基于细观模型的复合固体推进剂损伤数值模拟

摘要

伴随着火箭导弹武器的远程化、轻型化及高机动性的要求，使得复合固体推进剂得到广泛的应用。丁羟复合固体推进剂由于密度较大、比冲较高及力学性能优良等特点，成为最具发展前景的一类固体推进剂，为了提高推进剂的能量特性，向其中添加了大量的固体氧化剂颗粒和金属燃料颗粒，这些固体颗粒的加入势必会改变复合推进剂材料的细观结构组成，从而改变推进剂的力学性能，这对推进剂实际工程应用造成了一定的困难。因此，本文借助宏观试验和数值模拟方法，研究了复合固体推进剂力学性能的细观损伤机理，以期为推进剂的配方工艺设计及其在更广范围内的应用推广提供指导，主要研究包括以下内容: (1)定制配方复合固体推进剂力学性能研究。通过对HTPB推进剂进行断面电镜扫描试验，得到其细观结构组成形貌，并分析了推进剂内固体填充颗粒的形状、分布以及初始缺陷等特征。对HTPB推进剂等效基体胶片进行了单轴拉伸和应力松弛试验，并结合粘超弹理论，构建了基体胶片的粘超弹本构模型，所建模型能准确描述HTPB推进剂等效基体胶片的单轴拉伸力学响应。通过对定制配方的推进剂的力学试验，发现推进剂的力学性能与加载速率有关，表现出典型的粘弹特性，配方中填充颗粒体积分数对推进剂的初始模量、拉伸强度及松弛模量均有显著影响。 (2)复合固体推进剂细观模型建立及数值仿真分析。首先基于分子动力学模拟算法，结合推进剂基本配方组分参数，建立了HTPB推进剂细观颗粒填充模型，并选用改进型内聚力模型表征颗粒与基体粘接界面的力学响应，通过有限元计算，分析了推进剂拉伸过程的几个典型阶段及与之对应的细观损伤及演化进程，一定程度上揭示了HTPB推进剂宏观力学性能的细观内在机理。 (3)界面性能对复合固体推进剂力学性能的影响及参数的反演优化。首先通过自定义推进剂颗粒/基体界面内聚力模型参数，研究了包括界面刚度、界面强度及界面失效位移对推进剂力学性能的影响规律，结果发现，每个参数的影响分别对应于拉伸过程的一个阶段。随后针对界面参数获取困难的问题，基于Hooke-Jeeves优化反演算法，结合宏观力学试验结果，考虑到界面力学性能的尺寸效应，通过分步反演分析的方法确定了不同拉伸速率下的HTPB推进剂界面力学参数，并通过具有颗粒级配的推进剂试验结果对所获界面参数进行验证，最大误差仅为16.3％。 (4)细观结构组分对复合固体推进剂力学特性的影响。研究了推进剂细观颗粒组成对其宏观力学性能的影响规律，发现颗粒填充体积分数显著影响着推进剂的拉伸初始模量，而多颗粒级配关系则决定着推进剂的拉伸强度和断裂延伸率。考虑到推进剂制备过程中存在的初始缺陷，研究了初始界面缺陷对推进剂单轴拉伸及应力松弛响应的影响规律。研究结果表明，初始界面缺陷降低了推进剂的力学性能，缺陷含量越高则力学性能下降越明显，推进剂的初始模量及拉伸强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势;界面缺陷仅决定推进剂松弛模量数值的大小，不会影响推进剂的松弛行为。 本文基于宏观力学试验和细观数值仿真手段，研究了影响复合固体推进剂宏观力学性能的细观内在机理，分析了HTPB推进剂细观结构组分与宏观力学性能之间的相关性，并且考虑了推进剂初始缺陷对其力学性能的影响，本文的研究具有较高的科学理论意义和工程应用价值，能够为复合固体推进剂配方设计及提高其力学性能提供重要的参考与指导，以期解决固体火箭发动机装药结构完整性问题。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1复合固体推进剂力学实验技术研究进展

1．2．2复合固体推进剂细观建模及损伤数值模拟研究进展

1．2．3复合固体推进剂本构模型研究进展

1．3本文主要研究内容

2定制配方复合固体推进剂力学性能研究

2．1复合固体推进剂细观结构分析

2．1．1扫描电镜试验技术及设备

2．1．2扫描电镜结果及分析

2．2复合固体推进剂等效基体胶片力学性能试验及分析

2．2．1复合固体推进剂等效基体胶片材料制备

2．2．2复合固体推进剂等效基体胶片试验及结果

2．2．3复合固体推进剂等效基体胶片粘超弹本构模型

2．3定制配方复合固体推进剂力学性能试验研究

2．3．1定制配方复合固体推进剂试件制备

2．3．2定制配方复合固体推进剂单轴拉伸试验

2．3．3定制配方复合固体推进剂松弛试验

2．3．4配方组分对复合固体推进剂力学性能的影响

2．4本章小结

3复合固体推进剂细观模型建立及数值仿真分析

3．1复合固体推进剂细观颗粒填充模型的分子动力学算法

3．1．1分子动力学算法初始条件

3．1．2分子动力学算法碰撞时间

3．1．3分子动力学算法碰撞力学

3．1．4分子动力学算法边界条件

3．1．5分子动力学算法基本流程

3．2复合固体推进剂细观结构模型

3．2．1复合固体推进剂基本配方

3．2．2复合固体推进剂组分参数

3．2．3复合固体推进剂细观模型建立

3．3颗粒／基体界面力学性能的表征

3．3．1双线性内聚力模型

3．3．2指数型内聚力模型

3．3．3改进型内聚力模型

3．4复合固体推进剂细观损伤数值模拟

3．4．1复合固体推进剂细观有限元计算模型

3．4．2复合固体推进剂细观损伤数值仿真

3．5本章小结

4界面性能对复合固体推进剂力学性能的影响及参数的反演优化

4．1复合固体推进剂界面参数对其力学性能的影响

4．1．1界面刚度的影响

4．1．2界面强度的影响

4．1．3界面失效位移的影响

4．2反演分析方法基本原理

4．2．1 Hooke-Jeeves优化算法原理及程序实现

4．2．2优化目标函数的构建

4．3复合固体推进剂细观界面参数的反演确定

4．3．1 AP颗粒与基体界面参数分步反演

4．3．2颗粒／基体界面参数反演验证

4．5本章小结

5细观结构组分对复合固体推进剂力学特性的影响

5．1细观结构对推进剂力学性能的影响

5．1．1颗粒随机分布的影响

5．1．2颗粒体积分数的影响

5．1．3多颗粒级配关系的影响

5．2初始界面缺陷对推进剂拉伸力学性能的影响

5．2．1初始界面缺陷的定义及建模

5．2．2初始界面缺陷对推进剂拉伸力学性能的影响

5．2．3初始界面缺陷对推进剂松弛力学性能的影响

5．3本章小结

6总结与展望

6．1主要工作总结

6．2未来展望

致谢

参考文献

附录