固體推進(jìn)劑細(xì)觀損傷模式與強(qiáng)度準(zhǔn)則的研究進(jìn)展

摘 要：本文從固體推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷模式與強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出了當(dāng)前研究中存在的不足和需要進(jìn)一步重點(diǎn)開展的研究。分析表明：構(gòu)建不同動(dòng)態(tài)加載下不同溫度及熱老化時(shí)間的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)于分析固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性更具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：固體推進(jìn)劑;細(xì)觀損傷;模式;強(qiáng)度準(zhǔn)則

上世紀(jì)80年代，美國(guó)NASA《空間飛行器設(shè)計(jì)規(guī)范》也明確指出：引起熱試車和發(fā)射失敗的主要原因在于推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)完整性的破壞[1]，通過推進(jìn)劑細(xì)觀損傷的產(chǎn)生與發(fā)展，構(gòu)建不同加載條件下固體推進(jìn)劑的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)于分析推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性更具有指導(dǎo)意義。本文從推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷模式及強(qiáng)度準(zhǔn)則的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并指出目前研究中存在的不足。

1 推進(jìn)劑細(xì)觀損傷模式研究進(jìn)展

固體推進(jìn)劑是典型粘彈性材料，由推進(jìn)劑基體、固體顆粒以及粘合劑所組成，目前國(guó)內(nèi)外研究表明，固體推進(jìn)劑以三種細(xì)觀損傷為主：基體裂紋（撕裂）、固體顆粒斷裂以及推進(jìn)劑基體和固體顆粒的分離（“脫濕”），如圖1所示。

1）基體裂紋。固體推進(jìn)劑在制作、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鬟^程中，由于外力作用會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋不斷聚集或者發(fā)生拓展，形成宏觀的基體裂紋，導(dǎo)致基體撕裂。

2）固體顆粒斷裂。固體顆粒在受到外載荷作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋，當(dāng)載荷持續(xù)施加時(shí)，微裂紋會(huì)不斷增多、聚集，并向兩邊不停拓展，最終貫穿固體顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致顆粒斷裂。

3）界面破壞（“脫濕”）。固體顆粒與基體之間在受到外力作用時(shí)會(huì)造成局部的應(yīng)力升高而產(chǎn)生孔隙，當(dāng)拉伸或者壓縮等載荷作用時(shí)，裂紋逐漸增大，迫使顆粒從基體突出，即“脫濕”。

細(xì)觀損傷的探究可以從機(jī)理上解釋宏觀表征，可以進(jìn)一步對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行分析。目前由于設(shè)備等因素限制，國(guó)內(nèi)外針對(duì)細(xì)觀損傷的研究主要采用的是常溫低應(yīng)變率條件下試驗(yàn)。Farris等基于推進(jìn)劑單向拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了基體與顆粒之間孔隙發(fā)生，發(fā)現(xiàn)了脫濕細(xì)觀損傷形式。通過后期研究發(fā)現(xiàn)，在常溫低速拉伸試驗(yàn)中，拉伸速率可以改變HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷，在低速拉伸時(shí)，“脫濕”是推進(jìn)劑細(xì)觀損傷形式產(chǎn)生形式，當(dāng)拉伸速度提高，推進(jìn)劑細(xì)觀損傷種類逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒斷裂甚至基體的撕裂。為了研究老化時(shí)間對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能影響，張仁等對(duì)不同老化時(shí)間推進(jìn)劑開展常溫低應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)，通過分析不同老化推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷發(fā)現(xiàn)：推進(jìn)劑會(huì)隨著老化過程的不斷推進(jìn)，逐漸出現(xiàn)“脫濕”等損傷現(xiàn)象。Ide等根據(jù)開展的力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)推進(jìn)劑的老化損傷形式進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)老化可以提升推進(jìn)劑裂紋拓展速度。為了研究固體推進(jìn)劑在高速壓縮載荷下細(xì)觀損傷，黃風(fēng)雷設(shè)計(jì)平板進(jìn)行撞擊試驗(yàn)以達(dá)到高速壓縮的試驗(yàn)效果。

溫度的改變對(duì)固體推進(jìn)劑細(xì)觀損傷也會(huì)造成一定的影響，但是細(xì)觀損傷針對(duì)溫度方面研究開展比較少。賴建偉通過低溫及低溫恢復(fù)常溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫會(huì)影響推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷形式，伴隨著溫度的持續(xù)下降，推進(jìn)劑損傷從“脫濕”逐漸發(fā)展成顆粒斷裂甚至基體撕裂。王哲君研究表明：在低溫動(dòng)態(tài)下推進(jìn)劑損傷形式隨著溫度降低及應(yīng)變率升高變得更加嚴(yán)重。除了拉伸試驗(yàn)，Liu和龍兵還開展了固體推進(jìn)劑斷裂性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：裂紋在低溫環(huán)境下的拓展速度最快。

