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复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

1 引言端羟基聚丁二烯复合固体推进剂(HTPB)作为高填充比颗粒增强粘弹性复合材料,颗粒与粘合剂基体界面的脱湿微裂纹损伤是影响固体火箭发动机结构完整性的重要因素。本文主要研究了该推进剂在单轴定速拉伸条件下的粘弹损伤本构模型。根据线弹性断裂理论的复合型断裂判据,在Taylor模型的假定下,建立了包含初始微裂纹尺寸分布效应的损伤发展方程,进而构造了体现推进剂细观结构演化特点的粘弹性本构方程组。通过松弛试验确定推进剂无损伤发展的松弛模量,拟事成便于计算的prony级数形式。通过单向定速拉伸试验确定有关的材料参数并验证所建立的本构模型。2 含有微裂纹弹性体的损伤发展方程2.1 微裂纹损伤引起的柔度张量增量对于分布有微裂纹的弹性体,单个任意取向圆盘型裂纹在复杂应力状态下引起的柔度增量[1]:S(k)ijkla,,φ,σ0ij=πa33VA′lsR′nkR′slR′li·nj+R′ij·niβmCm(1)β′m=1+fσ′nτ′nsgn(...  (本文共5页) 阅读全文>>

国防科学技术大学
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复合固体推进剂粘弹损伤本构模型的细观力学研究

建立正确有效的复合固体推进剂本构模型是固体火箭发动机结构完整性分析的重要基础,是准确预估固体导弹寿命的关键技术。本文从推进剂的组分和细观结构演化特征出发,以细观损伤力学和不可逆热力学为基础,建立了考虑颗粒增强和界面脱湿损伤的粘弹性本构模型,并进行了实验验证。全文的工作主要包括以下几个方面:1.基于不可逆热力学的内变量理论,针对以粘弹性变形为主要特征的高分子聚合物材料,建立了复合固体推进剂基体的广义粘弹本构方程。2.应用细观力学的等效夹杂理论,详细研究了弹性硬颗粒填充对粘弹基体的增强效应。首次从推进剂各组分性能出发建立了反映颗粒填充状况和基体粘弹性能的本构方程。该方程具有由颗粒增强因子与基体粘弹本构方程相乘的简洁表达式,不仅物理意义明确,而且便于工程应用。与试验结果比较表明,该模型在未发生明显损伤的变形范围内是正确有效的。3.研究了颗粒填充引发微裂纹萌生的损伤机制及其影响因素。通过有限元模型计算了颗粒引起应力分布的变化趋势,结合微...  (本文共119页) 本文目录 | 阅读全文>>

南京理工大学
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复合固体推进剂细观损伤及其数值仿真研究

复合固体推进剂是一种高固体颗粒填充比的含能复合材料,其宏观力学行为强烈依赖于细观结构,在外载作用下微裂纹、微孔洞的扩展及局部很高的应力应变等,都可能使界面粘接的细观结构破坏,从而导致颗粒/基体的界面脱湿,进而影响到宏观力学性能。本文系统地开展了复合推进剂细观损伤实验及其力学行为数值仿真方法研究,主要包括以下内容:(1)复合推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性试验研究。利用单轴拉伸试验和CCD显微分析的方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程,分析了颗粒的界面脱湿形貌与应力-应变曲线的相关性,并探讨颗粒脱湿与应变率和泊松比之间的相关性。从脱湿形貌的角度出发,分析了应力应变规律及泊松比变化的内在原因。(2)建立复合固体推进剂细观结构模型。分析了复合推进剂的颗粒几何模型及细观结构特征,运用RSA顺序随机算法,编程建立了能够有效反映复合推进剂内部构型的二维、三维细观结构模型。针对颗粒/基体界面特性的研究建立胞元模型,并阐述了复合推进...  (本文共91页) 本文目录 | 阅读全文>>

南京理工大学
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复合推进剂热粘弹性本构模型实验及数值仿真研究

