考虑NEPE推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:周东谟()男博士副教授:.:./.考虑 推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析周东谟韩王申钟山伟陈 航吴晗旭刘向阳(.中北大学 机电工程学院 太原 .北京理工大学 宇航学院 北京)摘要:为研究 推进剂拉压不对称性对其装药结构完整性的影响构建了考虑拉压不对称性的推进剂含损伤非线性本构模型提出一种考虑拉压不对称性的装药结构完整性评估方法并对轴向和横向联合过载作用下 推进剂药柱进行了结构完整性分析 结果表明:在轴向和横向联合过载作用下 推进剂药柱处于拉压共存状态且药柱的拉伸和压缩区域与推进剂本构模型无关推进剂的拉压不对称性对其力学响应有一定的影响考虑拉压不对称性的最大等效应变为.介于分别由拉伸本构计算得到的应变.和压缩本构计算得到的应变.之间 考虑拉压不对称性的安全系数为.大于未考虑时的安全系数.和.传统的结构完整性评估方法较为保守关键词:推进剂拉压不对称结构完整性过载力学响应本文引用格式:周东谟韩王申钟山伟等.考虑 推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:引言复合固体推进剂药柱是固体火箭发动机的重要组成部分其结构完整性关乎发动机的安全使用 目前在开展发动机装药结构完整性评估时所使用的推进剂材料力学模型大多是基于单一力学状态(如单轴拉伸或压缩)测试获得的 固体火箭发动机在贮存、运输和使用过程中药柱会受到不同形式的外部载荷导致其内部应力状态的分布十分复杂最典型的是在某些外载荷下推进剂处于拉压共存状态 而固体推进剂的力学性能具有显著的拉压不对称性复合固体推进剂拉/压力学性能不对称的根本原因在于其细观结构导致了推进剂在拉/压 种载荷作用下受载作用机制的不同 复合固体推进剂的粘合剂体系为高分子材料在受到压缩载荷时其分子链的移动空间减小使得其强度高于拉伸载荷作用下的强度同时作为颗粒填充材料推进剂在受到拉伸载荷时其力学性能主要受到粘合剂基体力学性能的影响而在受到压缩载荷时其力学性能受到固体颗粒力学性能的影响这使得推进剂材料在拉伸载荷下的强度较低 因此在开展固体发动机装药结构完整性分析时有必要考虑推进剂材料力学性能的拉压不对称性目前国内外学者针对固体推进剂开展了一系列的拉压对比试验 如 等研究固体推进剂的非线性力学行为时发现推进剂在拉伸和压缩时的力学性能不同并指出在研究推进剂的某些问题时应该考虑由拉伸和压缩引起的非线性行为 文献 表明推进剂的压缩模量大于拉伸模量压缩强度大于拉伸强度 王鸿丽进行了改性双基推进剂在恒应变率下的拉伸压缩对比试验结果表明改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能且该性能受到应变率和温度的影响 吴伟静等定义了推进剂松弛模量的拉压不对称因子通过 和 种推进剂的拉伸/压缩应力松弛试验研究了温度对拉压不对称因子的影响综上所述国内外学者在推进剂力学性能的拉压不对称性方面开展了大量研究工作取得了不小的成就但是这些研究成果鲜有应用到装药结构完整性评估方面 据此开展考虑 推进剂力学性能拉压不对称的装药结构完整性分析为装药结构完整性精确评估提供一种新方法 数值方法.拉压不对称性数值计算方法 推进剂属于非线性粘弹性材料其力学性能具有明显的拉压不对称性这类似双模量材料 对于双模量材料的数值方法目前通常基于 本构关系采用主应力来判断材料点的拉压状态据此选取材料的弹性参数构建基于主应力方向的拉压不同模量的刚度矩阵 这种求解思路存在迭代不稳定、不易收敛及求解效率低的问题研究者认为引起这些问题的原因在于该本构模型中剪切模量缺失的缺陷尚没有得到很好的解决拉压不同模量材料的弹性矩阵不能够退化到同模量的情况 因此本文中采用主轴方向应力()的平均值()/来判定推进剂药柱的拉/压状态据此赋予药柱各计算节点拉/压本构模型参数 该方法能充分考虑推进剂力学性能拉压不对称性对装药力学响应的影响且单元数量、自由度数及计算工作量均较低收敛性较好保留了传统有限元法对求解问题普遍适应性与程序统一性的特点对复杂几何构形和各种物理问题具有很强的适应性 具体流程如图 所示图 药柱结构完整性评估流程.