HTPB推进剂三点弯曲过程试验与数值模拟
发布时间：2021-07-21 15:05
为了研究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂三点弯曲过程裂纹尖端细观损伤特点,采用扫描电镜对裂纹尖端动态损伤过程进行了观察。建立了基于子模型的推进剂三点弯曲多尺度模型,实现了三点弯曲试件宏观变形和裂纹尖端细观损伤的有效计算,并从试验和数值模拟两个角度分析了裂纹尖端损伤过程。结果表明:推进剂三点弯曲裂纹尖端损伤过程先是裂尖颗粒与基体脱湿,在裂纹尖端附近形成损伤区,随压缩位移的增加,不同颗粒脱湿引起的微裂纹与裂尖汇聚,使裂纹向前扩展;压缩过程中,由于裂纹尖端两端的拉伸作用使裂尖发生钝化。压缩位移从0增加至1.2 mm,裂纹张开位移从0增加至84.1μm,并且随压缩位移的增加,其增加的速率也增大;数值模拟结果与试验结果吻合良好。建立的基于子模型的多尺度数值模型可以有效模拟推进剂三点弯曲试验宏观变形以及裂纹尖端细观损伤过程,为开展推进剂宏细观损伤过程分析提供了一种新方法。
【文章来源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
试件尺寸及夹具安装（单位：mm)
不同压缩位移时裂纹尖端放大50倍SEM图像如图2所示，这些图像清晰地反映了不同阶段裂纹尖端细观形貌变化特点。图2a为初始时刻裂纹尖端的细观形貌，可以看出，预制裂纹的过程中导致少数颗粒破碎，但是大多数颗粒基本保持完好。压缩位移从0增加至2.0 mm（图2b～图2e），裂纹张开角度随压缩位移的增加而变大。裂尖出现钝化，裂尖附近的颗粒脱湿形成微裂纹，微裂纹随着压缩位移的增加不断扩展。压缩位移从2.5 mm增加至3.0 mm（图2f～图2g），微裂纹的扩展使基体颗粒界面的粘接能力减弱，基体开始承受抵抗裂纹作用的载荷，发生较大变形。裂纹尖端载荷的作用使内部薄弱处的基体发生断裂，脱湿不断汇聚，在裂尖前方形成一个明显的孔洞，如图2g所示。压缩位移为3.5 mm时，裂纹尖端两侧的拉伸载荷超过基体的抗拉强度，使裂尖基体发生断裂，裂纹开始向前扩展，如图2h所示。整个过程中，远离裂纹尖端颗粒未见明显脱湿现象，裂纹尖端颗粒的脱湿以及不同颗粒间脱湿的汇聚，与裂纹尖端的作用一起，使裂纹向前扩展。3 数值模拟
为了定量地描述裂纹尖端的损伤过程，对其开展数值模拟研究。对于推进剂三点弯曲过程，如果只是建立宏观模型，则无法反映裂纹尖端细观损伤过程，如果建立整个试件的细观模型，则会导致计算量太大，所以本文提出对HTPB推进剂三点弯曲动态过程进行多尺度数值模拟。其思想是在关心的裂纹尖端采用细观模型，在远离裂纹尖端区域采用宏观模型。多尺度数值模拟采用子模型方法来完成[12]，建立的多尺度模型如图3所示。宏观模型尺寸与三点弯曲试件一致，边界条件的设置与试验相同，在宏观模型中预置一条与三点弯曲试件裂纹尺寸及位置相同的裂纹。在宏观模型裂纹尖端中心切割一个尺寸为1000μm×1000μm子模型，对子模型进行颗粒填充处理。根据文献[13],HTPB推进剂细观代表性单元的最小尺寸为680μm×680μm，本研究建立的子模型尺寸大于该尺寸，因此建立的细观模型是合理的。由于铝粉等细颗粒几乎不会脱湿，只是起到了增强基体模量的作用，所以模型中不考虑铝粉等细颗粒，建模时将细AP、铝粉等颗粒融入基体中，混合后基体的模量可以通过Mori‐Tanaka法[14]计算得到，将混合后的基体统称为基体。根据试验结果，压缩过程中，主要的损伤形式是颗粒与基体界面处的脱粘，所以在基体与颗粒之间采用内聚力模型。子模型边界条件由宏观结果插值得到。按驱动量划分，可以分为结点驱动（Node‐based submodeling）和面驱动（Surface‐based submodeling），分别对应的驱动量为位移与应力，由于有限元位移计算结果精度比应力计算结果精度更高[15]，所以本文采用结点驱动子模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析[J]. 李高春,李树谦,郭宇,刘铁,王玉峰. 固体火箭技术. 2019(03)
[2]基于SEM与数字图像相关方法的HTPB推进剂裂尖扩展过程分析[J]. 王阳,李高春,张璇,韩永恒,李旭. 火炸药学报. 2019(01)
[3]冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究[J]. 汪文强,陈雄,郑健,赵超,许进升,周长省. 固体火箭技术. 2015(03)
[4]复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟[J]. 职世君,张建伟,张泽远. 固体火箭技术. 2015(02)
[5]高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究[J]. 龙兵,常新龙,张有宏,马仁利,孙翔宇. 推进技术. 2015(03)
[6]复合固体推进剂/衬层粘接界面细观结构数值建模及脱粘过程模拟[J]. 王广,赵奇国,武文明. 科学技术与工程. 2012(30)
[7]基于粘聚区模型的推进剂开裂数值仿真[J]. 韩波,鞠玉涛,许进升,周长省. 弹道学报. 2012(01)
