速寿命试验结果表明:少量防老剂的添加可以有效对推进剂进行延寿.     

HTPB推进剂热力耦合加速老化细观损伤机理分析

为了深入探究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在热力耦合作用下的细观损伤机理，采用了试验表征和理论分析相结合的方法。具体而言，对在不同环境温度（50，70 ℃和90 ℃）及不同加载次数下的HTPB推进剂进行了细观层面分析。在50 ℃下，分别进行了约3000次和10800次加载；在70 ℃下，分别进行了约1800，3600次和7030次加载；而在90 ℃下，则进行了约1800次加载。研究发现：在热力耦合加速老化作用下，HTPB推进剂的细观损伤比单一因素老化更为显著。其细观损伤机理主要涉及两方面：一是由于基体热降解，基体自身的承载性能及其与颗粒间的粘接强度均有所下降，进而导致颗粒“脱湿”；二是颗粒的“脱湿”现象反过来进一步加剧了基体的热降解。这种相互作用使得细观损伤更加严重。研究还发现，随着老化温度的增加，细观损伤的程度会加剧，但温度过高将改变老化过程的细观损伤机理。此外，研究指出，在其他条件不变的前提下，合理选择终止加载次数对于判断HTPB推进剂是否发生显著细观损伤至关重要。本研究中，当50 ℃和70 ℃下的加载次数比（）分别超过0.281和0.330时，HTPB推进剂会产生显著的细观损伤。     

HTPB推进剂交变温度加速老化与自然贮存相关性

为研究与自然贮存环境相关性较好的推进剂加速老化方法,设计了 HTPB复合推进剂交变温度加速老化试验,在-10～60℃温度范围内,以3种温度变化速率(10 ℃/12 h,20 ℃/12 h,30 ℃/12 h),分别老化3S d,56 d,91 d后对推进剂进行力学性能测试,基于最大伸长率进行了HTPB推进剂加速老化与自...     

基于修正Arrhenius方法的SRM药柱储存寿命预估

高温加速老化法常用来解决固体推进剂药柱储存寿命预估问题。介绍了传统的加速老化Arrhenius模型在解决SRM药柱储存寿命预估问题中的应用,并针对传统Arrhenius方法的局限性,将Arrhenius公式修正为三参数公式,并给出了修正Arrhenius寿命预测模型的理论推导。分别基于该传统方法和修正方法对某型SRM药柱储存寿命进行了预估,并与常温试验外推储存寿命进行了比较。结果表明,修正Arrhenius方法预估误差更小,预估精度更高,更适用于SRM药柱储存寿命的预估。     

HTPB 推进剂粘结体系的热氧老化及防护研究

针对海军战术导弹固体火箭发动机端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)推进剂老 化问题,对HTPB 推进剂粘结体系的老化及防护进行探讨。对丁羟聚氨酯热氧老化机理及影响因素进行介绍,分别 从物理防护与防老剂的化学防护2 方面概述了HTPB 推进剂粘结体系的防护。从老化实验、仪器分析及分子模拟3 方面对老化及防护的研究方法进行了总结,并对分子模拟技术在HTPB 推进剂老化及防护研究的应用前景进行展望。 该研究对未来HTPB 推进剂的防老化及导弹贮存、使用性能的提高有一定指导意义。     

基于寿命老化模型的舵板寿命预测

为预测舵板的使用寿命特性,建立舵板寿命老化模型.分析寿命老化模型理论依据,建立寿命老化模型,对舵板寿命进行预测,利用加速因子的不变原则,推导出寿命估计模型的参数在不同应力下的变化规律,并进行仿真分析.仿真结果表明:加速因子不变原则能够预测舵板在不同环境应力下的使用寿命,且相较于一般神经网络,其稳定性更强,为舵板寿命评估提供了有效的参考.     

HTPB推进剂填料/基体界面粘结性能老化特性研究

采用扫描电镜观察和测试探测液在填料AP、粘合剂基体上接触角的方法,并通过计算填料与基体的粘附功和界面张力,研究了15%定应变和无应变贮存条件下HTPB推进剂填料/基体界面的粘结性能.结果表明,定应变和无应变贮存条件下HTPB推进剂填料与粘合剂基体的粘附功Wa随老化时间的延长而减小,界面张力γsl随老化时间的延长而增大,填料/基体界面粘结变差,HTPB推进剂填料/基体界面粘结性能可由填料与粘合剂基体的粘附功、界面张力来表征.定应变作用下推进剂老化后粘附功的值远低于无应变的值,界面张力的值远高于无应变的值,定应变的存在加剧了推进剂填料/基体界面粘结的劣化.     

