丁羟推进剂/衬层Ⅱ型界面断裂研究

摘要

在贴壁浇注的复合固体火箭发动机中，推进剂和衬层界面的脱粘破坏会降低火箭发动机工作的稳定性和有效性，是结构完整性破坏的主要原因。据NASA统计，一个世纪以来的发动机事故之中有近1/3是由于界面脱粘引起的。在发动机点燃及加速飞行时，由于惯性作用，加上飞行中的高速转动，界面层的剪切作用愈加明显。本文以丁羟(HTPB)复合推进剂/衬层界面为研究对象，采用实验与理论相结合的方法，对发动机内推进剂和衬层界面的剪切(Ⅱ型)界面断裂特性进行研究。
　　(1)内聚力模型中损伤变量影响分析。首先引入双线型内聚力模型和指数型内聚力模型。针对HTPB推进剂材料和衬层材料的力学特性，设计了一种改进单搭接层叠试件，介绍了实验准备、试件制备与实验器材等内容。采用改进单搭接试件进行剪切实验，获取HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型断裂参数，继而研究内聚力模型中的损伤变量对牵引法则形式的影响，通过多种模型对试件进行数值研究并进行分析比较，为使模型更加符合实验中的演化形式，在此基础上建立了一种基于损伤变量的自定义内聚力模型。结果表明，改进的单搭接试件能够测定柔韧粘接件间的Ⅱ型界面断裂参数，采用实验直接获取的参数，该自定义内聚力模型能够比双线性模型和指数型模型更准确地反应HTPB推进剂/衬层界面的Ⅱ型断裂性质。
　　(2) HTPB推进剂/衬层界面率无关Ⅱ型内聚力模型构建。采用改进单搭接试件进行界面层脱粘实验，通过显微分析和3D有限元分析，发现其断裂形式实质为Ⅰ型Ⅱ型混合模式断裂，直接通过实验获取的参数并非纯Ⅱ型剪切参数。因此，基于实验的基础上，引入一种基于Hooke-Jeeves优化算法的反演识别方法，该方法采用Python语言对商业有限元软件Abaqus(R)进行二次开发实现，最终通过该方法获取了纯Ⅱ型界面参数，构建了HTPB推进剂/衬层界面率无关Ⅱ型内聚力模型。
　　(3) HTPB推进剂/衬层界面率相关Ⅱ型内聚力模型构建。为构建HTPB推进剂/衬层界面的率相关的内聚力模型，采用了实验和反演相结合的方法，首先采用改进的单搭接试件进行HTPB推进剂/衬层界面的断裂实验，分别获取界面在不同拉伸率下的断裂参数初值，而后采用基于Hook-Jeeves优化算法的反演识别方法，利用有限元法仿真对单搭接实验结果进行反演识别，进而获取不同加载率下的界面断裂参数。由于这些参数具有明显的率相关性，通过拟合这些参数，可以将内聚力模型表达为与加载率相关的牵引分离法则，最终构建了HTPB推进剂/衬层界面率相关Ⅱ型内聚力模型并且进行了实验验证。
　　通过本文的研究，改进了研究粘接特性的试验方法，系统地研究了内聚力模型中损伤演化的机理，实现了多种内聚力模型的有限元仿真实现，采用试验，反演优化和有限元仿真相结合的方法，获取了HTPB推进剂/衬层界面在1mm/min拉伸速率下的率无关剪切模型和5mm/min到100mm/min范围内的率相关剪切断裂模型。从而为今后的计算机数值仿真和固体火箭发动机设计提供理论基础。

目录

声明

摘要

图表目录

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．固体火箭发动机界面脱粘进展研究

1．2．2．粘结界面实验研究进展

1．2．3．界面断裂理论研究进展

1．3 本文的主要研究内容

2 内聚力模型损伤演化特性研究

2．1 经典内聚力模型

2．1．1．双线型内聚力模型

2．1．2．指数型内聚力模型

2．2 试验方法设计及试件设计

2．2．1．实验方法设计

2．2．2．实验试件制备

2．2．3．率无关Ⅱ型界面断裂实验结果

2．3 内聚力模型损伤变量演化形式影响研究

2．4 自定义模型的有限元实现方法

2．4．1．有限元模型构建

2．4．2．任意形式内聚力模型离散化有限元实现方法

2．5 本章小结

3 率无关HTPB推进剂／衬层界面Ⅱ型内聚力模型

3．1 率无关单搭接实验

3．1．1．实验材料

3．1．2．实验结果与分析

3．2 率无关内聚力模型

3．3 数值模型

3．4 反演识别方法

3．5 本章小结

4 率相关HTPB推进剂／衬层界面Ⅱ型内聚力模型

4．1 率相关单搭接实验

4．2 率相关界面模型构建

4．2．1．率相关内聚力模型

4．2．2．反演识别

4．2．3．率相关参数获取

4．2．4．模型验证

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果