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固体火箭发动机应用广泛,由于其在全寿命周期受到冲击、加速度和极端温度变化等多种外界因素的影响,使得固体火箭推进剂装药结构完整性问题十分突出。固体推进剂药柱在不同形式的外部载荷下,其内部应力状态分布复杂,在不同区域会存在不同的应力类型,这就对材料本构模型具有应力类型相关性提出了要求。
本文对改性双基推进剂力学性能的研究主要包括以下几个方面的内容:(1)对改性双基推进剂进行了一系列恒应变率拉伸和压缩试验,分析了材料力学响应的率相关性;对改性双基推进剂进行了不同温度和不同应力水平下的拉伸和压缩蠕变试验,讨论了材料的时间-温度等效模型和时间-应力等效模型,分析了材料力学响应的时间-温度相关性和时间-应力相关性。对改性双基推进剂恒应变率下的拉压不对称力学响应进行了分析,根据改性双基推进剂不同温度和不同应力水平下的拉伸和压缩蠕变试验,分析了温度和应力对材料拉压不对称性的影响。
(2)根据改性双基推进剂的力学响应的特点,建立了材料的含损伤粘弹塑性本构模型。采用Schapery非线性粘弹性本构模型来描述材料的可恢复应变,采用Perzyna粘塑性模型描述材料的不可恢复应变,通过有效应力的概念将损伤模型引入到粘弹塑性模型中。
通过对拉压不对称成因的定性分析,提出了一种拉压力学状态判别准则,建立了改性双基推进剂拉压不对称的粘塑性本构模型和损伤本构模型,通过对材料空心圆盘结构进行试验和有限元仿真计算,反映出根据材料所处的力学状态而选择合适的本构模型是十分重要的。(3)根据改性双基推进剂一维含损伤粘弹塑性本构模型的特点,通过后向欧拉法结合牛顿迭代法求得了模型在恒应力加卸载和恒加载率加卸载下应变响应的数值解。
为了求取模型参数,通过控制蠕变-回复响应的应力水平和加载时间将材料的粘弹性、粘塑性和损伤响应区分出来。使用最小二乘法获得了粘弹性模型参数,使用改进的单纯形优化算法,结合一维本构模型的数值解法实现对粘塑性参数和损伤参数的优化估计。
使用蠕变-回复试验和恒加载率-回复试验验证了模型参数的有效性。(4)将改性双基推进剂的拉压不对称含损伤粘弹塑性本构模型写为增量形式,编制为ABAQUS提供的用户自定义材料(UMAT)子程序,将蠕变-回复载荷下的仿真结果与蠕变试验及本构模型一维数值解进行比较,验证了UMAT子程序的准确性。
(5)建立了自由装填改性双基推进剂星孔药柱的有限元仿真模型,基于改性双基推进剂拉压不对称含损伤粘弹塑性本构模型,分析了点火压力载荷和加速度过载下药柱的结构完整性问题。本文以改性双基推进剂的拉伸和压缩力学响应为基础,建立了材料的拉压不对称含损伤粘弹塑性本构模型,通过有限元仿真计算,进行了星孔装药结构完整性应用研究,为固体火箭发动机装药设计提供指导。