彭威[1]2001年在《复合固体推进剂粘弹损伤本构模型的细观力学研究》文中认为建立正确有效的复合固体推进剂本构模型是固体火箭发动机结构完整性分析的重要基础，是准确预估固体导弹寿命的关键技术。本文从推进剂的组分和细观结构演化特征出发，以细观损伤力学和不可逆热力学为基础，建立了考虑颗粒增强和界面脱湿损伤的粘弹性本构模型，并进行了实验验证。全文的工作主要包括以下几个方面： 1．基于不可逆热力学的内变量理论，针对以粘弹性变形为主要特征的高分子聚合物材料，建立了复合固体推进剂基体的广义粘弹本构方程。 2．应用细观力学的等效夹杂理论，详细研究了弹性硬颗粒填充对粘弹基体的增强效应。首次从推进剂各组分性能出发建立了反映颗粒填充状况和基体粘弹性能的本构方程。该方程具有由颗粒增强因子与基体粘弹本构方程相乘的简洁表达式，不仅物理意义明确，而且便于工程应用。与试验结果比较表明，该模型在未发生明显损伤的变形范围内是正确有效的。 3．研究了颗粒填充引发微裂纹萌生的损伤机制及其影响因素。通过有限元模型计算了颗粒引起应力分布的变化趋势，结合微裂纹萌生的力学条件，从而推得复合固体推进剂占主导地位的损伤形式是微裂纹在颗粒界面成核并沿界面扩展的脱湿损伤。依据能量判据建立了两相球颗粒脱湿模型，计算并讨论了各细观参数对脱湿时间的影响。 4．研究了分布裂纹的损伤演化规律。在Taylor模型的假设下，首先推导了单个任意取向币形微裂纹在复杂应力状态下引起的柔度张量增量，给出了考虑微裂纹闭合与摩擦的统一表达式。应用线弹性断裂理论复合开裂判据，得到了叁轴拉伸情况下微裂纹扩展的控制方程，讨论了叁维拉伸应力状态下对应的初始扩展微裂纹的尺寸分布和取向空间及其对柔度张量的影响，这是处理复杂应力状态下损伤演化的基础。给出了单轴拉伸条件下微裂纹损伤导致材料各向异性的简单算例分析。 5在分布微裂纹扩展损伤模型的基础上，针对颗粒复合材料的特点，建立了复合固体推进剂的损伤演化发展方程，通过部分定速拉伸实验确定材料参数，由此所建立的本构方程组较充分地体现了细观结构的演化和各组分的效应。在对复合固体推进剂定速拉伸性能预测时取得了与实验曲线相一致的结果，从而验证了本模型的正确性。 本文研究的方法和所建立的本构模型不仅为固体火箭发动机的结构完整性 国 防科技大学研究生院学位论文分析及寿命预估奠定了良好的基础，同时也将对药柱的设计和制造提供有力的理论指导。
常武军[2]2012年在《复合固体推进剂细观损伤及其数值仿真研究》文中认为复合固体推进剂是一种高固体颗粒填充比的含能复合材料,其宏观力学行为强烈依赖于细观结构,在外载作用下微裂纹、微孔洞的扩展及局部很高的应力应变等,都可能使界面粘接的细观结构破坏,从而导致颗粒／基体的界面脱湿,进而影响到宏观力学性能。本文系统地开展了复合推进剂细观损伤实验及其力学行为数值仿真方法研究,主要包括以下内容：(1)复合推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性试验研究。利用单轴拉伸试验和CCD显微分析的方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程,分析了颗粒的界面脱湿形貌与应力-应变曲线的相关性,并探讨颗粒脱湿与应变率和泊松比之间的相关性。从脱湿形貌的角度出发,分析了应力应变规律及泊松比变化的内在原因。(2)建立复合固体推进剂细观结构模型。分析了复合推进剂的颗粒几何模型及细观结构特征,运用RSA顺序随机算法,编程建立了能够有效反映复合推进剂内部构型的二维、叁维细观结构模型。针对颗粒／基体界面特性的研究建立胞元模型,并阐述了复合推进剂胞元简化计算模型的实施与边界条件的设置。(3)基体材料的力学特性及本构模型。为描述丁羟粘合剂固化弹性体的力学特性,采用单轴拉伸试验方法,研究在拉伸载荷作用下的应力响应特征,建立Mooney-Rivlin和不同阶次的Ogden型超弹性本构模型,拟合试验数据得到超弹性本构参数,对比分析了两种模型的适用性及拟合精度,并研究了该材料的粘超弹特性。(4)复合推进剂细观损伤演化的数值分析。采用双线性粘聚区本构描述颗粒／基体界面脱湿损伤扩展的力学行为,建立和实现了有限变形下颗粒／基体脱湿损伤演化过程的数值模拟,得到了界面损伤形核及扩展过程中非均匀应力应变分布,特别是细观界面特性、颗粒尺寸效应对宏观力学响应的影响规律。结合实验观察,进一步分析宏观力学性能变化的内在原因,并探讨了复合推进剂的细观失效机理及破坏情况。本文通过实验和基于细观模型的数值仿真方法研究,分析了细观结构状态与宏观力学性能之间的相关性,对复合推进剂宏观力学性能预示、细观失效机理分析、损伤演化过程及其影响规律都具有重要的意义。