为满足固体火箭武器系统远程化的作战性能要求,发动机装药设计正向着大长径、大模数以及高装填密度的方向发展,导致发动机面临日益加剧的装药结构完整性问题。同时由于推进剂材料具有高度的非线性粘弹性力学特性,现有的线性粘弹性理论和数值仿真技术已不满足当前的工程应用问题。因此,需要针对这类推进剂材料的宏观力学行为,建立相应的本构模型及数值计算方法,为固体火箭发动机的装药设计提供参考。全文的主要工作包括以下内容:(1)针对目前获取粘弹性材料松弛模量精度较低的缺点,根据静态拉伸松弛实验和线性粘弹性理论提出了一种松弛模量参数的获取方法——基于Prony级数的数据拟合法,该方法具有数据处理方便以及精确度较高的特点,并通过等速拉伸实验和松弛实验得到验证;在此基础上,根据时温等效原理定义折算时间为时温等效因aT和零时间t0=t0(T)的函数,从而改进了材料变温松弛模量的获取方法,通过实验验证后发现改进方法的精度有明显提高。(2)建立了不同应变水平下的应...  (本文共150页) 本文目录 | 阅读全文>>

《复合材料学报》2018年05期
复合材料学报

复合固体推进剂黏弹性微裂纹损伤本构模型

引用格式:顾志旭,郑坚,彭威,等.复合固体推进剂黏弹性微裂纹损伤本构模型[J].复合材料学报,2018,35(5):1203-1210.GU Zhixu,ZHENG Jian,PENG Wei,et al.A viscoelastic constitutive model of solid composite propellants with micro-crackingdamage[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2018,35(5):1203-1210(in Chinese).端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂是一种高填充比的颗粒增强聚合物基复合材料,其宏观力学行为不仅取决于材料的组分,而且依赖于组分之间的细观结构[1-2]。当加载应力较小时,材料表现出基体的黏弹性特征,而当应力较高时,受颗粒“脱湿”以及基体内微裂纹和空洞等微损伤的影响,材料又表现出非线性的特征。为了描述材料的黏弹性损伤行...  (本文共8页) 阅读全文>>

《推进技术》2016年10期
推进技术

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

1引言早期对复合固体推进剂力学性能的研究,主要基于连续介质力学,不考虑材料的内部细观结构变化,通过大量的固体推进剂力学性能试验确定固体推进剂的非线性本构关系[1~3]。随着对固体推进剂力学性能研究的深入,微裂纹和损伤的影响逐渐引起了许多学者的重视。根据固体推进剂在拉伸载荷下的体积膨胀现象及体积膨胀和材料损伤之间的关系,引进一些数学函数来描述固体推进剂的损伤[4~6]。近些年来,随着计算机性能的大幅度提高,计算细观力学得到了迅速发展。Matous通过建立反映固体推进剂微结构形态的颗粒夹杂模型,并在颗粒与基体之间设置Cohesive损伤模型模拟了固体颗粒和基体之间损伤的产生及发展[7,8]。国内一些学者采用有限元法对复合固体推进剂进行了直接数值模拟,根据数值仿真结果,结合细观力学方法,如:Mori-Tanaka方法或改进的Mori-Tanaka方法,研究了固体推进剂的模量、界面脱粘对固体推进剂力学性能的影响等[9~11]。Cohes...  (本文共7页) 阅读全文>>

《固体火箭技术》2017年02期
固体火箭技术

复合固体推进剂双折线脱湿损伤模型参数影响分析

0引言复合固体推进剂是一种多相体(基体、增强相、界面相等)复合材料。该类型推进剂具有较良好的力学性能,燃烧稳定。因此,在导弹和宇航火箭发动机中被广泛应用。复合固体推进剂的力学性能和损伤破坏规律受增强相的体积分数及组分材料性质影响较大,但同时也取决于其细观结构特征,这些特征包括增强相的分布规律、形状以及界面相的性质等。早期对复合固体推进剂力学性能的研究,主要基于连续介质力学,不考虑材料的内部细观结构变化,通过大量的固体推进剂力学性能试验确定固体推进剂的非线性本构关系[1-3]。随着对固体推进剂力学性能研究的深入,微裂纹和损伤的影响逐渐引起了许多学者的重视。根据固体推进剂在拉伸载荷下的体积膨胀现象及体积膨胀和材料损伤之间的关系,引进一些数学函数来描述固体推进剂的损伤[4-6]。近年来,随着计算机性能的大幅度提高,计算细观力学得到了迅速发展。Matous等[7-8]利用他们的自主开发软件Rocpack生成了固体推进剂颗粒夹杂模型,并在...  (本文共7页) 阅读全文>>