高低温循环下HTPB推进剂力学性能规律研究

为了获得高低温循环下HTPB推进剂的力学性能变化情况,通过高低温循环实验(又称温度渐变实验)和单向拉伸实验,对HTPB推进剂高低温循环力学性能规律进行了研究.实验结果表明:高低温循环下HTPB推进剂的最大抗拉强度和最大延伸率都随着循环周期数的增加而降低,这与热氧老化下的力学性能变化规律不同.最后,运用灰色理论预测了该实验条件下HTPB推进剂失效时的高低温循环周期数.     

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。     

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。     

AP/HTPB复合固体推进剂慢烤燃特性的数值模拟

为了研究热载荷作用下高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂的热安全性,针对某固体火箭发动机建立了二维烤燃简化模型。其中,AP/HTPB推进剂的慢烤燃过程采用两步总包反应描述。理论计算结果与实验数据吻合较好。在此基础上,分别对该发动机在升温速率为1.8,3.6,7.2 K·h-1下的慢速烤燃行为进行了数值预测。结果表明,三种升温速率下,AP/HTPB推进剂的最初着火位置均发生在药柱内壁纵向1 mm肉厚的环形区域内,且随着升温速率的增大,最初着火位置由中心区向药柱壳体端面移动。升温速率从1.8 K·h-1增加到7.2 K·h-1时,着火温度从592 K升到595 K,变化不大,但是着火延迟期却从31.48 h缩短到14.87 h。     

考虑初始缺陷的HTPB推进剂粘超弹本构模型

为研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂存在初始缺陷对其宏观力学性能的影响,对定制的不同界面缺陷含量的HTPB推进剂开展了多步松弛和单轴拉伸试验。获得了HTPB推进剂的平衡响应曲线和拉伸曲线。采用Ogden模型拟合了不含缺陷的HTPB推进剂的平衡响应曲线,引入应变率参数M来描述HTPB推进剂单轴拉伸曲线的率相关特性。通过该曲线拟合,得到了不含缺陷的HTPB推进剂的粘超弹本构模型参数。考虑了缺陷的影响,通过引入初始缺陷损伤因子f,构建了含初始界面缺陷的HTPB推进剂的粘超弹本构模型,分步拟合得到了所有模型参数。最后,用本研究所建模型预测了单轴拉伸载荷下的HTPB推进剂的宏观力学性能,结果表明,预测结果与试验结果一致,二者最大偏差仅为4.4%,验证了模型的可靠性。     

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。     

循环载荷下HTPB推进剂温度演化及疲劳性能预测

通过红外热像法研究了端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂试件室温下的疲劳性能,基于极限能理论假设,建立了Miner线性累积损伤理论的能量模型以预测材料的残余寿命。采用基于热传导、热弹性和非弹性效应的理论模型解释了疲劳加载过程中的温度变化。结果表明,HTPB推进剂疲劳加载过程中的温度变化分为初始温度上升、温度稳定和温度快速上升三个阶段。红外热像法预测的HTPB推进剂疲劳极限为0.102 MPa和0.113 MPa,与试验结果 0.0985 MPa的相对误差为3.55%和14.7%。能量法得到的S-N曲线与传统试验法的S-N曲线吻合较好,Miner理论的能量模型能准确的预测循环载荷作用下HTPB推进剂的残余寿命,与实际寿命的误差不超过10%。     

国产HTPB复合固体推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂性能实验研究

采用WDN-10KN材料实验机对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB复合固体推进剂进行了拉伸速率为2mm.min-1的单轴拉伸试验,用摄像机记录了推进剂裂纹扩展至断裂的整个过程。得到了六种不同裂纹倾斜角下的力-变形曲线及裂纹扩展开裂角和断裂载荷。与T断裂准则、S断裂准则和σθ断裂准则进行比较,结果表明推进剂裂纹扩展开裂角与T断裂准则的数值计算结果较为接近,说明可以借助于T断裂准则对推进剂裂纹扩展的初始开裂角进行初步的理论预测。     

热老化改性双基推进剂拉伸力学性能及强度主曲线

为探讨老化高固含量改性双基推进剂(CMDB)的准静态拉伸力学性能,在四种温度(323,293,273,253 K)和不同应变率(3.3×10-5、3.3×10-4、3.3×10-3、3.3×10-2 s-1)条件下,开展了CMDB推进剂单轴拉伸实验;对不同老化时间(0,10,20,35,50,65,80,100 d)的CMDB推进剂试样进行了气相色谱实验,研究了CMDB推进剂老化后的力学性能和中定剂含量的变化.结果表明,老化过程中最大伸长率和中定剂含量呈显著下降趋势,可以作为老化后的CMDB推进剂的失效判据.利用时间温度等效原理(TTSP),得到了CMDB推进剂最大抗拉强度主曲线,建立了老化强度主曲线方程,该方程可以在准静态应变率范围内对不同老化时间的CMDB推进剂的最大抗拉强度进行预估.     

含裂纹HTPB推进剂断裂准则研究

固体推进剂装药的表面裂纹严重影响着发动机的工作安全性。现阶段广泛使用的应力强度因子、J积分等断裂韧性指标不能直接应用于复合推进剂装药。为了得到HTPB推进剂Ⅰ型裂纹在中低应变率下的断裂准则,本文使用试验和数值仿真方法建立了一种基于应变的断裂准则。准则建立过程中分别使用标准试样和单边裂纹试样进行单轴拉伸试验,结合有限元方法计算了裂纹前端的应变强度因子。结果显示对于HTPB推进剂在中低应变率下使用本文中基于应变的断裂准则比基于应力的断裂准则实用性更强。