基于细观模型的复合固体推进剂损伤数值模拟

发布时间：2020-05-16 00:41

【摘要】：伴随着火箭导弹武器的远程化、轻型化及高机动性的要求,使得复合固体推进剂得到广泛的应用。丁羟复合固体推进剂由于密度较大、比冲较高及力学性能优良等特点,成为最具发展前景的一类固体推进剂,为了提高推进剂的能量特性,向其中添加了大量的固体氧化剂颗粒和金属燃料颗粒,这些固体颗粒的加入势必会改变复合推进剂材料的细观结构组成,从而改变推进剂的力学性能,这对推进剂实际工程应用造成了一定的困难。因此,本文借助宏观试验和数值模拟方法,研究了复合固体推进剂力学性能的细观损伤机理,以期为推进剂的配方工艺设计及其在更广范围内的应用推广提供指导,主要研究包括以下内容:(1)定制配方复合固体推进剂力学性能研究。通过对HTPB推进剂进行断面电镜扫描试验,得到其细观结构组成形貌,并分析了推进剂内固体填充颗粒的形状、分布以及初始缺陷等特征。对HTPB推进剂等效基体胶片进行了单轴拉伸和应力松弛试验,并结合粘超弹理论,构建了基体胶片的粘超弹本构模型,所建模型能准确描述HTPB推进剂等效基体胶片的单轴拉伸力学响应。通过对定制配方的推进剂的力学试验,发现推进剂的力学性能与加载速率有关,表现出典型的粘弹特性,配方中填充颗粒体积分数对推进剂的初始模量、拉伸强度及松弛模量均有显著影响。(2)复合固体推进剂细观模型建立及数值仿真分析。首先基于分子动力学模拟算法,结合推进剂基本配方组分参数,建立了 HTPB推进剂细观颗粒填充模型,并选用改进型内聚力模型表征颗粒与基体粘接界面的力学响应,通过有限元计算,分析了推进剂拉伸过程的几个典型阶段及与之对应的细观损伤及演化进程,一定程度上揭示了HTPB推进剂宏观力学性能的细观内在机理。(3)界面性能对复合固体推进剂力学性能的影响及参数的反演优化。首先通过自定义推进剂颗粒/基体界面内聚力模型参数,研究了包括界面刚度、界面强度及界面失效位移对推进剂力学性能的影响规律,结果发现,每个参数的影响分别对应于拉伸过程的一个阶段。随后针对界面参数获取困难的问题,基于Hooke-Jeeves优化反演算法,结合宏观力学试验结果,考虑到界面力学性能的尺寸效应,通过分步反演分析的方法确定了不同拉伸速率下的HTPB推进剂界面力学参数,并通过具有颗粒级配的推进剂试验结果对所获界面参数进行验证,最大误差仅为16.3%。(4)细观结构组分对复合固体推进剂力学特性的影响。研究了推进剂细观颗粒组成对其宏观力学性能的影响规律,发现颗粒填充体积分数显著影响着推进剂的拉伸初始模量,而多颗粒级配关系则决定着推进剂的拉伸强度和断裂延伸率。考虑到推进剂制备过程中存在的初始缺陷,研究了初始界面缺陷对推进剂单轴拉伸及应力松弛响应的影响规律。研究结果表明,初始界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及拉伸强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势;界面缺陷仅决定推进剂松弛模量数值的大小,不会影响推进剂的松弛行为。本文基于宏观力学试验和细观数值仿真手段,研究了影响复合固体推进剂宏观力学性能的细观内在机理,分析了 HTPB推进剂细观结构组分与宏观力学性能之间的相关性,并且考虑了推进剂初始缺陷对其力学性能的影响,本文的研究具有较高的科学理论意义和工程应用价值,能够为复合固体推进剂配方设计及提高其力学性能提供重要的参考与指导,以期解决固体火箭发动机装药结构完整性问题。
【图文】：

填充模型,算法,椭球,脱湿

了其在拉伸情况下的颗粒破坏及界面性能劣化。ＸＵ［４Ｓ，？等人为了实现椭球颗粒的填充逡逑模型，用坐标转换及黄金分割搜索算法来检验椭球颗粒间是否发生重叠，并基于ＲＳＡ逡逑算法生成了不同边界条件下具有级配的新浇水泥浆的椭球颗粒填充模型，如图１．４所逡逑示，而后研宄了颗粒的形状以及尺寸分布对水泥浆细观结构的影响。常武军［５（）］在研宄逡逑复合推进剂细观损伤时通过ＲＳＡ算法获取了其细观数值模型，并在颗粒与界面接触的逡逑部分引入粘接单元，进而对推进剂细观“脱湿”过程以及“脱湿”对推进剂宏观力学逡逑参数的影响进行了分析。逡逑＿＿逡逑焌逡逑！：邋Ｍ逡逑图１．４邋Ｘｕ基于ＲＳＡ算法生成的新浇水泥浆的细观填充模型逡逑１０逡逑

模型图,颗粒填充,形式,模型

叠、包含等位置关系，该方法可以生成任何长短轴比的椭球颗粒。Ｓｔａｆｆｅｒ＃５７］将分子动逡逑力学算法改写成可适用于任何不规则形状颗粒的填充算法，建立起圆柱、多面体等形逡逑状的填充模型，如图１．５，，这些多用于细观结构更复杂的含能材料，尤其是弹药类材料。逡逑ｍｍ逡逑图１．５不同形式颗粒填充模型逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V512.3

【参考文献】