宽泛应变率和温度下改性双基推进剂本构模型及应用研究
发布时间：2023-03-02 17:34
随着固体火箭武器战术指标要求的不断提高,固体火箭发动机开始向着高装填密度、大肉厚、大长径比、高固体含量推进剂装药的方向发展,且由于火箭增程炮弹、炮射导弹等武器先后装备及弹射技术广泛应用,使得冲击载荷下固体推进剂装药结构完整性问题变得突出。固体推进剂在生产、运输、存储和发射过程会承受-50℃～+60℃环境温度的变化,因此同时考虑固体推进剂不同温度和不同应变率下力学特性对推进剂装药结构完整性分析显得尤为重要。本文针对某改性双基推进剂(简称改双基)进行力学特性研究,主要研究内容包含以下几个方面:(1)针对改双基的温度相关性进行-100℃～100℃交变载荷下动态力学分析实验,研究改双基在玻璃态、粘弹态和橡胶态三种不同物态下力学特性。通过考虑改双基松弛转变温度和瞬态模量的频率相关性,建立改双基宽泛温度下存储模量模型,该模型能较好描述不同频率下改双基玻璃态、粘弹态和橡胶态下存储模量随温度变化规律。(2)利用材料试验机进行-40℃～60℃改双基准静态压缩实验,得到1.1×10-4S-1～5.5× 10-1s-1低应变率下应力-应变曲线。实验结果表明改双基压缩破坏表现出最大剪应力破坏特征,应力-应变曲...
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景、目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 固体火箭发动机装药结构完整性研究概述
1.2.1.1 固体推进剂药柱寿命周期中所受载荷
1.2.1.2 固体推进剂力学特性研究概述
1.2.2 材料高应变率力学性能测试技术
1.2.2.1 冲击动力学及率相关实验技术
1.2.2.2 SHPB实验理论及技术发展
1.2.3 宽泛应变率下本构模型概述
1.2.3.1 粘弹性本构模型
1.2.3.2 屈服应力的温度和应变率相关性
1.3 本文主要研究内容
2 改性双基推进剂的温度相关性及动态热力分析
2.1 高分子材料的温度相关性及松弛转变
2.2 改性双基推进剂动态热力分析
2.2.1 动态力学特性与复模量
2.2.2 实验试件及实验方法设计
2.2.3 实验结果及分析
2.3 宽泛温度下的存储模量模型
2.3.1 阿伦尼乌斯方程及Tβ(f)的确定
2.3.2 时温等效原理及Tg(f)的确定
2.3.3 Tf(f)的确定
2.3.4 Ei的确定
2.4 本章小结
3 改性双基推进剂准静态压缩实验研究
3.1 实验试件
3.2 实验方法及过程
3.3 实验结果及分析
3.3.1 应变率对改双基应力-应变曲线影响分析
3.3.2 温度对改双基应力-应变曲线影响分析
3.3.3 改双基与聚合物和双基推进剂特性对比
3.4 本章小结
4 改性双基推进剂高应变率压缩实验研究
4.1 SHPB实验中关键问题分析
4.1.1 压杆内一维弹性应力波传播
4.1.2 试件的应力均匀性
4.1.2.1 矩形入射波
4.1.2.2 梯形入射波
4.1.3 试件的恒应变率变形及脉冲整形技术
4.2 分离式霍普金森压杆动态校核
4.3 改性双基推进剂SHPB试件及实验方法
4.3.1 实验试件尺寸设计
4.3.2 实验方法及过程
4.4 实验结果及分析
4.4.1 实验数据可靠性分析
4.4.2 高应变率下应力-应变曲线
4.4.3 改双基与聚合物和双基推进剂特性对比
4.5 本章小结
5 宽泛应变率和温度下改性双基推进剂本构模型
5.1 宽泛应变率和温度下粘弹性本构模型
5.1.1 E0参数的温度相关性
5.1.2 E1参数的温度和应变率相关性
5.1.3 τ1参数的温度和应变率相关性
5.2 宽泛应变率和温度下屈服应力模型
5.2.1 高分子材料屈服应力定义
5.2.2 改进型Richeton协同热活化模型
5.2.2.1 玻璃化温度以下改进型Richeton模型
5.2.2.2 玻璃化温度以上改进型Richeton模型
5.3 模型结果与实验结果对比
5.4 本章小结
6 改性双基推进剂本构模型有限元数值应用研究
6.1 有限元方法理论
6.1.1 更新的Lagrangian格式控制方程
6.1.2 更新Lagrangian方程的弱形式
6.1.3 弱形式的有限元离散
6.1.4 有限元离散方程组的显式求解
6.2 改双基粘弹性本构模型的数值实现
6.2.1 改双基本构模型的三维形式
6.2.2 改双基三维本构方程的增量形式
6.2.3 改双基本构模型VUMAT子程序
6.3 本构模型的有限元验证
6.3.1 准静态下等速率单轴压缩实验验证
6.3.2 冲击载荷下动态压缩实验验证
