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。

复合固体推进剂脱湿模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理。运用弹性 -粘弹性对应性原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型 ,利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程 ,并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式。计算结果表明 ,颗粒的体积分数。

复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征

复合固体推进剂脱湿涉及导弹武器的贮存和使用情况。针对复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征开展研究。首先为研究复合固体推进剂在外界载荷作用下的细观损伤演化规律,基于随机序列吸附法、热膨胀原理和分步填充的思想,实现了高体积分数颗粒填充,并通过几何合并的方式,加入粘合剂基体和颗粒/基体界面,建立了高体积分数固体推进剂三维细观结构模型。该细观几何模型将固体氧化剂(AP)颗粒与羟基封端的聚丁二烯(HTPB)粘合剂基体的连接界面处设定为内聚力单元,基于双线性损伤内聚力模型,考虑粘合剂基体与时间相关的粘弹特性,开展了不同应变率下固体推进剂的颗粒/基体界面脱湿数值模拟。提取内聚力界面单元高斯积分点的几何体积和刚度衰减率SDEG数据,定义固体推进剂材料内部脱湿面积,对其细观损伤进行了定量表征。结果表明,该三维细观结构模型能有效表征固体推进剂的细观结构。在外界载荷作用下,颗粒/基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域,界面损伤导致颗粒承载能力下降,且应变率越高,推进剂内部越容易出现损伤。

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。

固体推进剂用新型Schiff碱类高效键合剂的合成及性能表征

为提高丁羟四组元推进剂和CL-20/GAP推进剂的力学性能,解决新的推进剂填料基体界面“脱湿”问题,设计合成了新型Schiff碱键合剂;采用傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜及万能材料拉伸机等对键合剂的键合效果和推进剂的力学性能进行了表征。结果表明,合成的新型Schiff碱键合剂包含键合剂必备官能团且在AP表面存在明显键合,新型Schiff碱键合剂有望取代有毒MAPO,可明显提高丁羟四组元推进剂的力学性能,使丁羟四组元推进剂常温拉伸强度达到0.7 MPa,常温延伸率大于55%,高温延伸率大于50%,低温延伸率大于60%,并可以明显改善丁羟四组元推进剂的工艺性能;在CL-20/GAP推进剂中,新型Schiff碱键合剂可同时提高推进剂的拉伸强度和延伸率。

基于能量守恒的HTPB推进剂非线性本构关系

为描述HTPB推进剂中增强粒子的脱湿引起本构关系非线性响应行为,建立了由粒子、空泡与基体组成的三相物理模型,给出了在单向拉伸载荷作用下确定本构关系的算法。依据热力学能量守恒定律,确定了临界脱湿应变方程。利用细观力学Mori-Tanaka方法,确定了临界应变方程需要的宏观有效模量。针对增强粒子满足对数正态分布的HTPB推进剂进行了数值模拟。结果表明,HT PB本构关系由两个阶段组成,初始的线弹性阶段与开始发生脱湿后的非线性阶段。体积膨胀应变随空泡体积分数的增大而增大,而宏观有效模量随空泡体积分数的增大而减小。针对一般复合固体推进剂,该本构关系的形式较为简单,适合应用于工程中。

基于能量守恒的复合固体推进剂粘弹性本构关系

为了定量分析界面脱湿对复合固体推进剂粘弹性力学性能的影响,依据能量守恒定律,确定了临界脱湿应变方程。利用细观力学理论确定了复合固体推进剂的退化宏观有效模量。在单轴拉伸载荷作用下,利用三参数Poything模型确立了复合固体推进剂的粘弹性本构关系。针对粒子呈现对数正态分布的复合固体推进剂,采用Fortran语言完成了数值模拟。结果表明,单峰或双峰分布的计算拉伸曲线与实验数据吻合较好。只要给定了界面参数,这个算法可为预估推进剂在大应变载荷下的粘弹性力学性能提供一种简单有效的工具。

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。

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征,基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术,对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征,获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征,提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明:同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征,可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现,NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种,一种为颗粒内的孔洞,一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙:在拉伸载荷较小时,推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙;在拉伸载荷较大时,除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿,大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合,最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明,孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加,而球度变化与初始缺陷相关,有初始缺陷时,球度呈现单调减少的趋势,相反则呈现先增加后减少的变化趋势。

细观结构参量对推进剂力学性能影响的数值研究

为了更好地理解并预测复合固体推进剂组分、界面对其宏观力学性能的影响,在细观层次上建立了考虑界面和颗粒形貌的代表性体积单元(Representative volume elements,RVE)计算模型,通过引入内聚力模型(Cohesive zone model,CZM)研究了界面刚度、强度及最大失效位移对推进剂力学性能的影响,并对比分析了颗粒形貌与界面对其力学性能的贡献。研究结果表明:界面刚度为0.004~400 MPa/mm时,推进剂初始模量从0.67 MPa提升到3.67 MPa;界面强度从0.05 MPa提高至30 MPa时,推进剂拉伸强度从0.15 MPa提高到了0.76 MPa,即界面刚度增加对推进剂初始模量的提高有限,而界面强度对其拉伸强度的提高非常显著;然而,较高的界面强度可能导致细观结构出现“损伤局部化”,从而降低延伸率。相对于界面对推进剂实际力学性能的提升,颗粒级配、形状的作用显得较小,说明界面是决定推进剂拉伸性能的主要因素之一。最后基于以上分析结果,对另一种推进剂在不同应力下的蠕变性能进行了预测,发现蠕变断裂时间的对数与恒定应力满足线性关系。