加载应力和频率对固体推进剂疲劳寿命的影响研究

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。

目录

声明

摘要

图表目录

注释表

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 HTPB推进剂力学性能研究概述

1．2．2疲劳试验过程中的影响因素分析

1．2．3疲劳寿命和损伤模型研究进展

1．3本文主要研究内容

2 HTPB推进剂疲劳前力学性能及本构模型研究

2．1．1试验设备和方法

2．1．2试验结果与分析

2．1．3应变率对HTPB推进剂力学性能的影响

2．2 HTPB推进剂松弛特性研究

2．2．1试验材料和方法

2．2．2试验结果与分析

2．2．3松弛模量的获取和拟合

2．3含损伤的粘弹本构模型

2．3．1松弛型积分本构模型

2．3．2损伤因子的引入

2．3．3模型参数获取及验证

2．4本章小结

3 HTPB推进剂疲劳试验研究

3．1试验方法设计与试件制备

3．1．1试验设备与系统

3．1．2试验夹具与试件设计

3．1．3疲劳试验方法

3．2疲劳过程中的热力学响应

3．2．1疲劳过程中的力学响应

3．2．2疲劳过程中的温度演化及分析

3．3疲劳损伤对HTPB推进剂力学性能的影响

3．3．1试验设备与试验方法

3．3．2试验结果与分析

3．4本章小结

4常幅加载下HTPB推进剂疲劳寿命及损伤模型研究

4．1疲劳寿命方程

4．1．1疲劳寿命统计结果

4．1．2频率修正的疲劳寿命方程

4．2疲劳极限的确定

4．2．1疲劳寿命方程法确定疲劳极限

4．2．2红外热像法确定疲劳极限

4．2．3误差分析

4．3疲劳损伤模型

4．3．1损伤变量的选取

4．3．2疲劳损伤模型的建立

4．3．3模型参数的获取及验证

4．4本章小结

5变幅加载下HTPB推进剂的疲劳寿命研究

5．1疲劳累积损伤理论

5．1．1三种常用的累积损伤理论

5．1．2基于疲劳损伤模型的累积损伤理论

5．1．3基于疲劳温升的累积损伤理论

5．2两级载荷下HTPB推进剂的疲劳寿命估算

5．2．1试验方案设计

5．2．2加载次序和加载幅值对疲劳性能的影响

5．2．3 HTPB推进剂的疲劳残余寿命估算

5．3多级载荷下HTPB推进剂的疲劳寿命估算

5．3．1试验方案设计

5．3．2疲劳试验结果分析与误差比较

5．4本章小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2未来展望

致谢

参考文献

附录