复合固体推进剂动态断裂研究

用轻气炮驱动飞片技术对复合推进剂进行了动态压缩和层裂实验，选用有机硅橡胶衬底材料，利用压阻计测得了复合推进剂中的层裂信号，结果表明，复合的推进剂在动态压缩条件下主要表现为固体颗粒高氯酸铵的破碎，即首先在固体颗粒中产生微裂纹，在动加载下呈脆性断裂性质，测得的层裂压力曲线与典型的层裂信号明显不同，同时，采用细观分析方法得到了一个描述固体推进剂断裂的简化脆性损伤模型，并利用本模拟了层裂过程，计算结果与     

国产HTPB复合固体推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂性能实验研究

采用WDN-10KN材料实验机对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB复合固体推进剂进行了拉伸速率为2mm.min-1的单轴拉伸试验,用摄像机记录了推进剂裂纹扩展至断裂的整个过程。得到了六种不同裂纹倾斜角下的力-变形曲线及裂纹扩展开裂角和断裂载荷。与T断裂准则、S断裂准则和σθ断裂准则进行比较,结果表明推进剂裂纹扩展开裂角与T断裂准则的数值计算结果较为接近,说明可以借助于T断裂准则对推进剂裂纹扩展的初始开裂角进行初步的理论预测。     

复合固体推进剂热分解特性对其断裂性能的影响

研究了ＡＰ／ＨＴＰＢ复合固体推进剂热分解性能对贮存老化期间增长断裂能初始变化率的影响。试验表明，这种变化率与推进剂的起始分解温度、高温分解峰温以及高低温分解活化能成反林，与高低温分解反应速度常数成正比。这些相应关系的线性回归精度均在０．９８以上。     

双基固体推进剂裂纹开裂方向的研究

用粘弹性断裂力学的方法分析了三维板状试样固体推进刺材料的裂纹扩展特性,建立了三维固体推进剂材料的有限元模型,用最大能量释放率准则模拟了试样承受单向拉伸载荷时的裂纹扩展方向.在数值模拟中考虑了材料非线性及裂尖单元奇异性.通过有限元分析,得出了固体推进剂单向拉伸时裂纹扩展方向.结果表明,裂纹在与初始预制裂纹面成约20°～30°的角度方向传播,计算结果与试验结果吻合较好.     

HTPB推进剂温度相关性失效准则

为建立考虑温度及应变率效应的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂失效准则,通过不同温度下的HTPB推进剂应力松弛实验(233.15,253.15,273.15,293.15,323.15,343.15 K)得到了HTPB推进剂的时温等效因子,基于累积损伤理论和线性粘弹性理论,建立了含时温等效因子αT的推进剂失效准则,结合不同温度、不同速率下的单轴拉伸实验数据获取了失效准则损伤参数。利用该失效准则预测了不同温度和拉伸速度下推进剂材料的损伤演化特性和临界失效时间,与实验结果对比分析发现,失效准则预测相对误差低于20%,表明该失效准则能在低温233.15~273.15 K,拉伸速度2~500 mm·min~(-1)和高温293.15~343.15 K,拉伸速度0.5~100 mm·min~(-1)的条件下预测HTPB推进剂的失效情况。     

HTPB和NEPE固体推进剂枪击低易损性实验研究

为了解HTPB和NEPE固体火箭发动机的冲击安全性,设计了模拟实验发动机,对不同的壳体材料、推进剂和沿受冲击方向的厚度开展了枪击低易损性试验研究.结果表明,两种推进剂在钢壳体条件下的低易损性能均较差;冲击导致的装药破碎情况与推进剂的力学性能有关;装药沿受冲击方向的厚度对着火后的燃烧强度影响较大.研究结果为使用该类推进剂的发动机枪击低易损性评估和设计提供了实验依据.     

高低温循环下HTPB推进剂力学性能规律研究

为了获得高低温循环下HTPB推进剂的力学性能变化情况,通过高低温循环实验(又称温度渐变实验)和单向拉伸实验,对HTPB推进剂高低温循环力学性能规律进行了研究.实验结果表明:高低温循环下HTPB推进剂的最大抗拉强度和最大延伸率都随着循环周期数的增加而降低,这与热氧老化下的力学性能变化规律不同.最后,运用灰色理论预测了该实验条件下HTPB推进剂失效时的高低温循环周期数.     

