细观结构对HTPB推进剂力学性能影响的数值研究

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关键词: HTPB 推进剂;细观结构;内聚力模型;力学性能;有限元模拟
中 图 分 类 号 : V512;TJ55
文 献 标 识 码 :A
DOI:10.3969/ji.ssn.1001G9731.2018.01.015
0 引 言
在发动机的设 计 过 程 中,最 终 选 择 的 固 体 推 进 剂 及相应的装药型都必须满足固体火箭总体单位对发动 机提出的能量性能和力学性能的要求.推进剂的配方 及装药调整与火 箭 发 动 机 的 设 计 并 列 进 行,如 果 发 动 机的装药结构完 整 性 未 能 满 足 要 求,便 会 修 改 更 换 推 进剂配方.若每种配方的推进剂都通过实验来验证其 力学性能,无疑 对 发 动 机 的 研 制 工 作 带 来 极 大 的 人 力 和物力消耗.实 际 上,推 进 剂 的 力 学 性 能 强 烈 地 依 赖 于 细 观 结 构 ,从 细 观 尺 度 出 发 ,研 究 细 观 结 构 对 推 进 剂 力学性能的影响,可 为 推 进 剂 配 方 的 研 制 提 供 科 学 的 指 导 意 义 ,从 而 极 大 地 减 少 试 验 耗 资 及 设 计 周 期 .
摘 要: 为研究 HTPB 推进剂细观结构组成对其力学 性 能 的 影 响,基 于 分 子 动 力 学 算 法 生 成 了 HTPB 推 进 剂
的 细 观 颗 粒 填 充 模 型 ,并 引 入 双 线 性 内 聚 力 模 型 来 描 述 颗 粒/基 体 界 面 处 粘 结 单 元 的 力 学 响 应 . 通 过 数 值 计 算 得
由 于 颗 粒 填 充 比 较 高 ,颗 粒 粒 径 大 小 差 异 较 大 ,在 这样的模型 上 直 接 生 成 网 格 及 进 行 有 限 元 计 算 较 困 难.为了简化计算模 型,本 文 通 过 多 步 等 效 的 [10] 方 法 将 Al颗粒对推进 剂 力 学 性 能 的 影 响 等 效 到 复 合 基 体 中,在计算时只单独考虑 AP 和 RDX 颗粒的影响.
到了不同配方 HTPB 推进剂单轴拉伸的应力云图和应力应变曲线.比较发现,在受载过程中 RDX 颗粒/基体界
面几乎不发生脱粘,随着 RDX 含量 的 增 加,推 进 剂 的 初 始 模 量 显 著 降 低,但 拉 伸 强 度 几 乎 不 变. 结 论 对 HTPB
推进剂配方的优化设计具有一定的参考价值.
∗ 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51606098);江苏自然科学基金资助项目(BK20140772)
收 到 初 稿 日 期 :2017G07G07
收 到 修 改 稿 日 期 :2017G08G04
01078
文 章 编 号 :1001G9731(2018)01G01078G05
2018 年 第 1 期 (49)卷
细观结构对 HTPB 推进剂力学性能影响的数值研究∗
封 涛1,2,许 进 升1,机械工程学院,南京 210094; 2.上海机电工程研究所,上海 201109;3.上海船舶电子设备研究所,上海 201108)
1 细 观 结 构 模 型
HTPB 推进剂是由 增 强 相 颗 粒、粘 弹 相 基 体 以 及 二者之间的界面 相 组 成 的 高 填 充 比 三 相 复 合 材 料,要 从细观层面研究 其 力 学 性 能,首 先 要 建 立 能 反 映 推 进 剂真实细观结构 的 颗 粒 填 充 模 型,然 后 赋 予 模 型 相 应 的力学性能 参 数 和 边 界 条 件 以 模 拟 推 进 剂 的 力 学 响 应. 1.1 颗 粒 填 充 模 型
提高 其 比 冲 及 控 制 燃 速,然 而 RDX 的 加 入 对 HTPB 推进剂力学性能影响的相关研究还未见报道.
为了 研 究 HTPB 推 进 剂 细 观 结 构 组 成 对 其 力 学 性能的影响,本 文 基 于 分 子 动 力 学 算 法 生 成 了 HTPB 推进剂细观填充 模 型,研 究 了 不 同 颗 粒 组 成 及 级 配 对 HTPB 推进剂力学性能的影响规律.本文的研究内容 对 HTPB 推进剂 的 配 方 优 化 及 固 体 火 箭 发 动 机 的 设 计具有一定的指导意义.
目前用于构建颗粒填充模型的主要有基于蒙特卡 罗算法 的 [7] 随机模拟方法及基于 分 子 动 力 学 算 法 的 [8] 碰撞模拟方法.分 子 动 力 学 方 法 因 形 式 简 单、适 用 性 强 ,自 提 出 以 来 得 到 了 迅 速 的 发 展 . 本 文 选 用 文 献 [4] 中的分子动力学方法,结合 表 1 所 示 HTPB 推 进 剂 配 方 构 建 了 细 观 结 构 填 充 模 型 ,如 图 1.
国内外众多学者从细观尺度对推进剂力学性能进 行了研究,并取得了一定的成果.Knott[1]最 先 构 建 了 均质推进剂的颗 粒 填 充 模 型,为 推 进 剂 的 细 观 模 拟 奠 定了基础.随后,Matous等 在 [2] 对 复 合 固 体 推 进 剂 损 伤演化的研究中用自主开发的软件生成了推进剂代表 体积单元的细观 模 型,研 究 了 有 限 元 网 格 划 分 对 数 值 计算结果的影响.李高春 针 [3] 对推进 剂 细 观 损 伤 的 特 点,在颗粒/基体界 面 处 设 置 粘 结 单 元,发 现 界 面 脱 粘 是造 成 推 进 剂 拉 伸 力 学 性 能 非 线 性 的 重 要 因 素. Zhi[4G5]的研究发 现,推 进 剂 的 拉 伸 模 量 随 着 填 充 颗 粒 体积分数 的 增 加 而 增 大. 韩 龙 在 [6] 研 究 HTPB/IPDI 推进剂细观界 面 率 相 关 参 数 时 发 现,推 进 剂 内 AP 颗 粒位置的随机性几乎不会影响其力学性能.这些研究 均只是针对 HTPB 推 进 剂 中 的 AP 颗 粒 展 开,而 随 着 高能量的要求,HTPB 推进剂中加入了大量的 RDX 来