改性双基推进剂断裂力学行为研究

摘要

随着固体火箭发动机朝大口径、远射程的方向发展，具有粘弹力学特征的改性双基推进剂表现出越来越明显的率相关性，尤其是在高点火冲击、高发射过载、跌落撞击等冲击载荷下，其力学性能完全区别于准静态条件。本文针对这种情况，使用脆性材料力学理论对改性双基推进剂断裂力学行为进行了研究。
　　本文使用分离式霍普金森压杆(SHPB)和万能材料试验机对改性双基推进剂的Ⅰ型和Ⅱ型断裂行为进行了实验研究。Ⅰ型断裂主要进行了10-4～101s-1应变率下的单轴拉伸断裂实验，得到了平面应力、应力集中对断裂性能的影响及断裂能在准静态条件下随应变率的变化规律。Ⅱ型断裂研究使用剪切试件进行102～103s-1应变率下的高速撞击实验，得到了改性双基推进剂高应变率下的断裂行为判定准则;并补充以10-4～101s-1应变率下的剪切试件压缩实验作为对比。通过实验结果比较可知，改性双基推进剂在高应变下表现出脆性断裂现象，而准静态环境中只有在大变形下才会发生断裂，即应变率对材料断裂形式影响很大。高应变率下，断裂能与应变率呈线性相关;准静态下，断裂能与应变率呈指数相关。
　　同时，本文还使用分离式霍普金森压杆对改性双基推进剂的本构进行了研究，得到了可以准确描述该材料在高应变率下力学行为的线性ZWT本构模型。为了将上述实验结果用于改性双基推进剂工程预测数值计算，采用FORTRAN语言对材料的本构模型和断裂行为判定准则进行了VUMAT程序实现。最后使用ABAQUS对圆柱形试件和Ⅱ型剪切试件进行数值计算验证，以确定材料的本构与断裂行为判定准则的正确性。

目录

声明

摘要

图表目录

1．绪论

1．1．研究背景、目的及意义

1．2．国内外粘弹性材料断裂行为研究现状

1．2．1．断裂力学基础理论

1．2．2．准静态条件下断裂研究

1．2．3．高应变率下断裂研究

1．2．4．固体推进剂断裂研究发展

1．3．本文主要研究内容

2．改性双基推进剂准静态断裂行为研究

2．1．多构型试件Ⅰ型断裂实验

2．1．1．断裂实验比较

2．1．2．断裂能的率相关性

2．2．试件几何特征对实验结果的影响

2．2．1．对EWF方法的影响

2．2．2．断裂能下限获取精度的影响

2．3．本章小结

3．改性双基推进剂高应变率断裂行为研究

3．1．霍普金森压杆装置(SHPB)

3．1．1．实验装置介绍

3．1．2．霍普金森压杆技术的发展

3．2．动态剪切断裂实验及结果分析

3．2．1．实验原理

3．2．2．实验数据的获取和处理

3．2．3．实验分析

3．3．本章小结

4．改性双基推进剂ZWT本构模型及断裂行为准则

4．1．线性与非线性ZWT模型

4．1．1．非线性ZWT本构模型

4．1．2．线性ZWT本构模型

4．2．线性ZWT本构模型的实现及参数获取方法

4．2．1．线性ZWT本构模型的实现

4．2．2．本构实验研究及模型参数获取方法

4．3．率相关断裂行为准则的建立

4．4．本章小结

5．SHPB实验有限元仿真研究

5．1．ABAQUS用户子程序

5．2．程序实现

5．3．改性双基推进剂本构模型验证

5．3．1．SHPB计算模型的建立和材料的定义

5．3．2．边界条件

5．3．3．仿真结果与实验结果的比较

5．4．改性双基推进剂失效准则验证

5．4．1．有限元断裂模型的建立

5．4．2．二维动态断裂分析与实验结果比较

5．4．3．三维动态断裂分析与实验结果比较

5．5．本章小结

6．结论与展望

6．1．结论

6．2．展望

致谢

参考文献

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