拉压判定准则见式()取 为拉压状态判定因子 当周东谟等:考虑 推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析 时材料处于拉伸状态拉压状态判定因子 取 当 时材料处于压缩状态拉压状态判定因子 取 这是由于推进剂的拉伸模量小于压缩模量 考虑拉压不对称性时 介于 和 之间在拉伸和压缩区域交界处 出现一定的波动.药柱结构完整性分析为分析推进剂力学性能拉压不对称性对药柱损伤特性的影响定义损伤系数 为药柱等效应变与损伤应变阈值之比即:/当 时药柱出现损伤当 时药柱未出现损伤 考虑拉压不对称性的药柱损伤系数为 仅按拉/压状态考虑的药柱损伤系数分别为 和 图 为推进剂药柱在轴向过载和横向过载下损伤系数沿路径 的变化曲线图 由图 可见在轴向和横向联合过载下推进剂没有出现明显损伤 除路径 介于和 之间图 等效应力沿路径 变化曲线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 等效应变沿路径 变化曲线.图 损伤系数沿路径 变化曲线.周东谟等:考虑 推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析 强度失效是 推进剂的主要失效形式为评估推进剂药柱的结构完整性采用 应力准则对轴向和横向联合过载下推进剂药柱的安全系数 进行分析定义 /图 为推进剂药柱的安全系数云图由图可见分别由 种本构模型计算的安全系数不同即推进剂药柱的安全系数临界值取决于其本构模型图 基于等效应力准则的安全系数.通过不同本构模型计算得到的推进剂药柱在轴向和横向联合过载下的安全系数如表 所示 可以看出基于拉伸本构计算得到的安全系数 为.安全裕度较低基于压缩本构计算得到的安全系数 为.安全裕度较高这是由于推进剂药柱压缩强度远大于拉伸强度 基于拉压不对称本构计算得到的安全系数 为.可以得出结论推进剂的力学本构模型对药柱结构完整性的分析结果有显著影响传统的基于拉伸本构模型的结构完整性评估方法较为保守表 安全系数对比 安全系数数值.结论本文中建立了考虑推进剂拉压不对称性的数值计算方法以此分析 推进剂药柱在轴向和横向联合过载作用下的装药结构完整性结论如下:)在轴向和横向联合过载作用下 推进剂药柱处于拉压共存状态且药柱的拉伸区域和压缩区域与本构模型无关)推进剂力学性能的拉压不对称性对其力学响应有一定影响考虑拉压不对称性时的最大等效应变及损伤系数介于仅考虑拉伸、压缩时的应变及损伤系数之间)考虑 推进剂药柱力学性能的拉压不对称性时的安全系数大于未考虑拉压不对称性时的安全系数参考文献:刘中兵利凤祥李越森等.高过载条件下固体推进剂药柱结构完整性分析计算.固体火箭技术():.():.高鸣徐廷学.固体火箭发动机药柱可靠性及寿命预估研究.固体火箭技术():.():.():./.():.李猛赵凤起尚帆.加速度载荷下推进剂力学行为研究进展.固体火箭技术():.():.龚建良李鹏张正泽等.固体火箭发动机装药结构完整性研究进展.科学技术与工程():.():.:.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./():.():.():.():.张晓军常新龙赖建伟等.推进剂低温拉伸/压缩力学性能对比.固体火箭技术():.():.王鸿丽许进升周长省等.改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究.固体火箭技术():.():.吴伟静樊自建袁杰红等.固体推进剂松弛模量拉压性能及温度敏感性分析.固体火箭技术():.():.刘华清.钛合金材料双模量蠕变损伤本构关系研究.大连:大连理工大学.:.不同模量弹性理论.邬瑞锋张允真译.北京:中国铁道出版社.:.张亮.拉压不同模量问题非线性分析高性能算法研究.大连:大连理工大学.:.杜宗亮.拉压不同模量结构的分析与设计及结构优化的对称性问题研究.大连:大连理工大学.:.():.():.():.王礼立董新龙孙紫建.高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为.爆炸与冲击():.():.孙朝翔鞠玉涛郑亚等.双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤 本构.爆炸与冲击():.():.周东谟.定应变下 推进剂老化机理及发动机寿命预估研究.北京:北京理工大学.:.科学编辑 庞维强 博士(西安近代化学研究所 研究员)责任编辑 唐定国周东谟等:考虑 推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析