6.4 改双基星孔装药点火冲击载荷下有限元仿真
6.4.1 有限元仿真模型的建立
6.4.2 仿真结果分析
6.4.2.1 典型仿真结果分析
6.4.2.2 不同点火压力影响分析
6.4.2.3 不同温度影响分析
6.5 本章总结
7 全文总结
7.1 工作总结
7.2 创新点
7.3 未来展望
致谢
参考文献
附录A: SHPB实验matlab数据处理程序
附录B: 改双基VUMAT子程序
攻读博士学位期间取得的研究成果
一、发表的学术论文
二、参与项目及课题研究
本文编号：3752335
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景、目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 固体火箭发动机装药结构完整性研究概述
1.2.1.1 固体推进剂药柱寿命周期中所受载荷
1.2.1.2 固体推进剂力学特性研究概述
1.2.2 材料高应变率力学性能测试技术
1.2.2.1 冲击动力学及率相关实验技术
1.2.2.2 SHPB实验理论及技术发展
1.2.3 宽泛应变率下本构模型概述
1.2.3.1 粘弹性本构模型
1.2.3.2 屈服应力的温度和应变率相关性
1.3 本文主要研究内容
2 改性双基推进剂的温度相关性及动态热力分析
2.1 高分子材料的温度相关性及松弛转变
2.2 改性双基推进剂动态热力分析
2.2.1 动态力学特性与复模量
2.2.2 实验试件及实验方法设计
2.2.3 实验结果及分析
2.3 宽泛温度下的存储模量模型
2.3.1 阿伦尼乌斯方程及Tβ(f)的确定
2.3.2 时温等效原理及Tg(f)的确定
2.3.3 Tf(f)的确定
2.3.4 Ei的确定
2.4 本章小结
3 改性双基推进剂准静态压缩实验研究
3.1 实验试件
3.2 实验方法及过程
3.3 实验结果及分析
3.3.1 应变率对改双基应力-应变曲线影响分析
3.3.2 温度对改双基应力-应变曲线影响分析
3.3.3 改双基与聚合物和双基推进剂特性对比
3.4 本章小结
4 改性双基推进剂高应变率压缩实验研究
4.1 SHPB实验中关键问题分析
4.1.1 压杆内一维弹性应力波传播
4.1.2 试件的应力均匀性
4.1.2.1 矩形入射波
4.1.2.2 梯形入射波
4.1.3 试件的恒应变率变形及脉冲整形技术
4.2 分离式霍普金森压杆动态校核
4.3 改性双基推进剂SHPB试件及实验方法
4.3.1 实验试件尺寸设计
4.3.2 实验方法及过程
4.4 实验结果及分析
4.4.1 实验数据可靠性分析
4.4.2 高应变率下应力-应变曲线
4.4.3 改双基与聚合物和双基推进剂特性对比
4.5 本章小结
5 宽泛应变率和温度下改性双基推进剂本构模型
5.1 宽泛应变率和温度下粘弹性本构模型
5.1.1 E0参数的温度相关性
5.1.2 E1参数的温度和应变率相关性
5.1.3 τ1参数的温度和应变率相关性
5.2 宽泛应变率和温度下屈服应力模型
5.2.1 高分子材料屈服应力定义
5.2.2 改进型Richeton协同热活化模型
5.2.2.1 玻璃化温度以下改进型Richeton模型
5.2.2.2 玻璃化温度以上改进型Richeton模型
5.3 模型结果与实验结果对比
5.4 本章小结
6 改性双基推进剂本构模型有限元数值应用研究
6.1 有限元方法理论
6.1.1 更新的Lagrangian格式控制方程
6.1.2 更新Lagrangian方程的弱形式
6.1.3 弱形式的有限元离散
6.1.4 有限元离散方程组的显式求解
6.2 改双基粘弹性本构模型的数值实现
6.2.1 改双基本构模型的三维形式
6.2.2 改双基三维本构方程的增量形式
6.2.3 改双基本构模型VUMAT子程序
6.3 本构模型的有限元验证
6.3.1 准静态下等速率单轴压缩实验验证
6.3.2 冲击载荷下动态压缩实验验证
6.4 改双基星孔装药点火冲击载荷下有限元仿真
6.4.1 有限元仿真模型的建立
6.4.2 仿真结果分析
6.4.2.1 典型仿真结果分析
6.4.2.2 不同点火压力影响分析
6.4.2.3 不同温度影响分析
6.5 本章总结
7 全文总结
7.1 工作总结
7.2 创新点
7.3 未来展望
致谢
参考文献
附录A: SHPB实验matlab数据处理程序
附录B: 改双基VUMAT子程序
攻读博士学位期间取得的研究成果
一、发表的学术论文
二、参与项目及课题研究
本文编号：3752335
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3752335.html
