含典型缺陷固体推进剂药柱的“加料”有限元法研究

Structure integrity analysis of Solid Rocket Motor(SRM) containing defects has become a clamant question in engineering practice. The propellant grain, which is the hardcore of the motor, attracts the most attention of the industry. As a typical viscoelastic material, the structure integrity analysis of the propellant grain containing defects involves several fundamental science fields, such as viscoelastic fracture mechanics, computational solid mechanics and so on. This leads to an insufficiency of analytical methods. Based on summarizing the internally and externally correlative studies, the numerical methods for structure integrity analysis of SRM containing defects are researched in this project. As for the cracks, drop pieces, cohesive cavities,and cut solts existing in the propellant grain of SRM, the theories, including the formulation of enriched elements for typical defects in viscoelastic media and the evaluation of fractural parameters for typical defects in viscoelastic media, are studied. The current work is to build a numerical method that is suitable for fractural analysis of complex viscoelastic structures. Meanwhile, taking into account the nearly incompressibility and thermoviscoelasticity for propellant grain of SRM in engineering, the enriched finite element method is further developed. The key contents are treating the volumetric locking problems in enriched finite element method that is used for the nearly incompressible grain and establishing the formulations of thermoviscoelastic enriched finite element method. The aim of the project is to provide theoretic and technical support for structure integrity analysis of SRM containing defects.

含缺陷固体火箭发动机结构完整性分析是工程实践中亟待解决的问题，而推进剂药柱作为发动机的核心部件，其结构完整性是工业部门关注的重点。发动机药柱具有粘弹性，当对含缺陷的药柱进行结构完整性分析时涉及粘弹性断裂力学、计算固体力学等学科交叉，在分析方法方面存在诸多不成熟之处。本项目在分析国内外相关研究的基础上，开展含缺陷固体火箭发动机结构完整性分析的数值方法研究。针对固体火箭发动机药柱中常见的裂纹、掉块、内聚空洞、划伤等典型缺陷，进行粘弹性介质中典型缺陷的"加料"有限单元理论、缺陷断裂参量理论以及计算方法的研究，旨在建立一套适用于复杂粘弹性结构断裂分析的数值方法体系。同时，紧贴工程实际应用需求，考虑固体火箭发动机药柱的近似不可压性和温度依赖性，开展近似不可压粘弹性"加料"有限元理论研究和热粘弹性"加料"有限元理论研究，为含缺陷固体火箭发动机的结构完整性分析奠定理论基础和提供方法支持。

推进剂药柱作为固体火箭发动机的核心部件，其结构完整性是工业部门关注的重点。针对含典型缺陷固体推进剂药柱的结构完整性问题，本项目主要开展了两大方面内容：一方面针对固体火箭发动机药柱中常见的裂纹、掉块、内聚空洞、划伤等典型缺陷，建立了线粘弹性介质中“加料”缺陷单元的一般构造方法，提出了一种计算二维、三维V形切口应变能释放率的新方法，实现了粘弹性介质中缺陷断裂参量计算与有限元分析的有机结合，并形成了一套适用于粘弹性介质中典型缺陷断裂分析的数值求解方法。另一方面针对发动机药柱脱粘、界面端应力集中、防护涂层开裂、划伤等界面断裂问题，给出了构造界面断裂裂纹问题“加料”单元位移模式所需的渐进位移场统一形式，建立了典型二维/三维粘弹性界面裂纹、垂直界面裂纹以及界面V形切口的“加料”有限元方法，并进一步建立了固体火箭发动机装药界面脱粘、含垂直界面裂纹的热障涂层结构和搭接板界面断裂问题的“加料”有限元模型。通过系统研究，本项目建立了一套适用于复杂粘弹性结构断裂及界面断裂分析的数值方法体系，为含缺陷固体火箭发动机的结构完整性分析提供了理论基础和方法支持。此外，在该项目基金资助下，本团队基于非局部理论进一步开展了粘弹性基体中碳纳米管的振动特性研究，为碳纳米管在推进剂药柱中的应用作了初步探索。本项目研究过程中共培养了3名博士生和3名硕士，并发表了34篇国内外学术论文，其中SCI检索18篇、EI检索14篇、中文核心2篇。