韩龙[3]2016年在《复合固体推进剂细观损伤机理及本构模型研究》文中研究说明伴随着火箭类武器的远程化,高机动性要求不断提高,高能复合固体推进剂逐步得到广泛应用。NEPE作为一种新型高能复合固体推进剂,具备高比冲、高密度以及优良的低温性能等优点,能够较好的契合火箭类武器的远程化期望,因而成为最具发展和应用前景的异质高能固体推进剂。但是能量的提高,带来了结构的愈加复杂化,从而导致NEPE推进剂力学行为较之以往的传统推进剂具有更大的不确定性,对推进剂的实际工程应用带来一定的局限性。因此,为了实现NEPE推进剂在更大范围内的应用推广,同时也从根源上对NEPE推进剂的力学行为进行深入研究,本文基于细观尺度,研究了 NEPE推进剂的损伤机理及演化过程,并将细观研究结果向宏观描述进行拓展,具体而言,主要包含如下内容:(1)对NEPE推进剂进行了电镜扫描试验,得到其微观结构形貌。随后通过定制具有不同细观组成的NEPE试件,并进行常温下不同速率下的单轴拉伸试验及应力松弛试验,结果表明NEPE推进剂的力学性能具有明显的率相关性,其宏观力学参数均随应变率变化而明显改变;通过对不同配方试件试验结果的横向对比,可以发现填充颗粒体积分数及配比的更改,不影响NEPE推进剂的宏观应力松弛行为,而只影响其松弛模量大小,且相比于级配变化,松弛模量对于颗粒体积分数的变化更加敏感;最后,对NEPE粘合剂体系进行了不同速率下的单轴拉伸试验,结合粘超弹理论,建立了适用于NEPE粘合剂体系的粘超弹本构关系,所建本构能够较好的预测NEPE粘合剂体系的单轴拉伸力学行为。(2)基于分子动力学方法,结合具有指数型内聚本构的粘接单元,依据NEPE推进剂的真实配方组成,建立了可反映推进剂细观结构的细观计算模型。通过有限元仿真计算,研究分析了细观结构及组分参数对推进剂宏观力学性能的影响规律,结果表明,NEPE推进剂的宏观力学行为严重依赖于其细观结构,基体特性及颗粒填充分数显着影响其宏观初始模量,而颗粒尺寸配比及界面参数则决定着其受载时的脱湿破坏进程;随后,基于所建细观模型,模拟单轴拉伸试验载荷条件,对NEPE推进剂的细观结构变化进行仿真,得到了 NEPE推进剂的细观损伤演化过程,反映了推进剂在载荷作用下其细观结构所呈现出的典型四阶段形貌及状态。(3)为了克服细观参数测试手段的缺失,采用基于Hook-Jeeves算法的反演识别手段,综合试验结果及仿真分析得到了 NEPE推进剂细观界面参数。针对NEPE推进剂中具有多类填充颗粒的情况,通过对具有不同填充颗粒的试件进行单轴拉仲试验及对应细观模型的仿真计算,进行分步反演,得到AP及RDX颗粒与基体间的具体界而参数。随后,为了考虑实际推进剂中界面力学性能的率相关性,建立了率相关内聚力模型,并基于反演方法得到模型参数,最后对NEPE推进剂细观界面性能的温度相关性进行研究,结果表明,界面力学性能受温度影响较大,采用指数函数定义了界面参数与温度之间的关系描述,并引入至所建立的率相关界面模型中,从而导出了可同时考虑率效应及温度因素的细观界面本构关系。(4)基于聚合物自由体积理论,参照时间-温度等效原理的基础上,提出时间-温度-损伤等效理论,建立起时间-温度-损伤等效模型。对NEPE推进剂在不同温度及不同应变水平下进行应力松弛试验,得到了 NEPE推进剂松弛模量与温度损伤之间的关系。随后分别基于时间温度及时间损伤等效,并结合累计损伤模型,经过对数坐标水平移位得到两条参考温度下无损伤的NEPE推进剂松弛模量主曲线,曲线通过真实长时间松弛试验进行验证,结果表明,两条主曲线与实际试验相互之间在35000s内具有较高的吻合度,说明所建时间-温度-损伤等效模型能够较好的体现NEPE推进剂力学的性能温度及损伤相关性。