固体推进剂黏弹性本构模型及其有限元应用研究

基于时温等效原理和WLF方程建立推进剂黏弹性泊松比主曲线方程,进而建立考虑时间温度相关泊松比的推进剂本构模型。基于增量有限元方法,采用完全显式积分算法推导增量形式的黏弹性本构方程。根据MSC. Marc用户子程序编程规则,确定本构模型对应的一致切线刚度矩阵从而实现本构模型的有限元应用。先后通过固化降温以及点火增压工况,分别采用黏弹性泊松比以及弹性泊松比对药柱结构进行应力应变力学响应分析,并对比不同类型泊松比对应力应变场的影响。研究方法和结果可为发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

点火载荷下翼柱型装药结构完整性数值分析

针对固体火箭发动机翼柱型装药在点火载荷下结构完整性问题,提出了一种考虑三维损伤黏弹性本构性的数值模拟方法.基于商业有限元软件的二次开发平台,编写用户子程序,展开有限元数值计算,获取翼柱型装药在固化降温、点火载荷下装药结构的应力、应变与位移场分布.结果表明,在温度载荷与点火载荷下,药柱内表面变形模式是不同的.然而,不管在...     

固体推进剂装药结构完整性分析的研究进展

装药结构完整性分析已成为制约固体火箭发动机研制水平的瓶颈问题之一,基于粘弹性力学理论,综述归纳了固体推进剂装药结构完整性分析的研究现状,重点介绍了药形结构、材料性能、载荷形式和老化贮存4个因素对推进剂结构完整性的影响,分别指出各个因素在固体推进剂结构完整性研究中取得的成就、存在的问题以及未来的发展方向,以期为后续药柱及...     

固体火箭发动机长期贮存热载荷的有限元分析方法

分析了固体火箭发动机药柱在长期贮存过程中,由于温度载荷谱的变化所引起的力学响应。基于粘弹性积分蠕变型本构关系,推导了能分析粘弹结构的热载荷的有限元模型,并用它分析了梁、厚壁圆筒与真实固体火箭发动机的热应力问题。     

储运条件下固体火箭发动机响应研究综述

储运条件下,固体火箭发动机主要经历温度载荷和振动载荷作用,药柱在瞬时作用下的应力应变集中或在长期作用时的性能退化均可能会影响其使用安全。区分固化降温、低温载荷和循环温度载荷3种情况,梳理分析固体火箭发动机在不同温度载荷下的响应变化特点和规律;区分公路运输载荷、舰载振动载荷和挂飞振动载荷3种情况,梳理分析固体火箭发动机在不同振动载荷下的响应变化特点和规律,并提出开展储运条件下固体火箭发动机响应研究的建议,为其在储运条件下开展结构完整性研究提供了参考。     

粘弹性谱随机有限元

发展了一种粘弹性谱随机有限元法(VSSFEM),并将其用于固体火箭发动机装药结构随机分析。基于不可压或近似不可压粘弹性增量有限元方法和正交展开理论,考虑固体推进剂泊松比的随机性,推导了粘弹性谱随机有限元列式,最后对弹性约束的圆柱形中孔药柱进行了随机分析。算例分析表明该方法能够正确有效地进行粘弹性体随机分析。     

围压下固体推进剂的破坏机理分析

贴壁浇筑的固体发动机推进剂药柱在点火状态下处于三向围压状态,而环向承受拉应变,亟待对围压下推进剂的破坏机理展开研究。基于自研的围压加载试验系统,通过开展推进剂在不同围压、温度和应变率下的单轴拉伸试验来研究围压、温度和应变率的耦合作用对推进剂力学行为的影响。针对围压下推进剂的力学响应特征,通过细观力学仿真进一步研究围压下推进剂的破坏形式,同时借助电镜扫描试验分析推进剂试样断面的形貌特征,通过试验和仿真相结合的手段分析了围压下推进剂的破坏机理。研究结果表明,围压下推进剂的损伤界面显著减少,且随着围压载荷的逐渐增加,推进剂的损伤形式从以颗粒脱湿为主转变为以颗粒破碎为主。     

长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析

为了分析长期贮存的固体导弹发动机药柱脱粘层界面裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的扩展情况,建立了发动机药柱在包覆层与推进剂之间脱粘的三维有限元计算模型,并于脱粘界面的裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟脱粘界面裂纹扩展。在包覆层与推进剂之间设置不同深度脱粘,计算了在燃气内压和轴向过载联合作用下不同贮存期、不同深度的界面裂纹尖端的应力强度因子,得到了界面裂纹应力强度因子随贮存时间、脱粘深度的变化规律,对长期贮存的固体发动机脱粘界面裂纹的扩展进行了分析。     

土体泊松比对压入管桩单桩挤土位移场的影响

基于ABAQUS有限元软件,采用主从接触算法模拟桩-土相互作用、修正剑桥模型作为土体本构模型,通过在桩顶施加竖向位移荷载以及合适的网格划分技术建立了较为符合压入管桩压桩实际的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了压入管桩压桩产生的挤土位移场,对不同泊松比时压入管桩单桩挤土位移场进行了对比分析。结果表明:不同泊松比时竖向和水平挤土位移场沿深度方向和径向的分布规律趋于一致;土体泊松比的变化会对压入管桩压桩产生的竖向和水平挤土位移场产生较大影响;泊松比越大,压桩产生的竖向和水平挤土位移越大。     

