基于粘聚區(qū)模型的復(fù)合推進(jìn)劑開裂過程研究.pdf

1、隨著固體火箭武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開始向著高裝填密度、大長(zhǎng)徑比、大肉厚、高固體含量推進(jìn)劑裝藥的方向發(fā)展，隨之而來的是裝藥應(yīng)力、應(yīng)變分布局部集中，所承受載荷加劇等問題。固體推進(jìn)劑裝藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生一定的微小裂紋，這些微小裂紋在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊作用下可能會(huì)向裝藥內(nèi)部擴(kuò)展，從而造成燃面迅速擴(kuò)大、燃燒室壓力驟增，影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能，甚至影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作。因此如何預(yù)測(cè)推進(jìn)劑裝藥中裂紋的萌

2、生和擴(kuò)展在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析中顯得十分重要。本文針對(duì)這一問題開展了HTPB推進(jìn)劑開裂過程的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，全文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)基于HTPB推進(jìn)劑微觀損傷機(jī)理建立了一種損傷粘超彈本構(gòu)模型。通過基于遺傳算法的松弛數(shù)據(jù)獲取方法，獲得了HTPB推進(jìn)劑的粘彈性本構(gòu)參數(shù)，并通過拉伸實(shí)驗(yàn)確定了損傷函數(shù)。推導(dǎo)了所建立本構(gòu)模型的有限元數(shù)值計(jì)算方法，獲得了材料的應(yīng)力更新表達(dá)形式和Jacobian矩陣。使用

3、ABAQUS軟件的用戶自定義材料子程序UMAT實(shí)現(xiàn)了損傷粘超彈本構(gòu)模型的有限元計(jì)算，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　 (2)通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)、單邊裂紋拉伸實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了HTPB推進(jìn)劑的最大斷裂強(qiáng)度、J積分和應(yīng)力強(qiáng)度因子。獲得了不同應(yīng)變速率下的HTPB推進(jìn)劑強(qiáng)度參數(shù)和斷裂韌性參數(shù)，并分析了應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑斷裂韌性的影響，為HTPB推進(jìn)劑斷裂模型的建立提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
　　 (3)建立了粘聚區(qū)模型的數(shù)值仿真方法。推

4、導(dǎo)了粘結(jié)面單元的有限元離散過程，使用ABAQUS用戶自定義單元子程序UEL將粘聚區(qū)斷裂模型應(yīng)用于有限元仿真。分析了粘聚區(qū)本構(gòu)參數(shù)對(duì)材料宏觀斷裂特性的影響。建立了率無關(guān)的HTPB推進(jìn)劑粘聚區(qū)斷裂模型，并通過實(shí)驗(yàn)和反演識(shí)別的方法獲得了粘聚區(qū)本構(gòu)參數(shù)。分別使用預(yù)置粘結(jié)面單元法和大規(guī)模插入粘結(jié)面單元法對(duì)裂紋擴(kuò)展方向已知和未知情況下的開裂過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，成功預(yù)測(cè)了HTPB推進(jìn)劑的開裂過程。
　　 (4)建立了基于流變學(xué)模型和率無關(guān)模型

5、的粘聚區(qū)斷裂模型，該模型包含了HTPB推進(jìn)劑斷裂過程中的應(yīng)變率效應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法獲得了模型中的本構(gòu)參數(shù)，對(duì)率相關(guān)粘聚區(qū)本構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，得到了參數(shù)變化對(duì)粘聚區(qū)力學(xué)行為的影響。
　　 (5)對(duì)包含初始裂紋和不含初始裂紋的HTPB推進(jìn)劑拉伸破壞過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，成功模擬了不同拉伸速率下HTPB推進(jìn)劑斷裂破壞的完整過程，模擬結(jié)果較好地反映出了HTPB推進(jìn)劑斷裂的率相關(guān)特性。通過仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)