基于粘聚區(qū)模型的復合推進劑開裂過程研究.pdf

1、隨著固體火箭武器系統(tǒng)戰(zhàn)術技術指標要求的不斷提高，固體火箭發(fā)動機開始向著高裝填密度、大長徑比、大肉厚、高固體含量推進劑裝藥的方向發(fā)展，隨之而來的是裝藥應力、應變分布局部集中，所承受載荷加劇等問題。固體推進劑裝藥在生產、運輸、貯存和使用過程中可能會產生一定的微小裂紋，這些微小裂紋在發(fā)動機點火沖擊作用下可能會向裝藥內部擴展，從而造成燃面迅速擴大、燃燒室壓力驟增，影響發(fā)動機內彈道性能，甚至影響到發(fā)動機的安全工作。因此如何預測推進劑裝藥中裂紋的萌

2、生和擴展在固體火箭發(fā)動機裝藥結構完整性分析中顯得十分重要。本文針對這一問題開展了HTPB推進劑開裂過程的實驗和仿真研究，全文的主要研究內容包括以下幾個方面:
　　 (1)基于HTPB推進劑微觀損傷機理建立了一種損傷粘超彈本構模型。通過基于遺傳算法的松弛數據獲取方法，獲得了HTPB推進劑的粘彈性本構參數，并通過拉伸實驗確定了損傷函數。推導了所建立本構模型的有限元數值計算方法，獲得了材料的應力更新表達形式和Jacobian矩陣。使用

3、ABAQUS軟件的用戶自定義材料子程序UMAT實現了損傷粘超彈本構模型的有限元計算，并且通過實驗驗證了模型的準確性。
　　 (2)通過單軸拉伸實驗、單邊裂紋拉伸實驗分別測定了HTPB推進劑的最大斷裂強度、J積分和應力強度因子。獲得了不同應變速率下的HTPB推進劑強度參數和斷裂韌性參數，并分析了應變率對推進劑斷裂韌性的影響，為HTPB推進劑斷裂模型的建立提供了詳細的實驗參數。
　　 (3)建立了粘聚區(qū)模型的數值仿真方法。推

4、導了粘結面單元的有限元離散過程，使用ABAQUS用戶自定義單元子程序UEL將粘聚區(qū)斷裂模型應用于有限元仿真。分析了粘聚區(qū)本構參數對材料宏觀斷裂特性的影響。建立了率無關的HTPB推進劑粘聚區(qū)斷裂模型，并通過實驗和反演識別的方法獲得了粘聚區(qū)本構參數。分別使用預置粘結面單元法和大規(guī)模插入粘結面單元法對裂紋擴展方向已知和未知情況下的開裂過程進行了數值仿真，成功預測了HTPB推進劑的開裂過程。
　　 (4)建立了基于流變學模型和率無關模型

5、的粘聚區(qū)斷裂模型，該模型包含了HTPB推進劑斷裂過程中的應變率效應。通過實驗和數值仿真的方法獲得了模型中的本構參數，對率相關粘聚區(qū)本構模型中的參數進行了敏感性分析，得到了參數變化對粘聚區(qū)力學行為的影響。
　　 (5)對包含初始裂紋和不含初始裂紋的HTPB推進劑拉伸破壞過程進行了數值仿真，成功模擬了不同拉伸速率下HTPB推進劑斷裂破壞的完整過程，模擬結果較好地反映出了HTPB推進劑斷裂的率相關特性。通過仿真結果和實驗結果的對比發(fā)現