改性双基推进剂装药结构完整性数值仿真方法研究

【摘要】：在战术火箭武器向着小型化、远程化发展的需求下,大量高能推进剂得到使用,装药长径比进一步增大,装填密度不断提高,使得装药结构完整性问题突出显现。改性双基推进剂由于其比冲高,低特征信号和燃气清洁等特点已成为中小口径战术火箭的主要动力源之一。因此针对改性双基推进剂数值完整性分析开展研究,将为这类发动机设计提供理论支持。全文的工作主要包括以下几个方面： (1)针对目前松弛模量获取方法所存在的不足进行改进,在国外先进理论的基础上,提出了一种改进型的静态松弛模量获取方法,并基于线性粘弹性理论和等速拉伸实验验证了该方法的准确性和优越性。 (2)在累积损伤模型的基础上提出了一种修正型累积损伤模型,利用该损伤模型,结合蠕变破坏实验和等速拉伸破坏实验,建立了改性双基推进剂屈服判据和破坏判据,能够较好预测不同应变率下的屈服和破坏。 (3)结合Schapery的含损伤的非线性粘弹性理论和累积损伤模型,建立了改性双基推进剂材料含累积损伤的非线性粘弹性本构方程,根据不同速率下的等速拉伸应力应变实验曲线拟合本构方程参数,并将本构方程扩展到三维形式。 (4)对建立的含累积损伤的非线性粘弹性本构方程进行数值展开,获得应力更新方程和材料Jacobian矩阵,利用FORTRAN语言编制了自定义材料本构模型子程序,将子程序融合到ABAQUS软件中进行数值仿真,通过实验验证了本文建立的本构模型和数值方法具有一定的准确性。 (5)利用本文建立的有限元数值方法对非均布压力载荷作用下的改性双基推进剂自由装填药柱结构进行了数值计算研究,计算并分析了压力载荷特性、星孔几何参数及包覆层材料对装药结构完整性的影响规律,结果显示压差对装药结构完整性影响很大,压差一定时,压力幅值和压力上升沿时间对装药结构完整性影响较小,但是较大的压力幅值和较小的压力上升沿时间通常会导致压差的增大。所以在发动机设计时应设法减小压差。星尖圆弧半径系数和角分数对装药结构完整性影响明显,肉厚系数对玻璃纤维包覆的改性双基推进剂装药结构完整性影响较小,对三元乙丙橡胶包覆的改性双基推进剂装药结构完整性影响明显。在非均布压力载荷下玻璃纤维这类较硬的包覆层对药柱起到了较好的保护作用。 本文围绕改性双基推进剂装药结构完整性数值仿真方法建立起的理论、方法及结论,将很好地指导固体火箭发动机装药设计。