NEPE推进剂的粘—超弹本构模型及其应用研究

发布时间：2017-08-26 05:37

  本文关键词：NEPE推进剂的粘—超弹本构模型及其应用研究

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【摘要】：对火箭武器的远程化、轻型化要求,使得高能固体推进剂得到广泛的应用。其中NEPE固体推进剂,即硝酸酯增塑的聚醚聚氨酯(Nitrate Ester Plasticized Polyether)推进剂,由于其力学性能优良、密度较大以及比冲高等优点是最具有发展潜力的一类固体推进剂,也代表了近期固体推进剂发展的方向。为了更好的将这一新型推进剂应用于固体火箭发动机,需对其力学性能开展研究,并在此基础上建立相应的数学模型,以期解决NEPE推进剂的装药结构完整性问题。然而复杂的微观结构导致了 NEPE推进剂力学性能的复杂性,给推进剂的力学性能研究带来难度。因此,本文开展了 NEPE推进剂的宏观力学性能研究,主要包括以下内容:(1)进行了 NEPE推进剂力学性能的实验研究。通过低温、高温、常温时不同应变率下的NEPE推进剂单轴拉伸实验,得到NEPE推进剂的力学性能具有明显的率相关性与温度相关性,NEPE推进剂的屈服应力、初始模量、断裂应力均与应变率的对数呈线性关系,但材料的屈服应变和断裂应变与应变率没有明显的率相关性;松弛实验结果表明NEPE推进剂有明显的应力松弛现象,并用孟-Sorvari法获取了 Prony级数形式的松弛模量;多步松弛实验获取的平衡应力在变形较大时与极慢速拉伸结果有明显差异,是由于同等应变下的多步松弛实验造成的损伤大于极慢速拉伸试验造成的损伤所导致的;分别用过应力和应力比表征多步松弛实验的松弛特性,过应力随着应变先增加而后趋于平稳,而不同应变下的应力比没有统计学上的明显差异;可以推断损伤会引起平衡应力的变化,并不能引起松弛的时间特性的变化;在加载-卸载试验中材料表现出明显的Mullins效应,呈现出应力软化及明显的瞬时残余应变等现象。(2)基于本构模型的基本理论,建立了含体积膨胀损伤的粘-超弹本构模型。首先利用唯象学理论提出了一种粘-超弹本构模型,但由于模型不含损伤参量,不能较好的描述材料在有限变形下的力学性能;而后,利用热力学原理提出一种基于自由能理论的粘-超弹本构模型,通过分析材料的损伤及内部破坏形式,提出了一种含材料体积膨胀的损伤函数并应用到本构模型中,这种含损伤的粘-超弹本构模型能够准确预测材料单轴等速率拉伸及材料变速率拉伸-松弛过程的力学性能,满足工程应用的需求。(3)开展了 NEPE推进剂粘-超弹本构模型的数值计算方法研究。基于Abaqus有限元软件,编写了 UMAT子程序,并应用子程序对单轴拉伸及变速率拉伸进行仿真,数值仿真结果与实验结果吻合较好,说明本文提出的本构模型及其有限元计算方法是正确有效的。(4)开展了 NEPE推进剂粘-超弹本构模型的数值应用相关研究工作。仿真结果能够准确反映简单结构件的应力集中及应变集中现象,同时仿真得到的结构件在拉伸方向的反力与实验所得到的吻合较好;在切口件的实验及仿真结果均反映出切口件的应力集中系数对切口件的强度有显著影响,表明NEPE推进剂为切口敏感性材料;对不同星孔参数NEPE推进剂装药进行数值仿真分析,数值仿真结果能够反映出星孔装药在内压作用下的力学响应,得到了星孔装药结构强度随星孔参数变化的规律。研究结果表明,本文所建立的本构模型及其数值计算方法,能够准确描述NEPE推进剂的力学性能,并且能够有效应用于NEPE推进剂装药结构强度的数值计算,为含NEPE推进剂装药的发动机结构强度分析提供理论依据。
【关键词】：NEPE固体推进剂 粘-超弹本构模型 体积膨胀 有限元仿真 应变率相关性
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V512
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 注释表16-17
• 1 绪论17-37
• 1.1 研究背景、目的和意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-35
• 1.2.1 粘-超弹模型的发展现状18-30
• 1.2.2 复合推进剂本构模型研究进展30-32
