加载应力和频率对固体推进剂疲劳寿命的影响研究

发布时间：2020-05-18 22:14

【摘要】：在固体火箭发动机服役过程中,推进剂药柱会受到不同形式的交变载荷的作用,这些交变载荷短时间不会造成药柱宏观上的破坏,但长时间循环加载作用,会对推进剂力学性能造成恶劣影响,使固体火箭发动机的结构完整性遭到破坏。本文以某科研项目为背景,开展了 HTPB推进剂原始材料的单轴拉伸和应力松弛试验,获取了推进剂不同应变率下的力学性能,并对HTPB推进剂进行了不同应力水平和加载频率的疲劳试验,研究了材料的疲劳寿命方程和损伤演化规律,结果可为装药结构完整性分析和发动机安全设计提供参考依据。主要内容如下:(1)利用材料万能试验机完成了疲劳前HTPB推进剂不同应变率下的单轴拉伸试验和应力松弛试验,得到了推进剂不同应变率下的应力-应变曲线和应力松弛曲线,通过分数指数模型拟合获取了材料的松弛模量,以此建立了松弛型积分本构模型,并引入了应变率和应变范围相关的损伤因子,可以很好地描述材料不同应力率下的力学响应。(2)利用动态热机械分析仪开展了 HTPB推进剂不同应力水平和加载频率的疲劳试验,分析了疲劳过程中的应力、应变以及滞回环等力学参数的变化规律,获取了材料不同条件下的疲劳寿命,并利用红外热像仪实时监测疲劳过程中HTPB推进剂试件的温升变化,分析疲劳过程中材料的产热规律以及确定疲劳断裂位置和疲劳极限。通过开展疲劳后单轴拉伸试验,并结合电镜扫描,从微观层面解释了 HTPB推进剂的疲劳损伤机理。(3)通过常幅应力控制疲劳试验,获取了 HTPB推进剂在双对数坐标系下的疲劳方程,探讨了疲劳寿命与最大加载应力和加载频率之间的关系,建立了频率修正的疲劳寿命方程。从宏观力学性能的劣化为出发点,定义HTPB推进剂疲劳过程中动态模量的衰减作为损伤变量,基于连续介质损伤力学,建立了可以考虑宏观裂纹发展的含频率效应的疲劳损伤三阶段模型,可以很好地表征HTPB推进剂在常温下不同加载应力和加载频率下的损伤演化规律。(4)对HTPB推进剂开展变幅载荷加载的疲劳试验,分析了加载次序和加载幅值对材料动态模量和疲劳温升的影响,给出了 Miner法则、修正Miner法则和Corten-Dolan理论进行疲劳寿命估算的方法和计算公式,并且建立了基于疲劳损伤模型和疲劳温升的累积损伤理论,探讨了这几种疲劳累积损伤理论对HTPB推进剂残余寿命预测的适用性和准确性。
【图文】：

定义方法,模量,剩余强度模型

剩余强度模型目前在复合材料层合板中应用较多。逡逑剩余刚度模型运用的较为广泛，与剩余强度模型相比，它克服了不能进行无损评逡逑估这一缺点，使得对材料疲劳累积损伤的连续评估成为可能。如图１．４所示，在循环逡逑荷载作用下，刚度模量有很多种定义：疲劳模量Ｆ（７Ｖ，？）、弹性模量五（＃，０和割线模量逡逑ＭＭｄ。其中Ｗ表示循环周次，？对应最大疲劳载荷和材料强度比。逡逑y逡逑Ｓｔｒａｉｎ逡逑图１．４疲劳常用模量的定义方法逡逑Ｈａｎ等人选取疲劳模量来定义损伤变量：逡逑哨－中，）逦＿逡逑１０逡逑

示意图,推进剂,试件,示意图

，获得了邋ＨＴＰＢ推进剂的松弛模量，基于此建立了含损伤的粘弹描述不同应变率下较大应变范围的力学响应。逡逑推进剂单轴拉伸力学性能研宄逡逑效应是粘弹性材料区别于金属材料的一个重要特点，指的是粘载荷加载速率有关。本节通过开展ＨＴＰＢ推进剂不同应变速率步探索拉伸速率对ＨＴＰＢ推进剂力学参数的影响。逡逑备和方法逡逑低由生产加工等因素引起的推进剂力学性能散差，选用同一批胚料作为试验对象，试验用的ＨＴＰＢ推进剂是三组元复合固体分数如下：铝粉（Ａ１）邋１８％，高氯酸铵（ＡＰ）邋７０％，邋ＨＴＰＢ橡。参照国标ＱＪ９２４－８５的指标，将推进剂胚料加工切割成哑铃见图２．１。为了消除机械加工带来的残余应力，将加工完成的试的保温箱中保温４８ｈ。逡逑单位：ｍｍ逡逑１２０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

【参考文献】