AP/HTPB老化复合底排推进剂热物性实验研究

为研究底排装置内底排药剂点火燃烧特性并提高数值计算准确性,用差示扫描量热仪(DSC)和热导仪对比研究了某155 mm底排弹用未老化和经自然老化(在密封塑料袋内室温保存20余年)的高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)底排药剂的比热容和导热系数。结果表明,老化底排药剂20℃·min-1升温时DSC曲线的最大吸热峰温度和最大放热峰温度分别为253.52℃和437.54℃。基于DSC曲线和多项式拟合法得到了40~180℃温区间的比热容与温度的依变关系。老化底排药剂的比热容平均值和导热系数分别为0.9868 k J·kg-1·℃-1和0.2292 W·m-1·K-1。未老化底排药剂的比热容平均值和导热系数分别为0.8887 k J·kg-1·℃-1和0.4020 W·m-1·K-1。与未老化药剂相比,老化药剂的比热容增大约11%,而导热系数减小约43%。     

定应变下HTPB推进剂延伸率二元回归模型

为研究自然条件下HTPB推进剂最大延伸率变化和寿命评估的模型,基于定应变下高温加速老化对推进剂延伸率的影响,考虑力-热耦合作用,综合线性和指数模型的特点,建立了二元回归模型。将该模型应用到自然贮存延伸率预测和寿命评估中去,该模型具有很好的相关性。在该模型下某自然贮存HTPB推进剂10年后延伸率满足要求的概率为0.9。该模型可以用来预测HTPB推进剂的使用寿命。     

定应变加速老化条件下HTPB衬层交联密度老化模型

为了对定应变贮存老化条件下端羟基聚丁二烯(HTPB)衬层横向弛豫特性和交联密度的变化规律进行研究,设计了0%、5%、10%、15%定应变水平下HTPB衬层的加速老化试验,采用低场~1H NMR CPMG序列对HTPB衬层的质子横向弛豫衰减曲线进行了测试,并根据修正的单链模型计算得到了HTPB衬层的交联密度,分析了交联密度的变化规律,同时建立了考虑物理拉伸和化学老化因素的交联密度老化模型,对老化模型参数的影响因素和变化规律进行了研究。结果表明,定应变贮存老化条件下HTPB衬层的交联密度呈现先增大后降低的趋势,定应变的存在会导致HTPB衬层的应力松弛时间增加,但是对HTPB衬层的老化反应速率常数没有显著的影响。建立的交联密度老化模型的具体形式为ν_(NMR)(ε,t)=ν_(p0)(ε)τ(ε)[1-exp(-t/τ(ε))]+ν_(ini)-k (ε) t,该模型与试验结果的相关系数R0.9500(5%定应变时相关系数R0.9000),可以用来描述定应变条件下HTPB衬层交联密度的老化规律。     

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。     

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。     

HTPB/AP(RDX)/Al/GFP推进剂静态燃速的预估

通过大量实验数据分析，发现复合推进剂的静态燃速与燃速催伦剂的含量及氧化剂的比表面成指数关系，其相关系数则与复合推进剂各组份含量有关，据此提出了一个适用ＨＴＰＢ／ＡＰ（ＲＤＸ）／Ａｌ／ＧＦＰ推进剂静态燃速顶估的经验公式。     

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。     

HTPB推进剂温度相关性失效准则

为建立考虑温度及应变率效应的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂失效准则,通过不同温度下的HTPB推进剂应力松弛实验(233.15,253.15,273.15,293.15,323.15,343.15 K)得到了HTPB推进剂的时温等效因子,基于累积损伤理论和线性粘弹性理论,建立了含时温等效因子αT的推进剂失效准则,结合不同温度、不同速率下的单轴拉伸实验数据获取了失效准则损伤参数。利用该失效准则预测了不同温度和拉伸速度下推进剂材料的损伤演化特性和临界失效时间,与实验结果对比分析发现,失效准则预测相对误差低于20%,表明该失效准则能在低温233.15~273.15 K,拉伸速度2~500 mm·min~(-1)和高温293.15~343.15 K,拉伸速度0.5~100 mm·min~(-1)的条件下预测HTPB推进剂的失效情况。     

基于加速寿命试验的导弹寿命预估方法

针对导弹常规寿命试验复杂、寿命评定不准确的情况,通过分析导弹服役环境,确定主要环境应力,设计相应的加速寿命试验,提出了基于加速寿命试验的导弹寿命预估方法的技术途径,从而在较短时间内得到导弹正常应力水平下寿命的解决方案,为以后进行全弹的加速寿命试验、估计导弹寿命提供了一种思路。