【摘要】：固體火箭發(fā)動機具有長期貯存、一次使用的特點,從制造出廠到投入使用或報廢的全壽命周期中,絕大部分時間處于貯存狀態(tài),其貯存壽命是制約導彈武器系統(tǒng)壽命的主要因素,也是武器裝備的關鍵性能指標之一。固體火箭發(fā)動機的貯存壽命在很大程度上取決于固體推進劑的貯存性能。傳統(tǒng)上,固體火箭發(fā)動機壽命預估主要是通過固體推進劑方坯老化性能研究來實現(xiàn)的。對于貼壁澆鑄式固體火箭發(fā)動機,由于殼體與推進劑藥柱的熱膨脹系數(shù)不同,在固化降溫后,推進劑藥柱在實際貯存過程中將長期處于定應變狀態(tài),其失效機理與推進劑方坯也有所不同。因此,研究推進劑在定應變作用下的老化機理與貯存性能更具有工程應用價值,也是準確實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機壽命預估的理論依據(jù)和模型數(shù)據(jù)來源。本文首先以HTPB推進劑為研究對象,研究了定應變貯存條件下HTPB推進劑的老化性能,分析了熱、定應變對HTPB推進劑老化性能的影響,建立了包含老化溫度、老化時間和定應變的最大延伸率老化模型和推進劑統(tǒng)計損傷本構方程,分析了定應變和溫度對各模型參數(shù)的影響規(guī)律。其次,從試驗機理、試驗參數(shù)的確定、試驗過程監(jiān)測與取樣方面研究了固體火箭發(fā)動機整機綜合加速貯存試驗方法。最后,以三維粘彈性隨機有限元法和固體推進劑高溫加速老化試驗為基礎,研究了固化應變對發(fā)動機長期貯存壽命的影響,以及推進劑性能參數(shù)及載荷條件對藥柱Von Mises應變的影響水平。論文取得的主要研究成果有:1.建立了定應變貯存條件下HTPB推進劑最大延伸率的老化模型,發(fā)現(xiàn)在定應變作用下,推進劑的最大延伸率變化過程是外載荷引起的物理拉伸和溫度引起的化學老化共同作用的結果。物理拉伸作用能夠顯著提高HTPB推進劑的最大延伸率,其提高幅值與施加的定應變水平呈正比關系�；瘜W老化降低推進劑的最大延伸率,其作用效應與表征推進劑特性的臨界溫度_CT有關。在老化溫度低于臨界溫度_CT時,定應變對推進劑的延伸率老化速率沒有影響;在老化溫度高于臨界溫度_CT時,定應變會降低延伸率老化速率。2.基于ZWT粘彈性本構方程,通過引入老化損傷系數(shù)來量化定應變老化對推進劑的損傷程度,構建了考慮老化損傷的推進劑統(tǒng)計損傷本構方程。通過對模型參數(shù)進一步分析發(fā)現(xiàn):老化損傷系數(shù)方程能區(qū)分化學老化與定應變對推進劑的損傷作用。化學老化對推進劑的損傷作用隨老化時間呈指數(shù)規(guī)律增大,且化學老化不但影響本構模型曲線在損傷段強度的大小,還影響其形狀特性。定應變對推進劑的損傷作用亦呈指數(shù)規(guī)律增大,但定應變僅降低損傷段強度的大小,不改變其形狀特性。3.基于轉化法思想,提出了發(fā)動機材料及整機聯(lián)合加速貯存的固體火箭發(fā)動機綜合加速貯存試驗方法。并從試驗機理、加速試驗模型參數(shù)的確定與修正方面介紹了綜合加速貯存試驗方法,提出了基于推進劑方坯和發(fā)動機雙源數(shù)據(jù)的多步加速模型參數(shù)修正法。在此基礎上以某裝藥燃燒室為應用對象,開展了整機加速試驗技術應用驗證研究,提出了解決整機加速試驗過程中的藥柱性能監(jiān)測與取樣問題的對策,分別設計了可用于藥柱內腔環(huán)境監(jiān)測和大型固體火箭發(fā)動機藥柱內部取樣的裝置。4.研究了固化應變對發(fā)動機長期貯存壽命的影響,以0.97為可靠性下限,預估了藥柱在不同應變敏感系數(shù)下的可靠性壽命,發(fā)現(xiàn)固體火箭動機可靠性壽命主要取決于應變敏感系數(shù),其可靠性壽命隨應變敏感系數(shù)的增大而增大。在長期貯存過程中,模量對藥柱Von Mises應變的影響水平基本不變;泊松比和內壓的影響水平在15年前基本不變,15年后泊松比的影響水平逐漸降低,內壓的影響水平逐漸增加,二者基本呈互補的關系。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V512;V435
【圖文】：

圖 2.1 啞鈴試件尺寸圖用 Instron 5567 型電子拉伸機測試試樣在常溫下的最大抗拉強度m 、最始模量5%E ，拉伸速率為 100mm·min-1，測試按國軍標 GJB770B-200法》中相關規(guī)定進行。測試溫度為 25±2℃，在相對濕度不高于 70％的在每個老化試驗溫度和時間點，取 5 標準啞鈴件進行測試，得到的平均、平均最大延伸率和平均斷裂延伸率視為此老化溫度和老化時間下推進強度、最大延伸率和斷裂延伸率。2 凝膠百分數(shù)的測定1）試驗簡介體推進劑的凝膠含量是指固體推進劑中粘合劑體系固化后產生的凝膠系的質量比，該參數(shù)在一定條件下與推進劑彈性體網絡性質有關。推進力學性能之間存在直接關系，常作為推進劑老化的判據(jù)。凝膠含量法的

a）3%定應變 b）6%定應變 c）9%定應變圖 2.22 75℃高溫下加速老化 18 天的掃描電鏡圖a）3%定應變 b）6%定應變 c）9%定應變圖 2.23 60℃高溫下加速老化 102 天的掃描電鏡圖

a）3%定應變 b）6%定應變 c）9%定應變圖 2.23 60℃高溫下加速老化 102 天的掃描電鏡圖a）3%定應變 b）6%定應變 c）9%定應變圖 2.24 55℃高溫下加速老化 176 天的掃描電鏡圖圖 2.22 為三種定應變水平下 75℃高溫老化 18 天后，推進劑拉伸試樣斷口電鏡描圖。可以看出，HTPB 推進劑斷口粘合劑基體與固體填料界面清晰，出現(xiàn)大量的坑和裸露固體填料，說明界面粘結性不良，但三種應變水平下的試樣斷口形態(tài)無明差異。

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本文編號：2747277