【摘要】：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)期貯存、一次使用的特點(diǎn),從制造出廠到投入使用或報(bào)廢的全壽命周期中,絕大部分時(shí)間處于貯存狀態(tài),其貯存壽命是制約導(dǎo)彈武器系統(tǒng)壽命的主要因素,也是武器裝備的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的貯存壽命在很大程度上取決于固體推進(jìn)劑的貯存性能。傳統(tǒng)上,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估主要是通過(guò)固體推進(jìn)劑方坯老化性能研究來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于貼壁澆鑄式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),由于殼體與推進(jìn)劑藥柱的熱膨脹系數(shù)不同,在固化降溫后,推進(jìn)劑藥柱在實(shí)際貯存過(guò)程中將長(zhǎng)期處于定應(yīng)變狀態(tài),其失效機(jī)理與推進(jìn)劑方坯也有所不同。因此,研究推進(jìn)劑在定應(yīng)變作用下的老化機(jī)理與貯存性能更具有工程應(yīng)用價(jià)值,也是準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)估的理論依據(jù)和模型數(shù)據(jù)來(lái)源。本文首先以HTPB推進(jìn)劑為研究對(duì)象,研究了定應(yīng)變貯存條件下HTPB推進(jìn)劑的老化性能,分析了熱、定應(yīng)變對(duì)HTPB推進(jìn)劑老化性能的影響,建立了包含老化溫度、老化時(shí)間和定應(yīng)變的最大延伸率老化模型和推進(jìn)劑統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)方程,分析了定應(yīng)變和溫度對(duì)各模型參數(shù)的影響規(guī)律。其次,從試驗(yàn)機(jī)理、試驗(yàn)參數(shù)的確定、試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)與取樣方面研究了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)綜合加速貯存試驗(yàn)方法。最后,以三維粘彈性隨機(jī)有限元法和固體推進(jìn)劑高溫加速老化試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了固化應(yīng)變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期貯存壽命的影響,以及推進(jìn)劑性能參數(shù)及載荷條件對(duì)藥柱Von Mises應(yīng)變的影響水平。論文取得的主要研究成果有:1.建立了定應(yīng)變貯存條件下HTPB推進(jìn)劑最大延伸率的老化模型,發(fā)現(xiàn)在定應(yīng)變作用下,推進(jìn)劑的最大延伸率變化過(guò)程是外載荷引起的物理拉伸和溫度引起的化學(xué)老化共同作用的結(jié)果。物理拉伸作用能夠顯著提高HTPB推進(jìn)劑的最大延伸率,其提高幅值與施加的定應(yīng)變水平呈正比關(guān)系�；瘜W(xué)老化降低推進(jìn)劑的最大延伸率,其作用效應(yīng)與表征推進(jìn)劑特性的臨界溫度_CT有關(guān)。在老化溫度低于臨界溫度_CT時(shí),定應(yīng)變對(duì)推進(jìn)劑的延伸率老化速率沒(méi)有影響;在老化溫度高于臨界溫度_CT時(shí),定應(yīng)變會(huì)降低延伸率老化速率。2.基于ZWT粘彈性本構(gòu)方程,通過(guò)引入老化損傷系數(shù)來(lái)量化定應(yīng)變老化對(duì)推進(jìn)劑的損傷程度,構(gòu)建了考慮老化損傷的推進(jìn)劑統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)方程。通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):老化損傷系數(shù)方程能區(qū)分化學(xué)老化與定應(yīng)變對(duì)推進(jìn)劑的損傷作用�；瘜W(xué)老化對(duì)推進(jìn)劑的損傷作用隨老化時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大,且化學(xué)老化不但影響本構(gòu)模型曲線在損傷段強(qiáng)度的大小,還影響其形狀特性。定應(yīng)變對(duì)推進(jìn)劑的損傷作用亦呈指數(shù)規(guī)律增大,但定應(yīng)變僅降低損傷段強(qiáng)度的大小,不改變其形狀特性。3.基于轉(zhuǎn)化法思想,提出了發(fā)動(dòng)機(jī)材料及整機(jī)聯(lián)合加速貯存的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)綜合加速貯存試驗(yàn)方法。并從試驗(yàn)機(jī)理、加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的確定與修正方面介紹了綜合加速貯存試驗(yàn)方法,提出了基于推進(jìn)劑方坯和發(fā)動(dòng)機(jī)雙源數(shù)據(jù)的多步加速模型參數(shù)修正法。在此基礎(chǔ)上以某裝藥燃燒室為應(yīng)用對(duì)象,開(kāi)展了整機(jī)加速試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證研究,提出了解決整機(jī)加速試驗(yàn)過(guò)程中的藥柱性能監(jiān)測(cè)與取樣問(wèn)題的對(duì)策,分別設(shè)計(jì)了可用于藥柱內(nèi)腔環(huán)境監(jiān)測(cè)和大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部取樣的裝置。4.研究了固化應(yīng)變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期貯存壽命的影響,以0.97為可靠性下限,預(yù)估了藥柱在不同應(yīng)變敏感系數(shù)下的可靠性壽命,發(fā)現(xiàn)固體火箭動(dòng)機(jī)可靠性壽命主要取決于應(yīng)變敏感系數(shù),其可靠性壽命隨應(yīng)變敏感系數(shù)的增大而增大。在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中,模量對(duì)藥柱Von Mises應(yīng)變的影響水平基本不變;泊松比和內(nèi)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(nèi)壓的影響水平逐漸增加,二者基本呈互補(bǔ)的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V512;V435
【圖文】：

圖 2.1 啞鈴試件尺寸圖用 Instron 5567 型電子拉伸機(jī)測(cè)試試樣在常溫下的最大抗拉強(qiáng)度m 、最始模量5%E ，拉伸速率為 100mm·min-1，測(cè)試按國(guó)軍標(biāo) GJB770B-200法》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。測(cè)試溫度為 25±2℃，在相對(duì)濕度不高于 70％的在每個(gè)老化試驗(yàn)溫度和時(shí)間點(diǎn)，取 5 標(biāo)準(zhǔn)啞鈴件進(jìn)行測(cè)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(shí)間下推進(jìn)強(qiáng)度、最大延伸率和斷裂延伸率。2 凝膠百分?jǐn)?shù)的測(cè)定1）試驗(yàn)簡(jiǎn)介體推進(jìn)劑的凝膠含量是指固體推進(jìn)劑中粘合劑體系固化后產(chǎn)生的凝膠系的質(zhì)量比，該參數(shù)在一定條件下與推進(jìn)劑彈性體網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)有關(guān)。推進(jìn)力學(xué)性能之間存在直接關(guān)系，常作為推進(jìn)劑老化的判據(jù)。凝膠含量法的

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

a）3%定應(yīng)變 b）6%定應(yīng)變 c）9%定應(yīng)變圖 2.23 60℃高溫下加速老化 102 天的掃描電鏡圖a）3%定應(yīng)變 b）6%定應(yīng)變 c）9%定應(yīng)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(yīng)變水平下 75℃高溫老化 18 天后，推進(jìn)劑拉伸試樣斷口電鏡描圖�？梢钥闯�，HTPB 推進(jìn)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(shuō)明界面粘結(jié)性不良，但三種應(yīng)變水平下的試樣斷口形態(tài)無(wú)明差異。

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本文編號(hào)：2747277