复合材料气密包装箱设计及试验验证

目的 为适应产品集装化大批量输送、环境适应性强、快速保障的需要,研究轻质高强复合材料气密包装箱设计方案。方法 首先进行包装箱设计需求分析,明晰包装箱设计要点。其次,分别从性能、结构、工艺三方面开展设计。基于复合材料设计特点,采用系统最优的设计思路进行增强材料、基体材料和芯材料的设计及选型,提出箱体设计方法。针对内装物长期存储问题,提出气密包装箱关键密封结构设计方法。基于低导热系数聚氨酯保温材料,进行包装箱保温结构设计,满足包装箱在恶劣自然环境下的保温要求。结合包装箱低成本设计要求,提出包装箱真空导流工艺技术路线。结果 包装箱承压能力可以达到20 kPa以上,可适应高温55℃、低温-50℃的使用环境,充气后72 h压降不大于10%,同时可以满足堆码、吊装及叉装工作要求。结论 该复合材料包装箱可以适应产品快速、高效保障的需求,有广阔的市场前景和推广价值。

CMDB/EPDM包覆界面脱粘性能研究

为了研究固体火箭发动机改性双基(CMDB)推进剂与三元乙丙(EPDM)包覆层界面的脱粘性能,通过双悬臂梁(DCB)试件和粘接件单轴拉伸试件对界面性能进行试验研究,获取了界面的内聚能和内聚强度。同时,引入双线性内聚力模型对界面层单元进行描述,建立了界面裂纹开裂扩展计算模型。模型仿真曲线与试验曲线一致性较好,表明所建内聚力模型能够反映界面力学特性。对试验与仿真过程中的裂纹面开裂扩展过程进行了比较分析,发现二者变化趋势基本一致,误差范围在12.5%以内,验证了界面模型在描述裂纹面扩展方面的可靠性。

EPDM薄膜橡胶包覆材料的粘-超弹本构模型研究

为了描述一种新型三元乙丙（EPDM）橡胶薄膜包覆材料的力学性能，进行了不同拉伸速率（0．1～5mm／s）下的单轴拉伸试验和多步松弛试验。研究了材料的应力-应变响应，建立了有限变形下的粘一超弹本构模型。模型由超弹与粘弹两部分组成：超弹部分基于多项式应变能函数推导获得，粘弹部分则采用Maxwell模型来描述。通过单轴拉伸试验和多步松弛试验分别获得粘弹参数和超弹参数。将所建模型预测结果与试验结果相对比。结果表明：模型能很好地描述材料在20％工程应变范围内的力学特性，预测结果与试验结果最大偏差仅为5．6％，验证了模型的可靠性。

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。

固体火箭发动机特性对空射滑翔式弹道飞行器性能影响分析

为研究空射滑翔式弹道飞行器固体火箭发动机特性对飞行器综合性能的影响,构建了基于序列二次优化法(SQP)的弹道优化模型,设计了多套不同推力形式、不同特性参数的固体火箭发动机方案。通过开展空射滑翔式弹道飞行器弹道仿真分析,获取了不同动力特性下的最优爬升攻角变化规律,对比分析了相关弹道特征指标。结果表明:采用长时间-小推力的推力形式,能够增加飞行器弹道顶点速度和射程能力;采用多脉冲或单室-双推力的推力形式,能够减小飞行器飞行动压,对降低飞行器承载及防热结构质量十分有利。

短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶(EPDM)包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺,主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,根据纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分:表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正,给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明,该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性,并将预测结果与实验数据对比,误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发,在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.

临近空间固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化

针对临近空间多级固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化问题,提出一种基于序列代理优化的高效设计方法。为了准确计算发动机的性能特性,对发动机进行了几何参数化建模,并针对复杂装药的燃面计算,提出了基于移动四面体的燃面计算算法。为了准确获得给定设计方案的最大航程,采用自适应Legendre-Gauss-Radau伪谱法进行计算。为了提高发动机与轨迹一体化设计优化效率,提出了基于Kriging代理模型的多采样点高效全局优化算法,并进行了数值验证。计算结果表明:该方法的优化结果满足全部设计约束,最大航程相比优化前提高了9.34%。该结果与传统参数优化算法的结果一致,但耗时目标和约束函数的计算次数显著减少,计算时间仅为遗传算法的4%。

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。

三元乙丙橡胶薄膜黏接界面温度相关性力学性能

采用双悬臂夹层梁(DCSB)试件对三元乙丙橡胶(EPDM)薄膜黏接界面Ⅰ型断裂的温度相关性进行了研究;采用线弹性断裂力学(LEFM)方法获取了黏接界面断裂能,将其与单轴拉伸所得内聚强度作为双线性内聚力模型(CZM)参数,对不同温度条件下双悬臂夹层梁试件的Ⅰ型断裂行为进行了数值仿真.结果表明:仿真与实验曲线偏差较大,偏差出现的原因主要是未经修正的线弹性断裂力学方法所求断裂能存在较大的误差,需对其进行修正.调整模型参数使仿真曲线与实验曲线重合,获取了黏接界面的准确力学性能参数,采用此参数得到的仿真结果与实验结果具有较高的吻合度,证明了模型的可适用性.