(5)细观研究表明,颗粒脱湿是影响NEPE推进剂力学行为的关键因素,为了改进传统唯像学方法所建立的本构模型无法计及细观脱湿因素的不足,基于粘弹性脱湿准则和所建立的粘弹性时间-损伤等效原理,将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至有限变形下的粘弹性本构关系中,从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE固体推进剂本构模型。为了验证所建模型的准确性,对NEPE材料进行了不同温度下的单轴等速率拉伸和组合工况下的力学试验,并利用Matlab软件平台编程实现了本构模型对NEPE推进剂在相应载荷下力学行为的数值预测,数值计算结果与试验曲线较为吻合,预测数值与试验值偏差在20%以内,说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内的粘弹性力学行为,为预测具有复杂细观结构的异质固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。总而言之,本文以NEPE复合固体推进剂的细观损伤机理及其考虑细观因素的宏观力学行为描述为研究目标,采用仿真试验相结合的研究手段,研究了 NEPE推进剂在细观尺度的力学行为,揭示了 NEPE推进剂的细观损伤机理及演化过程,获得了NEPE推进剂宏观力学行为随细观结构因素的变化规律,结果表明NEPE推进剂宏观力学性能严重依赖于其细观结构,且能够基于细观模型实现预测,结合细观研究成果,建立了可考虑细观因素的NEPE推进剂宏观本构模型,模型能够较好的描述NEPE推进剂的宏观力学响应,能够为异质推进剂配方设计,以及火箭发动机装药结构完整性分析提供一定的理论指导。
彭威, 郑坚, 白鸿柏, 刘英杰, 杨建春[4]2003年在《复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究》文中指出基于线弹性断裂理论,提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程,通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数,从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证,而且在较大范围内可以有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。
敬仕明[5]2009年在《PBX有效力学性能及本构关系研究》文中提出本文的主要研究内容如下:1.对PBX有效弹性性能的最新研究进展以及PBX本构关系(即应力应变关系)的研究现状进行了综述。在总结分析文献的基础上,提出了以PBX作为研究对象,着重对其有效弹性性能进行细观力学模拟,以及对不同应变率下(准静态、动态)的力学行为及本构关系进行研究。2.选取了以TATB为基的PBX作为研究对象,在获得单组份力学性能的前提下,采用叁种经典的细观力学模型对其有效弹性模量(体积模量、剪切模量)进行了理论计算。模拟计算结果与实验值的对比表明,采用Hashin—Shtrikman法和叁阶界限法模拟的有效弹性模量要优于采用Voigt—Reuss界限法所获得的结果。3.设计了系列组分相同但压制密度不同的以TATB为基的PBX样品,测试了它们的弹性模量值。基于细观力学模型的模拟结果,通过引入一个含有密度因素的修正系数,对Hashin-Shtrikman模型进行了改进,获得了该PBX的有效模量跟压制密度的函数关系。改进后的模型能较好地预测以TATB为基的双组份PBX的有效弹性模量。4.测试了以TATB为基的两种PBX(即PBX-1和PBX-2)在准静态加载下的应力-应变曲线,研究了弹性模量、压缩强度等的率相关规律。获得了用于表征两种PBX应变率敏感程度的两个材料参数A和B的值。结果表明,PBX-2力学性能对应变率的依赖性显着弱于PBX-1。5.基于Lemaitre的损伤演化方程,建立了适用于PBX在不同应变率下的损伤演化方程,考虑应变率效应,建立了一个准静态加载下考虑损伤演化的非线性本构方程,该本构方程较好地描述了PBX在低应变率下的力学行为。6.利用Hopkinson压杆,分别测试了以HMX为基的PBX在老化前后的动态应力-应变曲线。研究了老化前后动态强度的变化规律以及率相关规律,并对老化前后的应力应变曲线进行了比较分析。采用忽略低应变率项、含五参数模型的“朱王唐”本构模型,对老化前后的PBX进行了本构曲线的拟合,结果表明该模型能较好地描述以HMX为基的PBX在高应变率下的力学行为,同时拟合出的五个参数并不是常数,而是与应变率相关。