固体发动机药柱正交各向异性材料参数灵敏度分析

<正>交各向异性材料已在大型固体发动机上得到广泛应用。为了较大地降低发动机药柱的VonMises应变水平,极大地提高发动机的结构完整性能,以星形药柱为例,对固体发动机药柱推进剂和绝热层的弹性模量和泊松比等正交各向异性材料参数进行了灵敏度分析,得到了固体发动机药柱正交各向异性材料参数的灵敏度系数。分析方法与结论对固体发动机的优化设计具有指导作用。     

含内聚空洞固体发动机药柱的寿命预估

为了对含内聚空洞固体导弹发动机的贮存寿命进行预估,采用加速老化试验,得到该推进剂最大延伸率随贮存时间的变化规律;应用三维粘弹性有限元分析方法,对含内聚空洞的发动机贮存一定时间后直接点火发射过程进行数值仿真,从中获得发动机药柱在点火增压和轴向过载联合作用下的最大Von Mises应变.将不同贮存期药柱的最大Von Mises应变值与推进剂的最大延伸率进行对比,利用结构完整性评估准则,给出了某发动机药柱不同贮存期间内聚空洞大小的允许值.该方法可为含内聚空洞固体发动机的判废提供定量参考.     

伞盘结构对大长径比发动机药柱结构完整性的影响

为了提高大长径比发动机药柱结构完整性水平,基于三维黏弹性有限元法,计算某大长径比固体发动机在温度和内压荷载联合作用下的结构响应;研究伞盘结构及其位置对药柱最大Von Mises应变的影响规律;讨论当伞盘位于药柱中部时,伞盘最大Von Mises应变随伞盘宽度、深度以及顶部圆弧半径比的变化规律。结果表明,伞盘位于药柱中部时可以有效地降低大长径比药柱的最大Von Mises应变,增加伞盘宽度、深度或选取合适的半径比均可降低伞盘结构的最大Von Mises应变。所得结论可为固体发动机设计提供参考。     

基于能量耗散的药柱粘弹性累积损伤

基于不可逆能量耗散的损伤变量定义方法和动态线粘弹性理论,建立了固体推进剂累积损伤模型,利用不同拉伸速率下的试验数据,拟合得到了推进剂破坏耗散能表达式,进而给出了推进剂在周期应力响应下的累积损伤计算式,并讨论了周期应力幅值和频率对累积损伤的影响,最后对某舰载发动机药柱进行了累积损伤及使用寿命分析。提出的累积损伤分析方法,为固体发动机贮存寿命预估提供了一条有益的技术途径。     

Research on the influences of confining pressure and strain rate on NEPE propellant: Experimental assessment and constitutive model

In order to study the influences of confining pressure and strain rate on the mechanical properties of the Nitrate Ester Plasticized Polyether (NEPE) propellant, uniaxial tensile tests were conducted using the self-made confining pressure system and material testing machine. The stress-strain responses of the NEPE propellant under different confining pressure conditions and strain rates were obtained and analyzed. The results show that confining pressure and strain rate have a remarkably influence on the mechanical responses of the NEPE propellant. As confining pressure increases (from 0 to 5.4 MPa), the maximum tensile stress and ultimate strain increase gradually. With the coupled effects of confining pressure and strain rate, the value of the maximum tensile stress and ultimate strain at 5.4 MPa and 0.0667 s⁻¹ is 2.03 times and 2.19 times of their values under 0 MPa and 0.00333 s⁻¹, respectively. Afterwards, the influence mechanism of confining pressure on the NEPE propellant was analyzed. Finally, based on the viscoelastic theory and continuous damage theory, a nonlinear constitutive model considering confining pressure and strain rate was developed. The damage was considered to be rate-dependent and pressure-dependent. The constitutive model was validated by comparing experimental data with predictions of the constitutive model. The whole maximum stress errors of the model predictions are lower than 4% and the corresponding strain errors are lower than 7%. The results show that confining pressure can suppress the damage initiation and evolution of the NEPE propellant and the nonlinear constitutive model can describe the mechanical responses of the NEPE propellant under various confining pressure conditions and strain rates. This research can lay a theoretical foundation for analyzing the structural integrity of propellant grain accurately under working pressure loading.     

THE CREEP-DAMAGE MODELING CORRELATED TO TEMPERATURE FOR COMPOSITE SOLID PROPELLANT

ＴＨＥＣＲＥＥＰ－ＤＡＭＡＧＥＭＯＤＥＬＩＮＧＣＯＲＲＥＬＡＴＥＤＴＯＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＦＯＲＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳＯＬＩＤＰＲＯＰＥＬＬＡＮＴＳｈｅｎＨｕａｉｒｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,１０８Ｌａｂｏ...