含纳米金属粉AP/HTPB复合固体推进剂的激光点火特性

采用CO2激光(波长10.6μm)点火法,研究了微米Al粉、纳米Al粉、纳米Ti粉及含金属粉的AP/HTPB复合固体推进剂在不同激光功率密度条件下的点火特性,探讨了Al粉粒径对其点火性能的影响和金属粉对AP/HTPB复合固体推进剂点火的影响规律。结果表明,在激光功率密度为77.6~365.1 W·cm-2条件下,Al粉的点火延迟时间随着激光功率密度增加逐渐减小;Al粉粒径越小,其点火延迟时间越短(tJal-50tN-AltJal-150tJal-200t5μm),点火能量越小(EJal-50EN-AlEJal-150EJal-200E5μm)。相同激光功率密度条件下,150 nm Ti粉的点火延迟时间和点火能量明显要小于150 nm Al粉,且两者的点火过程差异较大。含金属粉的AP/HTPB复合固体推进剂点火延迟时间顺序为tRX-0tHT-5AtHT-1AtHT-4AtHT-3T,点火能量顺序为ERX-0EHT-5AEHT-1AEHT-4AEHT-3T,与相应金属粉的点火延迟时间顺序一致(t5μmtJal-200tN-AltJal-50tTi-150),且点火均首先发生在样品表面。     

动态加载下HTPB复合固体推进剂双轴压缩试验件设计

为研究固体推进剂的动态双轴压缩力学性能,需确定与试验机、试验夹具相适配且满足双轴变形特性要求的推进剂试验件最优构型.基于有限元数值仿真计算,获得了双轴压缩加载下八种不同构型的三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂试验件变形的应力云图,并通过开展动态加载下对应推进剂试验件的力学性能试验对最优构型进行了验证.结果表明:小变形条件下(应变10％以内)所有试验件的应力云图均呈现整体均匀分布的特性,但长宽比大于1的试验件变形时不再满足平面应力状态的要求.选取平面应力平均值、平面应力离散度、整体应力稳定系数和应力集中系数作为推进剂试验件构型优化指标,对比分析得出边长为25 mm的正方体推进剂试验件为最优构型.最后,通过分析动态加载下双轴压缩试验获得的应力-应变曲线特性,验证了最优试验件构型设计的有效性.     

HTPB固体火箭推进剂启裂断裂韧性的试验测定

为研究软性材料的HTPB固体火箭推进剂的断裂韧性,采用多试样方法和J积分测试法,综合运用高速显微摄像,跟踪观测了含裂纹拉伸试样的启裂点.采用最小二乘法处理推进剂材料力学性能的离散性,测定了单边穿透裂纹拉伸试样启裂J积分值,该值为1.852 3kJ/m2.试验表明,HTPB固体火箭推进剂裂纹尖端的钝化现象明显,高速显微摄...     

基于粘聚区模型的推进剂开裂数值仿真

为了研究复合固体推进剂裂纹开裂过程,利用粘聚区模型理论构建了复合固体推进剂断裂过程的物理和数学模型;推导了粘聚区单元的有限元离散格式;结合ABAQUS二次开发技术对裂纹扩展过程进行了数值仿真,获得了HTPB推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹扩展过程中的裂纹扩展路径和裂尖应力变化情况.分析了粘聚区本构参数对仿真结果的影响,确定了其取值范围.将仿真和实验对比,结果表明所建立的数值仿真方法可以较为准确地模拟复合固体推进剂裂尖的损伤应力场,以及预测裂纹扩展路径;粘聚区模型可以为固体推进剂装药完整性和安全性分析提供可靠的分析计算方法.     

