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。     

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。     

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。     

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.     

复合固体推进剂非线性界面脱粘的力学性能研究

复合固体推进剂是高体积分数的颗粒填充材料,因此建立细观力学模型对于研究其力学性能具有十分重要意义.应用细观力学的Mori-Tanaka方法研究了推进剂本构关系,其中推进剂颗粒与基体的界面粘接律采用抛物线型假设.通过算例证明抛物线型粘接律能更好模拟推进剂颗粒与基体的非线性脱粘行为,并且研究表明推进剂中颗粒大小、体积分数以及颗粒基体界面间的最大粘接应力对其力学性能有明显影响.     

HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究

针对载荷作用下影响复合推进剂力学特性的脱湿问题,采用等速拉伸和CCD显微分析的试验方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程。建立了粘弹性本构模型,利用细观力学及界面力学的理论,分析试验测得的宏观力学性能发生发展的内在细观原因。结果表明:颗粒/基体的界面脱湿是宏观应力应变曲线非线性的重要原因,也直接导致材料泊松比的下降;界面脱湿的损伤程度由应变值决定,并与应变率具有一定的相关性,泊松比也是定量表征脱湿的重要参数。     

HTPB/IPDI复合固体推进剂细观界面率相关参数的反演识别研究

为研究HTPB/IPDI(hydroxyl-terminated polybutadiene/isophorone diisocyanate)复合固体推进剂细观界面性能随加载速率的变化规律,基于分子动力学算法生成了HTPB/IPDI复合固体推进剂的细观颗粒填充模型。颗粒与基体间粘接作用通过结合粘弹性标准机械单元及指数型率无关内聚本构所构建出的率相关内聚力模型模拟。通过HTPB/IPDI基体胶片的应力松弛试验得到细观模型中基体材料的松弛参数。基于模型对HTPB/IPDI推进剂在不同加载速率下(0.1,5,20 mm·min~(-1))的宏观力学响应进行仿真计算。利用数值仿真结果与HTPB/IPDI推进剂单轴拉伸试验结果曲线,通过Hooke-Jeeves优化算法对率相关内聚力模型参数进行反演分析,得到了优化后的界面参数数值。利用所建立的模型对50,100 mm·min~(-1)加载速率下的HTPB/IPDI复合固体推进剂材料的宏观力学行为进行预测。结果显示,预测结果与实际试验结果较为一致。     

HTPB推进剂与衬层界面破坏过程试验研究

为了研究某种HTPB推进剂与衬层界面的失效过程,设计了小型粘接件并对其拉伸断裂过程进行了CCD光学显微镜观察,试验结果表明,紧贴衬层附近的高氯酸铵（AP）颗粒与衬层之间的脱湿,是影响该种推进剂与衬层界面粘接性能的主要因素,同时表明颗粒与衬层之间的界面能小于颗粒与基体之间的界面能。采用图像测量的方法,获得了裂纹平均宽度和平均脱湿长度（颗粒表面与基体之间空隙的长度）与夹具位移之比以及比值随夹具位移的变化率,并以之作为参数,分别在宏观和微观的角度定量分析了推进剂与衬层界面的粘接质量,可作为传统界面粘接质量评定方法的补充。     

GAP黏合剂基体与ε-CL-20界面作用

采用原位拉伸扫描电镜观察了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂(叠氮缩水甘油醚(GAP)/六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)推进剂、聚乙二醇(PEG)/奥克托今(β-HMX))推进剂)的拉伸断裂过程,利用反相气相色谱法(IGC)和接触角法研究了推进剂组分间粘附功,并通过分子动力学(MD)模拟计算了粘结剂/炸药复合体系的结合能,表征了黏合剂体系与炸药之间的相互作用强度.结果表明,相同拉伸作用下,GAP/ε-CL-20推进剂首先在大颗粒附近发生"脱湿",裂缝扩展速度较快,形成裂纹带,伴随黏合剂基体断裂,形成宏观裂纹,应变大于60％后,推进剂发生整体断裂;而PEG/β-HMX推进剂中发生"脱湿"的颗粒附近有黏合剂基体变形形成的胶丝连接,裂缝扩展速度较慢,直至应变大于80％后推进剂发生断裂;GAP基体与ε-CL-20之间的粘附功70.69 mJ·m-2和结合能259.90 kJ·mol-1,均低于PEG基体与β-HMX之间的粘附功98.61 mJ·m-2和结合能335.65 kJ·mol-1,即GAP基体与ε-CL-20的界面粘结情况较弱,显著影响了GAP/ε-CL-20推进剂的力学性能.     

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.     

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.     

固体推进剂贮存老化研究进展

介绍了双基、NEPE推进剂和丁羟推进剂等固体推进剂国内外贮存老化的研究进展.国外采用光谱学和在推进剂中埋入微型传感器等方法来监测老化,监测技术已达到或接近实用阶段,国内在此方面还有不小的差距.展望了该研究领域未来的发展趋势,定应变或定应力下的老化、界面"脱湿"、寿命监测系统、老化模拟与仿真是该研究领域主要的发展趋势.     

复合固体推进剂颗粒与基体初始界面有无缺陷的细观模型对比

复合固体推进剂的制备工艺和环境因素会引起其颗粒与基体初始界面的浸润能力下降,进而导致材料内部存在随机分布的初始缺陷。为探究初始缺陷对推进剂力学性能的影响,基于分子动力学方法建立细观颗粒填充模型,利用通用有限元分析软件Abaqus子程序VUMAT开发指数内聚力模型,并建立颗粒与基体初始界面粘结强度相同的无缺陷模型,以及颗粒与基体初始界面粘结强度的密度函数呈Weibull函数分布的初始缺陷模型。通过对比两种模型的数值计算结果发现：初始缺陷模型的网格敏感性低于无缺陷模型;在初始缺陷模型中,形状参数越小,模型内初始缺陷含量越高,初始弹性模量越低。研究结果表明,初始缺陷模型较无缺陷模型能更准确描述推进剂在单轴拉伸条件下的损伤演化过程。     

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。     

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.     

复合推进剂力学性能及其改善技术研究进展

为改善复合推进剂力学性能的技术途径和发展思路,对近年国内外复合推进剂力学性能的研究情况进行 分析。提出提高粘合剂基体力学性能、增强固体填料和粘合剂基体界面作用、优化固体填料组成及粒度级配等技术, 进一步改善复合推进剂力学性能。结果表明,该研究可为进一步改善推进剂的力学性能提供理论和实践支持。     

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。