為了研究端羥基聚丁二烯（HTPB）推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲過程裂紋尖端細(xì)觀損傷特點(diǎn),采用掃描電鏡對裂紋尖端動(dòng)態(tài)損傷過程進(jìn)行了觀察。建立了基于子模型的推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲多尺度模型,實(shí)現(xiàn)了三點(diǎn)彎曲試件宏觀變形和裂紋尖端細(xì)觀損傷的有效計(jì)算,并從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)角度分析了裂紋尖端損傷過程。結(jié)果表明:推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲裂紋尖端損傷過程先是裂尖顆粒與基體脫濕,在裂紋尖端附近形成損傷區(qū),隨壓縮位移的增加,不同顆粒脫濕引起的微裂紋與裂尖匯聚,使裂紋向前擴(kuò)展;壓縮過程中,由于裂紋尖端兩端的拉伸作用使裂尖發(fā)生鈍化。壓縮位移從0增加至1.2 mm,裂紋張開位移從0增加至84.1μm,并且隨壓縮位移的增加,其增加的速率也增大;數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。建立的基于子模型的多尺度數(shù)值模型可以有效模擬推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)宏觀變形以及裂紋尖端細(xì)觀損傷過程,為開展推進(jìn)劑宏細(xì)觀損傷過程分析提供了一種新方法。 

【文章來源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

試件尺寸及夾具安裝（單位：mm)

不同壓縮位移時(shí)裂紋尖端放大50倍SEM圖像如圖2所示，這些圖像清晰地反映了不同階段裂紋尖端細(xì)觀形貌變化特點(diǎn)。圖2a為初始時(shí)刻裂紋尖端的細(xì)觀形貌，可以看出，預(yù)制裂紋的過程中導(dǎo)致少數(shù)顆粒破碎，但是大多數(shù)顆粒基本保持完好。壓縮位移從0增加至2.0 mm（圖2b～圖2e），裂紋張開角度隨壓縮位移的增加而變大。裂尖出現(xiàn)鈍化，裂尖附近的顆粒脫濕形成微裂紋，微裂紋隨著壓縮位移的增加不斷擴(kuò)展。壓縮位移從2.5 mm增加至3.0 mm（圖2f～圖2g），微裂紋的擴(kuò)展使基體顆粒界面的粘接能力減弱，基體開始承受抵抗裂紋作用的載荷，發(fā)生較大變形。裂紋尖端載荷的作用使內(nèi)部薄弱處的基體發(fā)生斷裂，脫濕不斷匯聚，在裂尖前方形成一個(gè)明顯的孔洞，如圖2g所示。壓縮位移為3.5 mm時(shí)，裂紋尖端兩側(cè)的拉伸載荷超過基體的抗拉強(qiáng)度，使裂尖基體發(fā)生斷裂，裂紋開始向前擴(kuò)展，如圖2h所示。整個(gè)過程中，遠(yuǎn)離裂紋尖端顆粒未見明顯脫濕現(xiàn)象，裂紋尖端顆粒的脫濕以及不同顆粒間脫濕的匯聚，與裂紋尖端的作用一起，使裂紋向前擴(kuò)展。3 數(shù)值模擬

為了定量地描述裂紋尖端的損傷過程，對其開展數(shù)值模擬研究。對于推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲過程，如果只是建立宏觀模型，則無法反映裂紋尖端細(xì)觀損傷過程，如果建立整個(gè)試件的細(xì)觀模型，則會導(dǎo)致計(jì)算量太大，所以本文提出對HTPB推進(jìn)劑三點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行多尺度數(shù)值模擬。其思想是在關(guān)心的裂紋尖端采用細(xì)觀模型，在遠(yuǎn)離裂紋尖端區(qū)域采用宏觀模型。多尺度數(shù)值模擬采用子模型方法來完成[12]，建立的多尺度模型如圖3所示。宏觀模型尺寸與三點(diǎn)彎曲試件一致，邊界條件的設(shè)置與試驗(yàn)相同，在宏觀模型中預(yù)置一條與三點(diǎn)彎曲試件裂紋尺寸及位置相同的裂紋。在宏觀模型裂紋尖端中心切割一個(gè)尺寸為1000μm×1000μm子模型，對子模型進(jìn)行顆粒填充處理。根據(jù)文獻(xiàn)[13],HTPB推進(jìn)劑細(xì)觀代表性單元的最小尺寸為680μm×680μm，本研究建立的子模型尺寸大于該尺寸，因此建立的細(xì)觀模型是合理的。由于鋁粉等細(xì)顆粒幾乎不會脫濕，只是起到了增強(qiáng)基體模量的作用，所以模型中不考慮鋁粉等細(xì)顆粒，建模時(shí)將細(xì)AP、鋁粉等顆粒融入基體中，混合后基體的模量可以通過Mori‐Tanaka法[14]計(jì)算得到，將混合后的基體統(tǒng)稱為基體。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，壓縮過程中，主要的損傷形式是顆粒與基體界面處的脫粘，所以在基體與顆粒之間采用內(nèi)聚力模型。子模型邊界條件由宏觀結(jié)果插值得到。按驅(qū)動(dòng)量劃分，可以分為結(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)（Node‐based submodeling）和面驅(qū)動(dòng)（Surface‐based submodeling），分別對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)量為位移與應(yīng)力，由于有限元位移計(jì)算結(jié)果精度比應(yīng)力計(jì)算結(jié)果精度更高[15]，所以本文采用結(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)子模型。

【參考文獻(xiàn)】：
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