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。

防热复合材料湿热老化行为与贮存寿命研究

目的研究装备用防热复合材料在贮存条件下的性能变化规律和寿命评估。方法在90℃/90%RH、80℃/90%RH、70℃/90%RH和80℃/80%RH共4个试验条件下,对玻璃纤维增强酚醛树脂防热复合材料开展加速湿热老化试验,借助红外光谱分析、扫描电镜、导热系数和力学性能测试研究老化过程中材料的质量、导热系数、力学性能、化学组分、微观形貌的变化规律,使用Peck模型对材料的贮存寿命进行计算。结果材料在老化初期吸湿后,质量快速增加,吸湿趋于饱和后,质量达到最大值。随着老化时间的延长,材料的质量呈缓慢下降趋势。不同湿热条件下,材料的导热系数未出现性能退化现象,材料的拉伸强度均出现退化现象,老化温度越高,性能下降越明显。在90℃/90%RH条件下,老化时间为80d时,材料强度大约下降到初始性能的53.4%。湿热老化过程中,红外光谱中960cm^(‒1)处特征峰逐渐减弱,直至完全消失,1098cm^(‒1)处特征峰相对强度逐渐变强。湿热老化后,材料部分玻璃纤维与基体间界面有微裂纹产生,拉伸断裂后,大部分纤维从树脂基体中拔出,表面平整光滑,黏连树脂较少。结论防热复合材料的老化是由氧化反应的化学老化与湿热条件导致界面脱黏、基体开裂、微裂纹等物理老化综合作用的结果。防热复合材料在20℃/60%RH条件的贮存寿命为36.3a,满足实际构件的设计寿命。

超细HMX的微流体结晶调控及高通量制备

为了实现含能材料晶体微观结构的精确控制,提升超细含能材料的晶体品质和质量一致性,以HMX为研究对象,搭建微流体结晶平台,研究在微尺度条件下流体的流动特性,开展浓度、流量等反应参数条件对超细HMX晶体颗粒形态的影响研究,并进行了超细奥克托今(HMX)的批量制备探索。结果表明,与心型芯片相比,涡流型芯片具有更好的传质效果和更薄的边界层效应,更适合于脆性晶体的制备。DMSO作为溶剂时,HMX晶体具有较好的形貌,大小均一,球形度高;当流量比R分别为1、5、10时,HMX的平均粒径分别为8.86、4.14和0.86μm,随着R增大,HMX的粒径逐渐变小,粒径分布变窄;通过改变工艺参数,微流体结晶可实现不同形貌、粒径超细HMX的可控制备;利用多层组合与并联分流的方式,实现了超细HMX的高通量制备,该方法不仅混合效率差异小、产品处理量大且设备整体能耗低,可为高品质窄粒径范围微纳米含能材料的高通量制备提供思路。

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。

基于力信号的砂轮磨削状态在线监测研究

磨削过程监控是实现磨削加工智能化与保证制造质量的关键.磨削力是磨削加工过程中一个重要的伴随信号特征,它直接跟砂轮磨损程度、磨削热、砂轮与工件接触状态等事件之间有着密切联系.为了提升微晶刚玉砂轮磨削齿轮工艺的精密化、自动化与智能化水平,开展砂轮磨削状态在线监测与砂轮磨损机制研究,建立磨削力时频两域信号与砂轮–工件接触状态、砂轮磨损程度事件之间的内在关联,提出一种基于实时力信号的砂轮磨削状态的在线监测新方法.同时,采用激光共聚焦显微镜与扫描电镜表征分析了微晶刚玉砂轮形貌蕴含的磨损机理.研究表明,磨削力时域波谱的峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标等波形特征指标分布规律呈现为变切深磨削状态≥显著磨损砂轮的稳态磨削状态≥轻度磨损砂轮的稳态磨削状态>未接触状态的鲜明态势.然而,磨削力幅频谱的峭度、脉冲指标两项波形特征值在不同磨削状态下的变化规律却与时域信号截然相反.砂轮工作表面三维粗糙度随磨损演变呈现出先略微减小后增大的变化规律,而微晶刚玉磨粒的聚微晶结构使其拥有沿微晶界面呈现逐层解理剥落的更新自锐能力.

