基于不可逆热力学的宏细观粘弹性损伤本构模型

为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,基于不可逆热力学和叠加原理,通过引入宏观损伤效应张量,推导出一个通过有效应力表征损伤的蠕变型损伤本构方程。假设材料为初始各向同性,进一步引入细观标量损伤效应函数表征材料对称性的改变,进而得到由细观损伤效应函数表征宏观损伤效应张量的一般表达式。通过选取合适的细观损伤效应函数,文中建立的本构方程可以用于表征材料的正交各向异性损伤、横观各向同性损伤和各向同性损伤。最后,基于Schapery粘弹性微裂纹扩展模型,选取相对微裂纹密度为损伤内变量,建立了一个由损伤热力学对偶力表征的幂律型损伤演化方程。数值结果表明,建立的模型能够较好地反映材料损伤的率相关性和温度依赖性,具有良好的预测精度。

二维粘弹性不可压分析在扩展有限元中的实现

在常规有限元中,基于单位分解的思想,引入反映裂纹面位移间断的阶跃函数和裂尖局部特性的渐进函数,对裂纹局部区域的节点自由度进行加强,进而将基于Herrmann泛函建立的二维粘弹性不可压有限元法推广至了扩展有限元模式。这样在粘弹性(近似)不可压材料的断裂分析中,裂纹独立于有限元网格既便于处理又能保证计算准确度。详细推导了相应的公式,并对含单边裂纹的粘弹性不可压平板进行了分析。结果表明,该方法能方便有效地模拟粘弹性(近似)不可压材料的断裂问题,具有一定的应用前景。

固体发动机中应力释放罩的结构功能

采用粘弹性不可压增量有限元法,研究了应力释放罩对固体发动机的结构完整性和内弹道性能的影响。结果表明,应力释放罩虽然在降推进剂内孔中段表面的应变强度方面作用有限,但是能够显著降低包覆层/推进剂界面的应力水平而利于保持发动机的结构完整性,同时也能够减缓推进剂端部的冲击变形而利于稳定发动机的内弹道性能。

固体发动机中轴对称界面端应力奇异性研究

从界面防护的角度出发,研究了温度载荷下固体发动机中弹性-粘弹性轴对称界面端的奇异应力场。依据对应原理,由弹性-弹性界面端的特征方程获得了弹性-粘弹性界面端的应力奇异性指数。根据应变匹配模型,推导了温度载荷下轴对称界面端中的常应力项。针对现有的应力释放罩/推进剂界面端,分析了材料参数和结合角对其应力奇异性指数的影响规律,在不改变装药量的前提下,提出了弱奇异性或无奇异性界面端的设计。结果表明,自由边呈平角时界面端至多存在-0.1的弱奇异性,界面端应力集中水平显著降低。

应力释放罩对固体发动机药柱结构完整性的影响

用有限元方法,分析了低温环境下应力释放罩的材料参数和结构参数对固体发动机药柱结构完整性的影响规律。结果表明,壳体/绝热层界面上存在由应力释放罩结构参数控制的驻点,界面应力与材料参数在驻点间呈交替的正负相关分布,调整结构和材料参数,可改善界面应力水平。内孔中段表面危险点的最大VonMises应变对应力释放罩材料和结构参数不敏感。

HTPB推进剂贮存老化建模及寿命预估研究综述

HTPB复合固体推进剂是火箭发动机的动力之源,其贮存寿命和性能优劣决定了火箭发动机的寿命和作战性能的发挥,因而研究HTPB复合固体推进剂的贮存老化模型及寿命预估具有重要的军事和经济意义。本文对复合固体推进剂贮存老化性能的研究方法进行了介绍,并综述了国内外贮存寿命老化建模的研究进展,针对推进剂实际贮存可能出现的问题对未来贮存寿命预估的发展趋势进行了预测。研究结果表明,现代仪器的运用可以弥补传统仪器在固体推进剂老化性能研究上的不足,但是还存在研究手段单一、测试方法存在误差、没有形成统一的系统等缺点;推进剂的老化过程比较复杂,结构完整性分析和老化试验相结合的方法可以对推进剂贮存性能和寿命预估进行系统性的研究,得到的结果更准确,可靠性更高。分段老化建模作为推进剂寿命预估研究的新方向,具有很大的发展空间。