• 1.2.3 固体火箭发动机装药结构完整性分析研究进展32-35
• 1.3 本文主要研究内容35-37
• 2 NEPE推进剂力学性能的实验研究37-66
• 2.1 单轴拉伸实验及力学性能的率相关性38-48
• 2.1.1 实验材料及技术38-40
• 2.1.2 实验结果40-48
• 2.2 松弛实验48-50
• 2.2.1 实验材料及技术48-49
• 2.2.2 实验结果49-50
• 2.3 多步松弛实验与极慢速拉伸实验50-53
• 2.3.1 实验材料及技术50
• 2.3.2 实验结果50-51
• 2.3.3 多步松弛的过应力51-52
• 2.3.4 多步松弛的应力比52-53
• 2.4 加载-卸载实验及Mullins效应53-57
• 2.4.1 实验材料及技术54-55
• 2.4.2 实验结果55-57
• 2.5 实验结果分析57-64
• 2.5.1 应力-应变关系的Maxwell模型描述57-60
• 2.5.2 室温时的松弛模量60-62
• 2.5.3 损伤后松弛模量的讨论62-64
• 2.6 本章小结64-66
• 3 NEPE推进剂粘-超弹本构模型研究66-101
• 3.1 模型化的粘-超弹本构模型67-75
• 3.1.1 超弹性方程67-69
• 3.1.2 粘弹性方程69-70
• 3.1.3 本构模型的一维形式70-71
• 3.1.4 模型参数的获取与验证71-75
• 3.2 NEPE推进剂颗粒脱湿及体积膨胀75-82
• 3.2.1 颗粒脱湿75-76
• 3.2.2 体积膨胀76-78
• 3.2.3 体积膨胀的计算模型78-82
• 3.3 含损伤的粘-超弹本构模型82-100
• 3.3.1 基于自由能的粘-超弹本构模型82-87
• 3.3.2 模型参数的获取及模型的验证87-91
• 3.3.3 含损伤的粘-超弹本构模型91-100
• 3.4 本章小结100-101
• 4 含损伤粘-超弹本构模型的有限元应用研究101-124
• 4.1 完全的Lagrangian格式有限元101-108
• 4.1.1 完全的Lagrangian格式的弱形式101-102
• 4.1.2 完全的Lagrangian格式的有限元离散102-106
• 4.1.3 完全的Lagrangian格式的平衡方程组的求解106-108
• 4.2 粘-超弹本构模型的数值离散108-116
• 4.2.1 线粘弹性本构的数值离散108-112
• 4.2.2 粘-超弹本构模型的数值离散112-115
• 4.2.3 含损伤粘-超弹本构模型的数值离散115-116
• 4.3 含损伤粘-超弹本构模型的UMAT子程序116-119
• 4.3.1 UMAT子程序与主程序的关系117-118
• 4.3.2 本构模型的UMAT子程序编写118-119
• 4.4 数值方法及本构模型的验证119-123
• 4.4.1 等速率单轴拉伸验证119-121
• 4.4.2 变速率单轴拉伸实验验证121-123
• 4.5 本章小结123-124
• 5 NEPE推进剂粘-超弹本构模型有限元法的应用124-145
• 5.1 简单构件的有限元验证124-129
• 5.1.1 实验124-125
• 5.1.2 实验过程的有限元仿真125
• 5.1.3 仿真及实验结果125-129
• 5.2 NEPE推进剂切口件强度及切口敏感性分析129-133
• 5.2.1 实验及仿真129-130
• 5.2.2 实验及仿真结果分析130-133
• 5.3 贴壁浇铸装药在内压作用下的有限元仿真133-144
• 5.3.1 有限元模型134-135
• 5.3.2 典型仿真结果分析135-139
• 5.3.3 压力上升速度对装药结构强度的影响139-140
• 5.3.4 装药结构参数对装药结构强度的影响140-144
• 5.4 本章小结144-145
• 6 全文总结145-147
• 6.1 工作总结145-146
• 6.2 创新点146
• 6.3 未来展望146-147
• 致谢147-148
• 参考文献148-160
• 攻读博士期间取得的研究成果160-161

【参考文献】

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本文编号：739997