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.     

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。     

疲劳损伤对NEPE推进剂力学性能的影响

为了研究疲劳损伤对NEPE推进剂力学性能的影响,文中测定了NEPE推进剂不同疲劳循环周期后的弹性模量。实验采用频率为5 Hz的正弦波,循环至一定周期后卸载,再将试样进行单轴拉伸试验,并测量其初始弹性模量。基于初始弹性模量定义了损伤因子D,进而建立了疲劳损伤方程,且由实验数据拟合了方程参数。结果表明:疲劳损伤会影响NEPE推进剂弹性模量,损伤因子随循环周期增大而增大,在循环开始阶段损伤速率较快,随循环次数增加逐渐变小。     

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。     

NEPE固体推进剂粘-超弹性本构模型研究

为了准确描述NEPE固体推进剂在有限变形下的力学特性,本文针对NEPE推进剂在有限变形下的粘 超弹本构模型进行研究。模型由超弹部分与粘弹部分并联构成：超弹部分采用Yeoh模型,粘弹部分采用非线性粘弹性本构模型。进行NEPE推进剂单轴拉伸试验及拉伸松弛试验,并用试验结果拟合超弹及粘弹两部分的材料参数。所建本构模型与实验结果进行了对比,模型能较好的预测30%应变内的NEPE推进剂的力学性能。     

低温动态加载下三组元HTPB复合固体推进剂的失效判据

基于三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂在不同热加速老化时间(0,32,74,98 d)和不同加载温度(-50,-40,-30,-20,25℃)以及不同应变率(0.40,4.00,14.29,42.86,63 s~(-1))条件下的单轴和准双轴拉伸力学性能实验以及细观损伤观测实验,分析了加载条件对推进剂初始弹性模量,强度和最大伸长率的影响规律,确定了单轴和准双轴拉伸加载下推进剂的失效判据。结果表明:动态单轴加载下推进剂易因拉伸应力作用而失效,且热老化后推进剂抵抗破坏的能力降低,拉伸时的最大伸长率可选为失效判据。其次,拉压强度比更能反映推进剂的动态单轴拉压差异性,室温和低温条件下,其数值分别接近于0.4和0.2～0.3。动态准双轴拉伸加载下,推进剂的最大伸长率较单轴加载时明显降低,降低的幅度随热老化时间增长而增大,且温度越低,降低越明显。未老化推进剂在准双轴拉伸加载下的最大伸长率约为单轴拉伸条件下数值的60%～85%,而老化后约为40%～60%。低温高应变率条件下,最大伸长率不受应力状态和应变率变化的影响。动态双轴拉伸条件下的最大伸长率可选为相应加载下推进剂的失效判据以及点火建压条件下战术导弹固体火箭发动机(SRM)药柱结构完整性分析的判据,其数值可结合主曲线和老化模型确定。     

铝粉含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压力指数的公式,计算了铝粉含量和粒度变化对燃烧性能的影响.结果表明,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±15％以内,且70%的误差在10%以内.预估在小于5MPa下,使用细粒度的铝粉(1～3μm)可显著降低NEPE推进剂的压力指数.     

基于能量耗散率的NEPE推进剂疲劳损伤分析

为研究NEPE推进剂在应变加载条件下的疲劳损伤演化,基于循环加载过程中的推进剂耗散能变化,利用能量耗散变化比对推进剂疲劳过程进行分析。通过4个应变幅值进行了单轴拉伸疲劳试验,得到不同应变幅值下NEPE推进剂疲劳寿命,并得到在不同加载周次下的耗散能。结果表明,这种能量法能够以直观的方式解释疲劳损伤过程中损伤的累计,在对数坐标下耗散能变化比的稳定值与疲劳寿命呈明显的线性关系,稳定值随初始加载应变幅值的增大而增加。当加载应变增大时,材料稳定段相邻加载间损伤累计越快,疲劳寿命相对减小,也解释了2次循环加载间损伤发展的原理。     

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。     

固体发动机药柱低温点火开裂失效的跨尺度分析

为了准确预测推进剂装药在低温点火过程中是否发生开裂,提出了一种全局-局部单向收缩耦合的跨尺度分析方法。针对高能硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂,开展低温中应变率单轴拉伸试验,获取了推进剂的典型失效模式。结果表明,基于发展的推进剂非线性粘弹性本构模型,实现了固体发动机药柱低温点火的宏观结构分析,获取了推进剂药柱结构危险点的位置;同时建立了考虑颗粒与基体界面脱湿和颗粒断裂的细观颗粒填充模型,进一步将宏观结构分析结果作用于相应的细观代表性体积单元（RVE）上。最后,建立推进剂细观失效准则,表明在低温点火条件下药柱结构完整性满足要求。收缩跨尺度分析方法可作为预测药柱在低温点火过程中开裂行为的有效手段。     

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。     

Numerical Simulation of Particle/Matrix Interface Failure in Composite Propellant