[8]丁羟推进剂微观结构的统计特性分析[J]. 马昌兵,强洪夫,武文明,薛晶. 火炸药学报. 2011(03)
[9]复合固体推进剂细观界面脱粘有限元分析[J]. 李高春,邢耀国,戢治洪,谢丽宽. 复合材料学报. 2011(03)
[10]固体推进剂复合型裂纹扩展数值计算[J]. 职世君,孙冰,张建伟. 固体火箭技术. 2011(01)
本文编号：3295255
【文章来源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
试件尺寸及夹具安装（单位：mm)
不同压缩位移时裂纹尖端放大50倍SEM图像如图2所示，这些图像清晰地反映了不同阶段裂纹尖端细观形貌变化特点。图2a为初始时刻裂纹尖端的细观形貌，可以看出，预制裂纹的过程中导致少数颗粒破碎，但是大多数颗粒基本保持完好。压缩位移从0增加至2.0 mm（图2b～图2e），裂纹张开角度随压缩位移的增加而变大。裂尖出现钝化，裂尖附近的颗粒脱湿形成微裂纹，微裂纹随着压缩位移的增加不断扩展。压缩位移从2.5 mm增加至3.0 mm（图2f～图2g），微裂纹的扩展使基体颗粒界面的粘接能力减弱，基体开始承受抵抗裂纹作用的载荷，发生较大变形。裂纹尖端载荷的作用使内部薄弱处的基体发生断裂，脱湿不断汇聚，在裂尖前方形成一个明显的孔洞，如图2g所示。压缩位移为3.5 mm时，裂纹尖端两侧的拉伸载荷超过基体的抗拉强度，使裂尖基体发生断裂，裂纹开始向前扩展，如图2h所示。整个过程中，远离裂纹尖端颗粒未见明显脱湿现象，裂纹尖端颗粒的脱湿以及不同颗粒间脱湿的汇聚，与裂纹尖端的作用一起，使裂纹向前扩展。3 数值模拟
为了定量地描述裂纹尖端的损伤过程，对其开展数值模拟研究。对于推进剂三点弯曲过程，如果只是建立宏观模型，则无法反映裂纹尖端细观损伤过程，如果建立整个试件的细观模型，则会导致计算量太大，所以本文提出对HTPB推进剂三点弯曲动态过程进行多尺度数值模拟。其思想是在关心的裂纹尖端采用细观模型，在远离裂纹尖端区域采用宏观模型。多尺度数值模拟采用子模型方法来完成[12]，建立的多尺度模型如图3所示。宏观模型尺寸与三点弯曲试件一致，边界条件的设置与试验相同，在宏观模型中预置一条与三点弯曲试件裂纹尺寸及位置相同的裂纹。在宏观模型裂纹尖端中心切割一个尺寸为1000μm×1000μm子模型，对子模型进行颗粒填充处理。根据文献[13],HTPB推进剂细观代表性单元的最小尺寸为680μm×680μm，本研究建立的子模型尺寸大于该尺寸，因此建立的细观模型是合理的。由于铝粉等细颗粒几乎不会脱湿，只是起到了增强基体模量的作用，所以模型中不考虑铝粉等细颗粒，建模时将细AP、铝粉等颗粒融入基体中，混合后基体的模量可以通过Mori‐Tanaka法[14]计算得到，将混合后的基体统称为基体。根据试验结果，压缩过程中，主要的损伤形式是颗粒与基体界面处的脱粘，所以在基体与颗粒之间采用内聚力模型。子模型边界条件由宏观结果插值得到。按驱动量划分，可以分为结点驱动（Node‐based submodeling）和面驱动（Surface‐based submodeling），分别对应的驱动量为位移与应力，由于有限元位移计算结果精度比应力计算结果精度更高[15]，所以本文采用结点驱动子模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析[J]. 李高春,李树谦,郭宇,刘铁,王玉峰. 固体火箭技术. 2019(03)
[2]基于SEM与数字图像相关方法的HTPB推进剂裂尖扩展过程分析[J]. 王阳,李高春,张璇,韩永恒,李旭. 火炸药学报. 2019(01)
[3]冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究[J]. 汪文强,陈雄,郑健,赵超,许进升,周长省. 固体火箭技术. 2015(03)
[4]复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟[J]. 职世君,张建伟,张泽远. 固体火箭技术. 2015(02)
[5]高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究[J]. 龙兵,常新龙,张有宏,马仁利,孙翔宇. 推进技术. 2015(03)
[6]复合固体推进剂/衬层粘接界面细观结构数值建模及脱粘过程模拟[J]. 王广,赵奇国,武文明. 科学技术与工程. 2012(30)
[7]基于粘聚区模型的推进剂开裂数值仿真[J]. 韩波,鞠玉涛,许进升,周长省. 弹道学报. 2012(01)
[8]丁羟推进剂微观结构的统计特性分析[J]. 马昌兵,强洪夫,武文明,薛晶. 火炸药学报. 2011(03)
[9]复合固体推进剂细观界面脱粘有限元分析[J]. 李高春,邢耀国,戢治洪,谢丽宽. 复合材料学报. 2011(03)
[10]固体推进剂复合型裂纹扩展数值计算[J]. 职世君,孙冰,张建伟. 固体火箭技术. 2011(01)
本文编号：3295255
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