EPDM绝热包覆材料高应变率实验与本构模型研究

发布时间：2017-12-15 14:23

  本文关键词：EPDM绝热包覆材料高应变率实验与本构模型研究

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【摘要】：随着火箭导弹技术的发展,发动机内部工作压强的提高,高能推进剂的推广与应用,抗高过载冲压火箭的发展,发动机安全问题也越发突出。在火箭武器装配、存储、运输以及工作过程中,高发射过载、撞击跌落等冲击载荷将挤压推进剂与绝热包覆层,导致装药结构变形或无法完成预定目标,甚至诱发灾难性事故。因此,为保证发动机装药具有较高的设计强度,需深入了解装药与包覆层的力学性能,并研究热解碳化对三元乙丙(EPDM)材料性能的影响。本文采用实验研究与数学分析相结合的方法,分析三元乙丙绝热包覆原始材料及其热解后材料在宽泛应变率下力学特性,构建能有效描述其力学规律的本构模型,主要研究内容如下：(1) EPDM绝热包覆材料的热解实验。采用热重分析仪(TGA)对EPDM材料的热稳定性进行研究,在氮气的环境下以不同升温速率对样品进行加热,得到材料的热重分析曲线。根据热重曲线结果完成不同温度下EPDM材料不同程度热解保温实验。采用电镜能谱法(EDS)观测EPDM材料热解各阶段不同元素含量的变化,为之后研究EPDM材料热解后的力学性能做准备工作。(2) EPDM材料力学性能实验研究。利用万能试验机完成EPDM原始材料和不同程度热解后材料的不同速率准静态压缩实验；并通过分离式霍普金森压杆装置对EPDM原始材料和不同程度热解后材料进行不同应变率下的动态压缩实验研究。分析材料在低应变率与高应变率下力学行为的差异以及对应变率的敏感性,并研究材料热解程度不同对其力学性能的影响。(3)低应变率下EPDM材料的本构模型。由于EPDM原始材料在准静态实验中超弹特性表现突出,故结合超弹模型与率相关项建立低应变率下EPDM原始材料本构模型来描述其力学特征。根据EPDM材料热解后所展现的准静态力学特性,因热解程度不同表现出从高弹性材料到松散脆性材料的转变,进行分阶段建模,以求能够精确有效地描述EPDM材料在不同热解程度下的力学性能,通过拟合获取模型参数,并将理论预测结果与实验结果相对比,验证所建立模型的可靠性。(4)高应变率下EPDM材料的力学模型。为描述EPDM原始材料在高应变率下的超弹与粘弹特性,通过以超弹响应项代替多项式非线性弹性项对ZWT模型进行改进,来呈现在不同高应变率下EPDM原始材料的力学性能。并在改进型ZWT模型的基础上引入温度相关项来描述动态冲击压缩实验中热解程度不同所引起EPDM材料力学行为的变化,加入适当修正以保证不同工况下的预测精度,建立能够表征EPDM材料在不同热解阶段以及不同应变率下力学响应的完整力学本构模型,通过结果验证以确保模型的有效性。通过实验研究分析,本文系统地建立了EPDM绝热包覆材料不同热解阶段在高、低应变率下的力学本构模型,为使用EPDM作为绝热包覆材料的固体火箭发动机装药结构分析、设计以及计算机数值仿真提供理论参考。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V430

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本文编号：1292285