固体推进剂药柱结构可靠度分析的响应面法

发展了一种固体火箭发动机药柱结构可靠度分析的响应面法。首先基于不可压或近似不可压粘弹性有限元方法和中心复合设计技术获取多组输入、输出随机变量,然后用最小二乘法估计输出随机变量二次多项式的各项系数,进而给出显式的极限状态方程,最后采用结构可靠度分析中的R-F法分析了三维药柱结构的可靠度。数值算例表明该方法不修改确定性有限元分析程序,效率较高且精度能够满足工程需要,所以特别适用于实际药柱结构的可靠度分析。     

降低丁羟高燃速推进剂机械感度研究

为了降低丁羟高燃速推进剂机械感度,考察了液体二茂铁燃速催化剂(EMT)含量、氧化剂高氯酸铵(AP)粒径及配比等对丁羟高燃速推进剂机械感度的影响,并通过差示扫描-热重(DSC-TG)热分析研究了AP/EMT体系热分解特性与机械感度的相关性。结果表明,细AP含量增加或细AP粒径减小时,推进剂药浆的摩擦感度和撞击感度均呈增加趋势;EMT提高了AP的高温分解反应速率常数和分解热,是含EMT的高燃速推进剂机械感度升高的微观原因,降低EMT含量,可以降低推进剂的机械感度;胺盐类降感剂GZJ-01和导电态聚苯胺降感剂DBJ-01对降低丁羟高燃速推进剂的机械感度无协同效应;细AP包覆和采用铜盐燃速催化剂(GRCJ)取代EMT均可以降低丁羟高燃速推进剂的机械感度。     

固体推进剂药柱在振动载荷作用下的结构完整性分析

采用有限元法对固体推进剂药柱在不同振动载荷作用下的应力、应变和位移场进行三维线性粘弹性分析,得出了药柱在横向、轴向、横向和轴向耦合3种载荷作用情况下的变形结果,并将结果进行了对比,对比结果显示：载荷耦合作用效果是横向和轴向载荷单独作用效果的叠加.通过数值模拟,为固体火箭发动机的结构可靠性设计提供参考.     

双基推进剂用丁羟胶包覆层研制

以端羟基聚丁二烯(丁羟胶,HTPB)、癸二酸二异辛酯、1,4-丁二醇、绢云母、甲苯二异氰酸酯(TDI)等为原材料,制备了双基药柱用包覆层。通过研究原材料的含量变化对包覆层力学和粘接性能的影响,优化出一种较为理想的包覆层配方(丁羟胶100g,癸二酸二异辛酯15g,绢云母15g,1,4-丁二醇与丁羟胶的羟基摩尔比值为3,异氰酸酯指数为1．20),用此配方包覆双基药柱,并进行了70℃老化试验及高低温试车。结果表明,该配方各项性能优良,包覆的药柱能够保证燃气发生器的正常工作。     

Experimental Simulation for Fracture of Gun Propellant Charge Bed

The simulation of compression and fracture of charge bed in chamber is one of the key problems in the study of launch safety of gun propellant charge. A new kind of experimental device that can be used for simulation is given. Its structure and operational principle are introduced. Using a semi-closed vessel as a source of compression force, the device can simulate any kind of dynamic environment in a gun propellant charge. Using the low temperature inert gas (N2) as the compression medium, the device can not only ensure that the simulation is real, but also protect the fragmentized propellant from combustion after experiment. Using the device, many simulation experiments have been accomplished, and dynamic environment of propellant fracture is acquired. With the experiments, fragmentized propellant for the compression and fracture of charge bed is obtained. Results of experiments show that the new device can be used to study the principle of the compression and fracture of charge bed.     

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。     

基于湿热加速老化试验的HTPB固体推进剂寿命预估

借鉴量子力学理论关于电子产品老化反应速率与环境温、湿度的关系,将Eyring和Arrhenius模型相结合,建立了固体推进剂贮存使用寿命的湿热老化模型,并通过试验数据拟合得到具体的经验公式。利用该模型预估出某HTPB固体推剂在室温20℃、相对湿度为50%的贮存寿命,与实际贮存寿命进行了对照。结果表明,采用将温湿因素引入推进剂老化模型的方法,可以使推进剂寿命预测的结果更接近于发动机中推进剂的实际使用寿命。