碳纳米推进剂力学性能增效机理与预示方法研究

The requirement of the next generation of missile weapon on mechanical properties of solid propellant is a great challenge. Although the new nanomaterial, e.g. carbon nanotube, can greatly improve the mechanical properties of propellants, its mechanism remains unclear. A project is suggested to reveal the synergized mechanism and to predict mechanical properties of carbon nanomaterial propellants with consideration of scale effect of carbon nanomaterial components, microscopic enhanced effect of particles, viscoelastic property of matrix and “dewetting” damage of the interface. It should be noted that the project is based on our previous research on the solid propellant constitutive model and the analysis of mechanical behavior of carbon nanomaterial components. A nonlocal Eshelby-Mori-Tanaka model will be established to analyze the effective mechanical properties of the viscoelastic matrix filled with carbon nanomaterial components. The Voronoi cell finite element method will be proposed to predict the mechanical properties of propellants. Moreover, the extend Voronoi cell finite element method will be proposed to analyze the “dewetting” damage of propellants. The proposed model and methods will be verified and modified by producing carbon nanomaterial propellants and testing their mechanical properties. Finally, a multi-scale optimization design method for carbon nanomaterial propellant will be developed. The project will provide scientific basis and theoretical guidance for the development of high performance propellant and supports the development of solid rocket motor with high filling fraction, long lifetime and wide temperature adaptability.

新一代导弹武器对固体推进剂力学性能提出了重大挑战，碳纳米管等新型纳米材料可大幅改善推进剂的力学性能，但其机理尚不清晰。本项目基于课题组前期在固体推进剂本构模型和碳纳米元件力学行为分析方面的研究基础，拟考虑碳纳米组分的尺度效应、细观颗粒的增强效应、基体的粘弹性以及界面的“脱湿”损伤，开展碳纳米推进剂力学性能增效机理和预示方法研究。建立含碳纳米组分粘弹性基体等效力学性能分析的非局部Eshelby-Mori-Tanaka模型；提出推进剂力学性能预示的细观粘弹性的Voronoi有限元法，进一步提出碳纳米推进剂“脱湿”损伤分析的扩展Voronoi有限元法；并通过研制碳纳米推进剂、测试其力学性能，校核和修正相关模型和方法；形成一套碳纳米推进剂力学性能多尺度优化设计方法。为高性能推进剂的研制提供科学依据和理论指导，有效支撑高装填分数、宽温适用、长设计寿命固体导弹发动机的研制。

颗粒的增强效应、基体的粘弹性以及界面“脱湿”损伤效应对固体推进剂的力学性能有较大影响，而传统的位移有限元方法已无法满足细观尺度研究的计算需求。碳纳米组分对推进剂性能改善具有重大作用，但缺乏对其增效机理和预示方法的研究。本研究基于非局部理论，建立了含碳纳米组分推进剂粘弹性基体的等效夹杂模型，能够对不同尺度的推进剂组分进行逐级建模，能够较好地模拟推进剂的真实细观结构特性；并进一步考虑推进剂基体材料的非线性，建立了用于碳纳米推进剂力学性能预示的细观粘弹性Voronoi有限元法，从而对含碳纳米组分推进剂的粘弹性能有了较好的预示精度；为了研究推进剂在受载过程中的“脱湿”损伤，对推进剂在受载过程中的细观结构变化及损伤发展演化情况进行精确模拟，在推进剂模型中加入了模拟界面脱粘及开裂的PPR内聚力本构模型，从而建立了考虑“脱湿“损伤的碳纳米推进剂力学性能预示X-VCFEM方法，对推进剂力学性能的模拟更加精准；并在完成推进剂力学性能预示工作的基础上，基于VCFEM和遗传算法，建立了碳纳米推进剂力学性能优化设计方法，该方法实现了通过力学性能对推进剂的组分及配比进行反向调控的目标。科学上，本研究在X-VCFEM的基础上实现了碳纳米推进剂的细观模型建立和“脱湿”损伤模拟，在VCFEM在推进剂领域的应用具有重要的推动作用，大大提高了推进剂细观仿真分析的计算效率和建模效率；应用上，本研究实现了对含损伤碳纳米推进剂的力学性能优化设计，能够更好地指导工程应用，奠定了将碳纳米推进剂应用于工程实际的基础，进而提高固体火箭发动机安全性能和使用性能。在本项目资助下，撰写3份研究报告；共发表期刊学术论文27篇，其中SCI收录11篇；参加国内外高水平学术交流22人次；授权国家发明专利及实用新型专利12项；培养博士研究生2名，硕士研究生5名。