2219铝合金TIG焊缝激光冲击强化与腐蚀性能研究

目的 改善2219铝合金钨极氩弧焊焊缝的耐腐蚀性能。方法 采用激光冲击技术对焊缝进行强化处理,比较分析处理前后的表面残余应力、物相组成和元素状态,通过静态浸泡失重法和电化学试验测量腐蚀速率的变化。结果 经过激光冲击强化处理后,2219铝合金焊缝部位的元素状态没有改变,但焊缝区域的残余拉应力变为残余压应力。2219铝合金钨极氩弧焊接区域的自腐蚀电位明显下降,相比未经激光冲击处理的试件,焊核区和焊接过渡区的平均腐蚀电流分别减小了14%和12.7%,腐蚀速率分别减小了16.9%和12.9%。结论 激光冲击强化可以有效提升2219铝合金钨极氩弧焊焊缝区域的耐腐蚀性能,可以为提升特种装备安全性和轻量化提供技术参考。

固体火箭发动机装药状态监测研究进展

固体火箭发动机的健康状况在很大程度上取决于装药的实时状态,因此对装药状态进行监测是确保固体发动机结构完整性和使用可靠性的重要基础。本文从环境状态监测、化学状态监测、力学状态监测以及监测数据综合应用4个方面综述了相关的研究进展,指出了装药状态监测的必要性,多方面总结了装药状态监测取得的研究成果与存在的不足,并针对监测技术手段及监测数据应用等方面提出了发展构想。分析认为,监测技术应聚焦在嵌入式传感器相容性技术、新理念传感技术以及长寿命技术等方面,监测数据应用方面应大力建设数据库、诊断和预测健康管理系统,以期借助有限元模型更新方法推动固体火箭发动机全寿命数字孪生技术的发展。

痕量甲基肼标准气体的研制及其不确定度评定

基于渗透法原理,建立了痕量甲基肼标准气体的发生方法和不确定度评定模型。采用预先测定过的高纯度甲基肼为原料,通过自动称量定值的方式制备了符合拟定标准气体渗透率要求的渗透管,采用载有渗透管的多功能气体校准装置实现了标准气体的发生。使用GUM法对渗透管渗透率的不确定度进行了评定,并采用MCM法对甲基肼标准气体的量值不确定度进行了评估。相对扩展不确定度小于5%,表明该标准物质在甲基肼气体检测仪的校准与性能评价方面具有实用价值。

高频空化冲击作用下HTPB固体推进剂的细观损伤机制

为研究高频空化冲击作用下的HTPB复合固体推进剂热力耦合行为及细观损伤机制,提出一种考虑颗粒/基体间实际界面相的三维全级配HTPB固体推进剂细观模型构筑方法,区别于在颗粒/基体界面间嵌入虚拟内聚力界面单元的传统细观模型,进一步建立起空化微射流冲击作用下的固体推进剂热力耦合细观力学模型,分析了细观尺度上的固体推进剂破碎规律、损伤行为、局部应力应变和温度分布情况。结果表明,空化微射流作用在AP颗粒上后,导致AP颗粒直接破裂,随着冲击程度的增加,AP颗粒与HTPB基体间界面层受到冲击作用而破裂;固体推进剂在空化微射流冲击后的最大应力值为34.27MPa、应变值为1.314;应力波传递过程由于受到AP颗粒、Al颗粒和界面相的阻碍作用而发生传递路径的改变;空化冲击固体推进剂过程的最大温度值由于断裂能、内能和摩擦能的逐渐累积而呈现出逐步增长的变化特征,且最大温度值为24.59℃,在距离空化微射流较远位置的固体推进剂由于传热系数较低而无明显温升。

公路运输过程中固体火箭发动机药柱的累积损伤评估方法

对公路运输过程中固体火箭发动机药柱的累积损伤进行研究,开展了丁羟(HTPB)推进剂定应力往复拉伸试验,对其疲劳特性曲线进行了拟合和分析;通过处理装备运输试验的功率谱密度数据得到了公路运输过程中HTPB推进剂药柱振动加速度载荷谱,建立了固体火箭发动机三维有限元计算模型,对药柱的应力响应进行仿真计算,通过雨流计数法统计得到循环载荷情况;基于Miner线性累积损伤模型,对公路运输过程中HTPB推进剂药柱进行累积损伤计算与评估。结果表明,在运输过程中,HTPB推进剂药柱的最大应力为0.021 MPa,最大应变为0.031,最大位移为19.320 mm,均处在前人工脱粘层部位;经4000 km公路运输后,HTPB推进剂药柱前人工脱粘层根部处损伤最大,损伤为0.080;药柱内孔处损伤最小,损伤为0.044。

