复杂载荷下固体推进剂含损伤非线性力学性能多尺度研究

For the requirements about structural integrity analysis of the grain in the process of solid rocket motor design and life prediction, the constitutive equation and the strength criterion of composite solid propellants are researched by multiscale numerical simulation method and mechanical tensile tests under complex loads. The multiscale particles packing model with damage is modeled based on solid propellant components and particles packing method. The process of damage evolution and its effect on macroscopic mechanical properties are revealed by FEM calculation. Considering that the solid rocket motor work space is wide and mechanical properties of the grain are affected by the pressure and high strain rate caused by pressure impact, many mechanical tensile tests of solid propellants under different pressure and stretching rate in the high, normal and low temperature are carried out. The relationship between solid propellant mechanical properties and pressure, strain rate is studied based on the test results. At last, the constitutive equation and strength criterion which can describe the grain mechanical response successfully when the solid motor is working are proposed based on the multiscale numerical simulation results and the tensile test results under complex loads. They can provide a reliable reference in the process of solid rocket motor design and life prediction.

针对固体火箭发动机设计和寿命预估过程中对药柱结构完整性分析的需求，分别从多尺度数值模拟方法和复杂载荷下的力学拉伸试验，展开复合固体推进剂本构关系及强度准则的研究。根据复合固体推进剂配方及颗粒夹杂模型建模方法，建立复合固体推进剂含损伤多尺度颗粒夹杂模型，通过有限元计算，揭示复合固体推进剂损伤产生、演化和聚合的过程及其对宏观力学性能的影响。考虑到固体火箭发动机工作区域广泛，并且固体火箭发动机工作时，药柱力学性能受内压及压力冲击引起的高应变速率的影响，分别展开高温、常温及低温环境中，固体推进剂在各种围压及拉伸速率综合作用下的力学拉伸试验，研究复合固体推进剂力学性能与环境压力、应变速率的关系。结合复合固体推进剂多尺度数值模拟结果及复杂环境下的拉伸试验结果，提出能反映固体火箭发动机工作时药柱力学响应的本构关系和强度准则，为固体火箭发动机设计及寿命预估提供可靠的参考依据。

复合固体推进剂是典型的颗粒增强粘弹性材料，其力学性能随温度、应变速率和环境压强等因素而变化，采用常规的计算方法难以准确地评估，尤其是在低温点火工况下发动机装药的结构完整性。本项目针对该问题，开展了多项基础试验，同时结合含损伤细观颗粒夹杂模型的数值仿真，对推进剂的损伤、失效机理进行了分析。在此基础上，对发动机点火工况下推进剂的力学行为及失效判据进行了研究，并推导了推进剂的变泊松比本构方程，对某发动机装药的低温结构完整性进行了评估，评估结果可靠、准确。. 通过固体推进剂单轴拉伸试验，发现当应变速率达到一定程度时，推进剂的应力-应变曲线出现了“双峰”现象。随着应变速率的增大，尤其在低温-50℃环境中变化更加显著。为揭示该现象的成因及推进剂的损伤机理，采用细观颗粒夹杂含界面损伤模型，计算并分析了应变速率对“脱湿”损伤的影响。结果表明，高应变速率下产生“脱湿”损伤的界面数量增多，但推迟了“脱湿”损伤的演化过程。结合围压单轴拉伸试验，认为在发动机点火工况下，推进剂的损伤以基体损伤为主。. 基于以上分析，为获得该推进剂在低温-50℃点火工况下的许用极限，考虑温度应变和点火冲击应变的综合影响，开展了固体推进剂低温快慢组合拉伸试验。结果表明，12%为该固体推进剂慢拉过程（等同降温过程）的一个阈值，在该应变水平下固体推进剂颗粒“脱湿”损伤尚未明显形成，主要以基体变形的贡献为主。快拉过程中颗粒“脱湿”损伤被抑制，基体在局部区域变形过大而失效，导致快拉过程的应变增量为10.8%左右。. 通过固体推进剂的松弛试验，获得了接近推进剂真实的瞬时模量。采用非接触式泊松比测量试验获得了推进剂的初始泊松比。通过微CT扫描试验获得了固体推进剂的孔隙率。为获得推进剂在发动机点火增压过程中泊松比的变化提供了依据。根据固体推进剂变泊松比本构方程的推导，对发动机装药在低温-50℃下的结构完整性进行了计算及评估，为高装填发动机装药的设计提供了重要的参考依据。