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加载应力和频率对固体推进剂疲劳寿命的影响研究

梁蔚  
【摘要】:在固体火箭发动机服役过程中,推进剂药柱会受到不同形式的交变载荷的作用,这些交变载荷短时间不会造成药柱宏观上的破坏,但长时间循环加载作用,会对推进剂力学性能造成恶劣影响,使固体火箭发动机的结构完整性遭到破坏。本文以某科研项目为背景,开展了 HTPB推进剂原始材料的单轴拉伸和应力松弛试验,获取了推进剂不同应变率下的力学性能,并对HTPB推进剂进行了不同应力水平和加载频率的疲劳试验,研究了材料的疲劳寿命方程和损伤演化规律,结果可为装药结构完整性分析和发动机安全设计提供参考依据。主要内容如下:(1)利用材料万能试验机完成了疲劳前HTPB推进剂不同应变率下的单轴拉伸试验和应力松弛试验,得到了推进剂不同应变率下的应力-应变曲线和应力松弛曲线,通过分数指数模型拟合获取了材料的松弛模量,以此建立了松弛型积分本构模型,并引入了应变率和应变范围相关的损伤因子,可以很好地描述材料不同应力率下的力学响应。(2)利用动态热机械分析仪开展了 HTPB推进剂不同应力水平和加载频率的疲劳试验,分析了疲劳过程中的应力、应变以及滞回环等力学参数的变化规律,获取了材料不同条件下的疲劳寿命,并利用红外热像仪实时监测疲劳过程中HTPB推进剂试件的温升变化,分析疲劳过程中材料的产热规律以及确定疲劳断裂位置和疲劳极限。通过开展疲劳后单轴拉伸试验,并结合电镜扫描,从微观层面解释了 HTPB推进剂的疲劳损伤机理。(3)通过常幅应力控制疲劳试验,获取了 HTPB推进剂在双对数坐标系下的疲劳方程,探讨了疲劳寿命与最大加载应力和加载频率之间的关系,建立了频率修正的疲劳寿命方程。从宏观力学性能的劣化为出发点,定义HTPB推进剂疲劳过程中动态模量的衰减作为损伤变量,基于连续介质损伤力学,建立了可以考虑宏观裂纹发展的含频率效应的疲劳损伤三阶段模型,可以很好地表征HTPB推进剂在常温下不同加载应力和加载频率下的损伤演化规律。(4)对HTPB推进剂开展变幅载荷加载的疲劳试验,分析了加载次序和加载幅值对材料动态模量和疲劳温升的影响,给出了 Miner法则、修正Miner法则和Corten-Dolan理论进行疲劳寿命估算的方法和计算公式,并且建立了基于疲劳损伤模型和疲劳温升的累积损伤理论,探讨了这几种疲劳累积损伤理论对HTPB推进剂残余寿命预测的适用性和准确性。


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