基于微纳结构设计的电磁性能调控研究进展

吸波材料通过吸收电磁波能量,减少或消除电磁波的反射,从而有效降低电磁波的干扰。材料的电磁参数决定其电磁波吸收性能,调整填充比例、改变宏观形态以及复合方式等传统的调控策略存在一定局限性,无法根本改变电磁参数,阻碍了吸波材料的进一步发展。微纳结构设计策略可以改变材料的电导率、电荷密度以及磁性等理化性质,进而根本性改变材料的电磁参数,在调控电磁波吸收能力上展现出巨大优势。由于精确设计微纳结构材料难度较大且批量生产较为困难,其发展受到限制。此外,确定微纳结构与电磁波响应和损失机制之间的结构-性质理论关系仍然是一个重大的挑战。基于此,本文分析了微纳结构与电磁性能的构效关系,阐明了微纳结构设计策略在调控电磁波吸收能力方面的绝对优势,并且梳理了元素掺杂设计、表面效应调控以及成核生长控制等微纳结构改变对电磁响应机制和损耗机制的影响,为研究者们提供了基于微纳结构调控电磁性能的策略和理论指导。最后,以量子点、纳米晶以及纳米线等典型微纳米材料作为范例,综述了其调控电磁参数的策略、优势以及在电磁波吸波领域的研究现状与应用前景,为微纳米材料在电磁波吸波领域的发展提供了理论基础和策略支撑。

HTPB推进剂/衬层单轴拉伸及损伤特性试验研究

为研究单轴拉伸过程中固体发动机矩形粘接试件在不同尺寸开口裂纹和加载速率下的力学行为,以及粘接界面在脱粘情况下推进剂/衬层/绝热层细观损伤特性,对端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层矩形粘接试件进行了开口裂纹尺寸15、20、25、35 mm,加载速率3.85、77.14、385.71 mm/min的单轴拉伸试验,分析了矩形粘接试件单轴拉伸的力学性能变化规律,并推导计算了最大抗拉强度以及界面能的变化情况,利用微CT分析了开口裂纹20 mm、77.14 mm/min条件下试件断裂端面细观形貌和内部孔隙特征。结果表明,单轴拉伸情况下矩形试件的力学性能和加载速率有关,开口裂纹尺寸20 mm,加载速率385.71 mm/min加载条件下最大抗拉强度为1.46 MPa,界面粘接能达到17.66 J。推进剂侧断面主要表现为明显的大孔洞,衬层/绝热层一侧断面有明显的空穴、孔隙和颗粒存在。在拉伸过程中推进剂损伤主要表现为颗粒基体脱湿和孔隙汇集,衬层/绝热层,损伤主要表现为大面积的基体撕裂。

透视/遮阳/控温/红外隐身多功能集成序构薄膜研究

为了解决光学材料多功能耦合与集成的光谱诉求及其材料设计冲突难题,本文提出一种基于[TiAlN/Ag]^(2)/TiAlN序构复合薄膜开展可见光透射诱导与红外辐射抑制的协同设计方法,诠释序构薄膜材料多功能耦合的新原理与新机制,并对其光学兼容性能测试表征。研究表明,构筑的[TiAlN(厚度为30 nm)/Ag(厚度为15 nm)]^(2)/TiAlN(厚度为30 nm)序构复合薄膜具备带通状选择性透射与中远红外低辐射的光学特性,可较好实现透视、遮阳、低辐射控温与红外隐身多功能兼容效果,在军用车辆、绿色建筑等特种玻璃的辐射控温与红外隐身领域有应用潜力。

序贯载荷下考虑泊松比的药柱结构完整性分析

为研究序贯载荷下固体推进剂泊松比变化对药柱结构的影响规律,基于线黏弹性本构方程,选取了固体火箭发动机的固化降温、立式贮存和低温点火三种典型载荷,分别进行单一载荷和序贯载荷下考虑泊松比取值变化的药柱结构完整性分析。结果表明:与单一载荷相比,序贯载荷下药柱的结构响应较为显著;序贯载荷下药柱泊松比不变时,随着工况1~6组的泊松比不断增大,固化降温和立式贮存的药柱应变也随之增大,低温点火时药柱应变随之减小,泊松比为0.497 0可满足安全性要求;序贯载荷下药柱泊松比改变时,泊松比取值较大(0.499 5、0.499 6)对固化降温和立式贮存的药柱应变影响较小,而对低温点火的药柱应变影响较大,固化降温和立式贮存时取泊松比均为0.495 0、低温点火时取0.499 5可满足安全性要求;分别计算了单一载荷和序贯载荷下随泊松比取值变化的药柱结构安全系数,前者均满足结构完整性要求,后者部分满足结构完整性要求,表明序贯载荷下得到的安全系数比较保守。

