基于粘聚區(qū)模型的復合推進劑開裂過程研究.pdf

1、隨著固體火箭武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標要求的不斷提高，固體火箭發(fā)動機開始向著高裝填密度、大長徑比、大肉厚、高固體含量推進劑裝藥的方向發(fā)展，隨之而來的是裝藥應力、應變分布局部集中，所承受載荷加劇等問題。固體推進劑裝藥在生產(chǎn)、運輸、貯存和使用過程中可能會產(chǎn)生一定的微小裂紋，這些微小裂紋在發(fā)動機點火沖擊作用下可能會向裝藥內(nèi)部擴展，從而造成燃面迅速擴大、燃燒室壓力驟增，影響發(fā)動機內(nèi)彈道性能，甚至影響到發(fā)動機的安全工作。因此如何預測推進劑裝藥中裂紋的萌

2、生和擴展在固體火箭發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析中顯得十分重要。本文針對這一問題開展了HTPB推進劑開裂過程的實驗和仿真研究，全文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 (1)基于HTPB推進劑微觀損傷機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推進劑的粘彈性本構(gòu)參數(shù)，并通過拉伸實驗確定了損傷函數(shù)。推導了所建立本構(gòu)模型的有限元數(shù)值計算方法，獲得了材料的應力更新表達形式和Jacobian矩陣。使用

3、ABAQUS軟件的用戶自定義材料子程序UMAT實現(xiàn)了損傷粘超彈本構(gòu)模型的有限元計算，并且通過實驗驗證了模型的準確性。
　　 (2)通過單軸拉伸實驗、單邊裂紋拉伸實驗分別測定了HTPB推進劑的最大斷裂強度、J積分和應力強度因子。獲得了不同應變速率下的HTPB推進劑強度參數(shù)和斷裂韌性參數(shù)，并分析了應變率對推進劑斷裂韌性的影響，為HTPB推進劑斷裂模型的建立提供了詳細的實驗參數(shù)。
　　 (3)建立了粘聚區(qū)模型的數(shù)值仿真方法。推

4、導了粘結(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)斷裂模型應用于有限元仿真。分析了粘聚區(qū)本構(gòu)參數(shù)對材料宏觀斷裂特性的影響。建立了率無關的HTPB推進劑粘聚區(qū)斷裂模型，并通過實驗和反演識別的方法獲得了粘聚區(qū)本構(gòu)參數(shù)。分別使用預置粘結(jié)面單元法和大規(guī)模插入粘結(jié)面單元法對裂紋擴展方向已知和未知情況下的開裂過程進行了數(shù)值仿真，成功預測了HTPB推進劑的開裂過程。
　　 (4)建立了基于流變學模型和率無關模型

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