定应变下HTPB推进剂老化机理及发动机寿命预估研究

发布时间：2020-07-09 09:31

【摘要】：固体火箭发动机具有长期贮存、一次使用的特点,从制造出厂到投入使用或报废的全寿命周期中,绝大部分时间处于贮存状态,其贮存寿命是制约导弹武器系统寿命的主要因素,也是武器装备的关键性能指标之一。固体火箭发动机的贮存寿命在很大程度上取决于固体推进剂的贮存性能。传统上,固体火箭发动机寿命预估主要是通过固体推进剂方坯老化性能研究来实现的。对于贴壁浇铸式固体火箭发动机,由于壳体与推进剂药柱的热膨胀系数不同,在固化降温后,推进剂药柱在实际贮存过程中将长期处于定应变状态,其失效机理与推进剂方坯也有所不同。因此,研究推进剂在定应变作用下的老化机理与贮存性能更具有工程应用价值,也是准确实现固体火箭发动机寿命预估的理论依据和模型数据来源。本文首先以HTPB推进剂为研究对象,研究了定应变贮存条件下HTPB推进剂的老化性能,分析了热、定应变对HTPB推进剂老化性能的影响,建立了包含老化温度、老化时间和定应变的最大延伸率老化模型和推进剂统计损伤本构方程,分析了定应变和温度对各模型参数的影响规律。其次,从试验机理、试验参数的确定、试验过程监测与取样方面研究了固体火箭发动机整机综合加速贮存试验方法。最后,以三维粘弹性随机有限元法和固体推进剂高温加速老化试验为基础,研究了固化应变对发动机长期贮存寿命的影响,以及推进剂性能参数及载荷条件对药柱Von Mises应变的影响水平。论文取得的主要研究成果有:1.建立了定应变贮存条件下HTPB推进剂最大延伸率的老化模型,发现在定应变作用下,推进剂的最大延伸率变化过程是外载荷引起的物理拉伸和温度引起的化学老化共同作用的结果。物理拉伸作用能够显著提高HTPB推进剂的最大延伸率,其提高幅值与施加的定应变水平呈正比关系。化学老化降低推进剂的最大延伸率,其作用效应与表征推进剂特性的临界温度_CT有关。在老化温度低于临界温度_CT时,定应变对推进剂的延伸率老化速率没有影响;在老化温度高于临界温度_CT时,定应变会降低延伸率老化速率。2.基于ZWT粘弹性本构方程,通过引入老化损伤系数来量化定应变老化对推进剂的损伤程度,构建了考虑老化损伤的推进剂统计损伤本构方程。通过对模型参数进一步分析发现:老化损伤系数方程能区分化学老化与定应变对推进剂的损伤作用。化学老化对推进剂的损伤作用随老化时间呈指数规律增大,且化学老化不但影响本构模型曲线在损伤段强度的大小,还影响其形状特性。定应变对推进剂的损伤作用亦呈指数规律增大,但定应变仅降低损伤段强度的大小,不改变其形状特性。3.基于转化法思想,提出了发动机材料及整机联合加速贮存的固体火箭发动机综合加速贮存试验方法。并从试验机理、加速试验模型参数的确定与修正方面介绍了综合加速贮存试验方法,提出了基于推进剂方坯和发动机双源数据的多步加速模型参数修正法。在此基础上以某装药燃烧室为应用对象,开展了整机加速试验技术应用验证研究,提出了解决整机加速试验过程中的药柱性能监测与取样问题的对策,分别设计了可用于药柱内腔环境监测和大型固体火箭发动机药柱内部取样的装置。4.研究了固化应变对发动机长期贮存寿命的影响,以0.97为可靠性下限,预估了药柱在不同应变敏感系数下的可靠性寿命,发现固体火箭动机可靠性寿命主要取决于应变敏感系数,其可靠性寿命随应变敏感系数的增大而增大。在长期贮存过程中,模量对药柱Von Mises应变的影响水平基本不变;泊松比和内压的影响水平在15年前基本不变,15年后泊松比的影响水平逐渐降低,内压的影响水平逐渐增加,二者基本呈互补的关系。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V512;V435
【图文】：

哑铃,试件尺寸

图 2.1 哑铃试件尺寸图用 Instron 5567 型电子拉伸机测试试样在常温下的最大抗拉强度m 、最始模量5%E ，拉伸速率为 100mm·min-1，测试按国军标 GJB770B-200法》中相关规定进行。测试温度为 25±2℃，在相对湿度不高于 70％的在每个老化试验温度和时间点，取 5 标准哑铃件进行测试，得到的平均、平均最大延伸率和平均断裂延伸率视为此老化温度和老化时间下推进强度、最大延伸率和断裂延伸率。2 凝胶百分数的测定1）试验简介体推进剂的凝胶含量是指固体推进剂中粘合剂体系固化后产生的凝胶系的质量比，该参数在一定条件下与推进剂弹性体网络性质有关。推进力学性能之间存在直接关系，常作为推进剂老化的判据。凝胶含量法的

应变图,加速老化,扫描电镜图,应变图

a）3%定应变 b）6%定应变 c）9%定应变图 2.22 75℃高温下加速老化 18 天的扫描电镜图a）3%定应变 b）6%定应变 c）9%定应变图 2.23 60℃高温下加速老化 102 天的扫描电镜图

加速老化,扫描电镜图,固体填料,应变水平

a）3%定应变 b）6%定应变 c）9%定应变图 2.23 60℃高温下加速老化 102 天的扫描电镜图a）3%定应变 b）6%定应变 c）9%定应变图 2.24 55℃高温下加速老化 176 天的扫描电镜图图 2.22 为三种定应变水平下 75℃高温老化 18 天后，推进剂拉伸试样断口电镜描图。可以看出，HTPB 推进剂断口粘合剂基体与固体填料界面清晰，出现大量的坑和裸露固体填料，说明界面粘结性不良，但三种应变水平下的试样断口形态无明差异。

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