2 推進(jìn)劑強(qiáng)度準(zhǔn)則研究進(jìn)展

目前，針對(duì)固體推進(jìn)劑強(qiáng)度準(zhǔn)則研究主要以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，由于推進(jìn)劑性能與溫度、應(yīng)變率、熱老化及應(yīng)力狀態(tài)等其他因素有關(guān)，所以構(gòu)建強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)必須把上述因素考慮進(jìn)去。固體推進(jìn)劑屬于粘彈性材料，分析其破壞準(zhǔn)則除了傳統(tǒng)強(qiáng)度理論，主要還有Hashin準(zhǔn)則、Tsai-Hill準(zhǔn)則、Tsai-Wu準(zhǔn)則、Bresler-Pister和Willam- Warnke的三參數(shù)模型、Ottosen和Hsieh-Ting-Chen的四參數(shù)模型、Podgorski和宋玉普的五參數(shù)模型等破壞準(zhǔn)則[2][3]。

于洋等通過最大應(yīng)變理論作為標(biāo)準(zhǔn)分析帶筋套管形藥柱在溫度條件下結(jié)構(gòu)完整性。隋欣等則選用了最大應(yīng)力作為判斷依據(jù)取分析NEPE推進(jìn)劑老化過程中藥柱結(jié)構(gòu)完整性。丁彪等根據(jù)最大 Mises 應(yīng)力來判定藥柱研究旋轉(zhuǎn)時(shí)大長(zhǎng)徑比SEM的藥柱結(jié)構(gòu)完整性。TRAISSAC與PAIPC通過單軸拉伸試驗(yàn)分析了不同壓強(qiáng)下推進(jìn)劑的力學(xué)性能。Sebnem研究PBAN推進(jìn)劑的失效與壓強(qiáng)有關(guān)。Jones和Knauss則通過雙軸力學(xué)試驗(yàn)建立了推進(jìn)劑強(qiáng)度包絡(luò)線。

目前公開發(fā)表的強(qiáng)度準(zhǔn)則仍十分稀少，并多以復(fù)合材料和巖土材料為主研究，針對(duì)推進(jìn)劑強(qiáng)度準(zhǔn)則研究還十分缺乏?，F(xiàn)有的強(qiáng)度理論都是只能適用于某一類材料的單一強(qiáng)度理論。雙剪強(qiáng)度理論從雙剪單元體統(tǒng)一的力學(xué)模型出發(fā)，考慮到作用于雙剪單元體上的全部應(yīng)力分量以及他們對(duì)材料屈服和破壞的不同貢獻(xiàn)，得出一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，形成一個(gè)能夠適用于眾多材料的統(tǒng)一強(qiáng)度理論。根據(jù)雙剪概念形成的統(tǒng)一強(qiáng)度理論可以產(chǎn)生三大族新的一系列強(qiáng)度準(zhǔn)則，形成一個(gè)全新的強(qiáng)度理論體系。陽建紅在研究NEPE推進(jìn)劑圍壓性能時(shí)運(yùn)用統(tǒng)一強(qiáng)度理論建立了八面體剪應(yīng)力與平均應(yīng)力之間聯(lián)系。孟紅磊以累積損傷模型，構(gòu)建了雙基推進(jìn)劑的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。張亞通過研究圍壓下HTPB推進(jìn)劑雙軸力學(xué)性能，基于雙剪強(qiáng)度理論，構(gòu)建了考慮老化、壓強(qiáng)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則。王哲君等研究了動(dòng)態(tài)加載下HTPB推進(jìn)劑強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建了考慮了溫度、應(yīng)變率雙重因素強(qiáng)度準(zhǔn)則推廣形式。

3 結(jié)論

1）主要由于試驗(yàn)裝置的限制，大部分只是針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)條件下的細(xì)觀損傷研究，對(duì)于高應(yīng)變率下的推進(jìn)劑細(xì)觀損傷研究仍十分匱乏，尤其是對(duì)于低溫?zé)崂匣榷嘁蛩毓餐饔孟录?xì)觀損傷的研究，這對(duì)分析真實(shí)藥柱在各因素下細(xì)觀損傷還存在不足。

2）針對(duì)固體推進(jìn)劑不同加載條件下的強(qiáng)度準(zhǔn)則建立還十分匱乏，通過建立不同條件下固體推進(jìn)劑的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)分析藥柱結(jié)構(gòu)完整性更具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉兵吉.導(dǎo)彈貯存使用失效分析與防護(hù)指南[M].北京：第二炮兵裝備技術(shù)部，1998.

[2]宋玉普.多種混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[3]陳磊.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宏、細(xì)觀強(qiáng)度破壞分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

作者簡(jiǎn)介

劉暢（1993-），男，漢族，安徽合肥，航空宇航科學(xué)與技術(shù)碩士，助教，火箭軍士官學(xué)校，研究方向固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性研究。