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R>0.95,标准差R_(std)<0.015。

基于修正Arrhenius活化能方法的HTPB推进剂贮存寿命预估

对HTPB推进剂高温加速寿命试验的老化起点进行了修正,并将Arrhenius方程中活化能与温度的函数关系修正为多项式形式。通过2种HTPB推进剂老化试验数据的回归结果得到修正活化能方法的老化模型,外推出25℃下的贮存寿命分别为12.8 a和11 a,与常温外推试验数据相符,且误差小于传统Arrhenius方法。

有限元分段反演优化方法测试固体推进剂的泊松比

提出了一种通过准确测量载荷响应,利用ABAQUS有限元软件,对推进剂相应状态下的泊松比进行分段反演的测试方法。基于反演优化原理,建立了迭代模型和误差分析模型;测试了某型固体推进剂应力松弛下的泊松比,给出了测试过程和结果,分析了测量误差;利用时温等效原理,获得了泊松比变化主曲线;反演结果与光学非接触测量结果进行了对比,得到了反演误差,进一步验证了测试方法的有效性。

HTPB推进剂力学性能散布与确定变量相关性研究

针对复合固体推进剂力学性能存在散布的问题,通过方差分析试验,研究了松弛模量和泊松比的散布与确定变量之间的相关性。建立了力学性能散布的方差分析模型,分析了散布的变化规律,并对导致变化的原因进行了讨论。结果表明,松弛模量的散布受温度和载荷作用时间影响显著;泊松比的散布在不同的应变阶段差异较大,结构损伤的不确定性是导致泊松比散布变大的主要原因;玻璃化转变及结构失效会引起力学性能的很大散布。

基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的HTPB推进剂贮存寿命预估

针对Arrhenius方程将活化能假设与温度无关的常数,给HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂寿命预估引入了误差的问题,提出了基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的寿命预估方法。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,根据老化反应速率常数随温度的变化关系,建立了马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型,对常温条件下推进剂的老化反应速率常数进行了预测,并预估了HTPB推进剂在常温条件下的贮存寿命为11.74 a。

基于老化修正模型的HTPB推进剂寿命预估

针对Arrhenius方程在端羟基聚丁二烯(Hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)推进剂寿命预估方面的局限性,提出了一种老化修正模型。根据高温加速寿命试验数据,对模型参数进行了回归求解,外推出常温25℃条件下HTPB推进剂的贮存寿命为12.79年,与常温外推试验结果的相对误差为9.29%,且预估结果小于常温外推寿命,从安全性的角度上满足实际使用需求。与指数模型、对数模型和线性模型的相关性分析结果表明,老化修正模型的相关系数R>0.97,标准差Rstd<0.015,回归结果要优于常用的三种老化模型,该模型适用于HTPB推进剂贮存寿命的预估研究。

复合固体推进剂黏弹性微裂纹损伤本构模型

为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,在介观尺度上视其为微裂纹损伤,选取微裂纹密度为损伤内变量。在Abdel-Tawab本构方程的基础上,基于微裂纹均匀化理论,推导了损伤映射张量的一般形式。该张量通常具有非完全对称性,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于黏弹性动态裂纹扩展模型和裂纹扩展阻力曲线的概念,建立了损伤内变量的演化方程。该演化方程仅含4个物理意义明确的细观参数,并且参数的取值规律与宏观应力曲线的变化规律相一致。数值结果表明,建立的模型能够有效反映材料损伤的应变率、温度依赖性及各向异性特征,并且具有一定的蠕变损伤预测能力。

HTPB黏弹性微裂纹偏折扩展损伤本构模型

为建立端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂的损伤本构模型,采用宏细观相结合的方法,将其细观损伤机理视为初始微裂纹偏折扩展的过程。首先,基于微裂纹稀疏估计理论,推导了Abdel-Tawab宏观本构方程中损伤映射张量的一般形式,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载,映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于能量释放率和最大周向应力准则,分析了三维币形裂纹偏折扩展的情形,进一步采用两步等效法,将偏折扩展后的裂纹等效为币形裂纹。最后,基于Schapery裂纹模型,推导了微裂纹稳定扩展的速率方程。数值结果表明,建立的模型能够有效地反映材料损伤的应变率、温度依赖性和各向异性特征。