数据驱动的闭环控制系统剩余寿命预测方法综述

随着先进传感与监测技术的快速发展,数据驱动的设备剩余寿命(RUL)预测技术已成为可靠性和自动化领域的研究前沿,并在设备运维决策中得到广泛应用,提高了设备运行的安全性、可靠性与经济性。关于数据驱动的设备剩余寿命预测方法,多数文献主要聚焦于部件级剩余寿命预测技术,并没有关注闭环控制系统剩余寿命预测技术。不同于部件级的预测,利用数据驱动的方法预测闭环控制系统剩余寿命,需要考虑控制器及反馈控制机制对系统性能退化及剩余寿命预测结果的影响。本文系统综述了数据驱动的闭环控制系统剩余寿命预测及基于预测信息的延寿控制方法的发展动态,剖析了基于Poisson过程的方法、基于Gamma过程的方法、基于Wiener过程的方法和基于混合模型方法的原理、特点与局限性。同时,对于未来数据驱动的闭环控制系统剩余寿命预测及延寿控制,在健康状态表征与综合健康指标构建、多退化部件系统剩余寿命预测及基于预测信息的延寿控制理论和验证应用等方向进行了展望。

固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面,对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述,分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战,指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术,以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。

高活性铝粉助剂法燃烧热测量不确定度的蒙特卡罗法评定

针对高活性铝粉燃烧不完全问题,采用助剂法对高活性铝粉进行燃烧热值有效准确测量,并运用蒙特卡罗法(MCM)对影响燃烧热值测量不确定度的来源进行分析,通过最大信息熵原理确定相关输入量的分布函数,依据测量模型进行不确定度的传递及输出,讨论了模拟次数M对计算结果的影响。结果表明,该方法高活性铝粉燃烧充分,燃烧效率高,测试效果好。当M=100000时,助剂法测试燃烧热的测量结果表示为(28016±570)J/g,相对不确定度为1.0%;随着模拟次数M的增加,计算结果的平均值与标准偏差越接近理论计算值;较之GUM法,MCM法可避免对测量模型求导,计算过程简洁易行,更适应于含能材料非线性复杂测量模型的不确定度评价。

复合固体推进剂强度、损伤与断裂失效研究进展

从强度、损伤、断裂和跨尺度分析4个方面综述了复合固体推进剂失效的研究进展及发展方向,指出现有的强度特性研究载荷相对简单且参数确定方法不统一,多因素耦合影响下的强度失效准则研究不足;缺乏复杂应力动态加载下的细观结构全场实时分析手段,损伤失效判据不够精准;复合固体推进剂断裂力学行为研究的实验标准尚未建立,对动态加载下复合型裂纹尖端损伤形貌的分析表征不够充分,传统的断裂判据的适用性有待进一步验证;固体火箭发动机药柱结构失效破坏的跨尺度研究尚处于初步探索阶段,损伤跨尺度非线性演化机理、冲击载荷下的跨尺度突变机理以及损伤演化的随机性成为跨尺度研究的重点。最后对复合固体推进剂失效破坏的研究方向与发展趋势进行了展望,认为完善实验标准与动态多尺度观测技术、构建固体推进剂损伤失效全过程演化模型、建立考虑黏弹特性和内部损伤的复合型裂纹断裂判据、依据细观破坏机制建立考虑损伤-断裂-强度耦合作用的失效破坏模型是下一步研究的方向。附参考文献188篇。

超材料吸波体及其3D打印制造研究进展

超材料吸波体由于其独特的电磁特性和较强的结构设计性等优点,成为电磁吸波领域的研究热点。而3D打印技术能够突破传统制造方式的缺陷,极大地提高设计自由度,因此利用其制备超材料能够实现结构与功能的一体化,逐渐成为超材料吸波体领域的重要发展方向。本文阐述了基于等效介质理论的超材料吸波体吸波机理,介绍了超材料吸波体在宽频吸波、极化和角度不敏感、动态可调性等方面的研究现状,进而归纳了3D打印超材料吸波体的研究进展以及现阶段3D打印超材料吸波体研究中存在的问题,并从吸波性能、结构设计、应用发展三个角度对3D打印超材料吸波体的未来发展进行了展望。

城市典型地下人防工程外爆性能评估研究进展

“平战结合”背景下城市地下人防工程抗爆防爆需求激增。对城市典型地下人防工程的分类、外爆作用机制和抗爆性能评估三个方面开展综述工作,探讨新时期“平战结合”背景下城市地下人防工程的分类,阐述了城市地下人防工程的外爆作用机制,汇总中外城市地下人防工程外爆性能评估的理论方法、模型试验及数值仿真的成果和不足,并进行展望。分析认为,性能评估的重点是复杂外爆打击环境下的精细化多尺度数值模拟及场地爆炸试验;未来可进一步探索包含隔振、新材料等技术的地下人防结构抗爆新技术,并建立典型地下人防工程抗标准化爆性评估方法,研究成果为推动城市地下人防工程抗爆防爆研究提供一定参考。