Interface debonding between particle and matrix in composite propellant influences its macroscopic mechanical properties greatly. For this, the laws of interface cohesive damage and failure were analyzed. Then, its microscopic computational model was established. The interface mechanical response was modeled by the bilinear cohesive zone model. The effects of interface properties and particle sizes on the macroscopic mechanical behavior were investigated. Numerical simulation of debonding damage evolution of composite propellant under finite deformation was carried out. The debonding damage nucleation, propagation mechanism and non-uniform distribution of microscopic stress-strain fields were discussed. The results show that the finite element simulation method based on microstructure model can effectively predict the trend of macroscopic mechanical behavior and particle/matrix debonding evolution process. It can be used for damage simulation and failure assessment of composite propellants.     

钝感固体推进剂的研制与进展

介绍了研制钝感推进剂的几种途径：采用低感度的含能粘合剂和增塑剂、低感度的硝胺化合物、新型高能氧化剂、降低推进剂固体组分的粒度和缺陷及其他的钝感方法。并简要介绍了HTPB、NEPE及HTPE等钝感推进剂的性能。     

含硝酸酯推进剂液相组分的流变特性

采用流变学方法研究了CMDB、NEPE和BAMO推进剂液相组分的流变特性。结果表明,CMDB、NEPE和BAMO推进剂液料的流动曲线符合牛顿流体模型,CMDB推进剂液料的黏度在20~50℃范围内为0.012 8~0.053 7Pa·s,NEPE推进剂液料的黏度为0.287 4~1.284 0 Pa·s,BAMO推进剂液料的黏度为0.506 7~2.273 0 Pa·s;3种推进剂液相组分的表观流动活化能ΔEη分别为37.62 KJ/mol、39.28 KJ/mol和39.17 KJ/mol。     

ADN/GUDN 双氧化剂对NEPE 固体推进剂燃烧性能的影响（英）

设计并制备了含N?脒基脲二硝酰胺盐（GUDN）和二硝酰胺铵（ADN）的硝酸酯增塑聚醚（ NEPE）固体推进剂样品,测试了推进剂的燃烧性能（燃速和压强指数）、燃烧火焰结构和燃烧波温度分布,并与不含GUDN和ADN的推进剂性能进行对比。结果表明,GUDN/ADN 双氧化剂对NEPE推进剂的燃烧性能有明显的影响,推进剂配方中添加ADN可提高推进剂的燃速和压强指数,含15%、20%和22.5%的ADN替换高氯酸铵（AP）可使推进剂在7.0MPa 下的燃速提高25.30%、36.76%和47.69%,GUDN使推进剂在7.0MPa下的燃速降低18.97% ,而压强指数在1~15MPa提高12.04%,而且在不同压力下含双氧化剂的NEPE推进剂的燃烧火焰结构呈多火焰结构,而且火焰的亮度随着压强的增大而变亮。     

NEPE推进剂湿热双应力老化特性

将NEPE推进剂置于不同的温度和湿度条件下贮存,测试其力学性能、凝胶分数和稳定剂含量的变化规律。研究发现:NEPE推进剂湿热双应力老化可以表示为物理老化和化学老化两部分的叠加;物理老化表现为湿老化特征,力学性能变化先快后慢,趋向于定值;化学老化表现为热老化特征,前期力学性能出现一个平台区,持续一段时间后,迅速下降至一个更低的平台;存在湿热两种因素的协同效应:湿气对化学老化具有加速效应,温度对物理老化具有增速和增幅效应。NEPE推进剂湿热双应力老化的基本化学特性与热老化类似,但是湿度对于稳定剂消耗与粘合剂网络降解都具有加速作用,可视为湿气降低了热老化的表观活化能。     

NEPE推进剂燃速催化剂选择及其对燃烧性能的影响

通过对粘合剂及推进剂能量和粘合剂理论燃烧产物的分析与比较，预计ＮＥＰＥ推进剂将同时具有ＡＰ－ＨＭＸ－ＣＭＤＢ和ＡＰ－ＨＭＸ－ＨＴＰＢ的燃烧特性，在此基础上，初步研究了在ＣＭＤＢ中行之有效的燃速催化剂对ＮＥＰＥ燃速和压力指数的影响，在４－９Ｍａ压力范围内观察到加入燃速催化剂和降低ＡＰ氧化剂粒度是改善燃烧性能的两条重要措施，燃速催化剂主要通过提高推进剂在低压下的燃速而发挥作用，仅靠增加燃速催化剂用量不     

添加剂Eo对NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

采用燃速测试、微热电偶技术、燃烧火焰结构照像等试验方法,研究了含Eo的NEPE推进剂的高压燃烧性能.结果表明,推进剂中添加Eo可改善推进剂的高压燃烧性能,含Eo的推进剂在低压下的燃速较高,在高压下的燃速较低,并且随压强的上升,燃速压强指数降低.