邓凯, 阳建红, 陈飞, 刘朝丰, 黄伟伟[6]2010年在《HTPB复合固体推进剂本构方程》文中进行了进一步梳理本文将Schapery非线性粘弹本构模型和Perzyna非线性粘塑本构模型组合建立HTPB复合固体推进剂非线性粘弹塑性本构方程。根据方程特点利用蠕变/恢复实验和Levenberg-Marquar优化原理确定模型的材料参数,并用单轴拉伸试验验证了该方程。
曹雷[7]2010年在《含能材料损伤本构模型的数值模拟研究》文中认为含能材料是核武器与常规武器杀伤、破坏和动力能源的关键性材料,评估含能材料在各种复杂应力条件下的生存能力和安全性具有重要意义。含能材料的损伤对含能材料的力学和爆轰性能有重要影响,通过数值模拟方法研究含能材料时,使用损伤本构模型可以更贴近实际描述其力学本质。本文从含能材料的宏观特性出发,建立了粘弹性统计裂纹损伤本构模型,并进行了数值模拟验证。主要做了以下工作:1、对含能材料损伤本构模型的研究进展进行了充分的调研,在综合考虑了含能材料粘弹性和准脆性宏观力学特性的基础上,将广义粘弹性模型和微裂纹损伤模型耦合起来,建立了粘弹性损伤本构模型。2、基于建立的损伤本构模型,编写了自定义材料模型子程序,利用LS-DYNA主程序提供的接口,将其加入到LS-DYNA中,编译生成了包含可以通用计算的LS-DYNA求解器。3、利用编译生成的LS-DYNA求解器对约束PBX-9501炸药的动态撞击实验进行了数值模拟。将模拟结果与实验数据进行对比,结果表明,试样的准二维表面位移场与实验结果吻合较好,说明该模型用于研究PBX炸药在动态加载下的力学响应是有效的。
常武军, 鞠玉涛, 王蓬勃[8]2012年在《HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究》文中研究说明针对载荷作用下影响复合推进剂力学特性的脱湿问题,采用等速拉伸和CCD显微分析的试验方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程。建立了粘弹性本构模型,利用细观力学及界面力学的理论,分析试验测得的宏观力学性能发生发展的内在细观原因。结果表明:颗粒/基体的界面脱湿是宏观应力应变曲线非线性的重要原因,也直接导致材料泊松比的下降;界面脱湿的损伤程度由应变值决定,并与应变率具有一定的相关性,泊松比也是定量表征脱湿的重要参数。
参考文献：
[1]. 复合固体推进剂粘弹损伤本构模型的细观力学研究[D]. 彭威. 国防科学技术大学. 2001
[2]. 复合固体推进剂细观损伤及其数值仿真研究[D]. 常武军. 南京理工大学. 2012
[3]. 复合固体推进剂细观损伤机理及本构模型研究[D]. 韩龙. 南京理工大学. 2016
[4]. 复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究[J]. 彭威, 郑坚, 白鸿柏, 刘英杰, 杨建春. 固体火箭技术. 2003
[5]. PBX有效力学性能及本构关系研究[D]. 敬仕明. 中国工程物理研究院. 2009
[6]. HTPB复合固体推进剂本构方程[J]. 邓凯, 阳建红, 陈飞, 刘朝丰, 黄伟伟. 宇航学报. 2010
[7]. 含能材料损伤本构模型的数值模拟研究[D]. 曹雷. 国防科学技术大学. 2010
[8]. HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究[J]. 常武军, 鞠玉涛, 王蓬勃. 兵工学报. 2012