固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面變形破壞的細(xì)觀試驗(yàn)與數(shù)值模擬

李高春，姜愛民，黃衛(wèi)東，王朝轟，王玉峰，劉 鐵

(1. 海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；2. 海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；3. 91115部隊(duì)，浙江 舟山 316000)

引 言

對(duì)于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面，由于界面兩側(cè)材料屬性差異，容易在界面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致微裂紋的萌生、擴(kuò)展，使得界面成為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)之一[1-2]。在服役過程中發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性破壞往往發(fā)生在粘接界面上，界面失效嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全[3]。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)粘接界面開展了大量研究，包括界面粘接機(jī)理[4]、試驗(yàn)表征技術(shù)[5-6]、粘接界面強(qiáng)度測(cè)試[7]以及界面變形過程數(shù)值模擬[8]等。李高春等[9]對(duì)粘接界面試件在拉伸過程的變形破壞過程進(jìn)行了觀察，對(duì)拉伸過程圖像采用數(shù)字散斑相關(guān)方法進(jìn)行處理，獲得了界面拉伸過程中的位移場，進(jìn)而分析其變形演化過程及其破壞機(jī)理。史宏斌[10]考慮到絕熱層、推進(jìn)劑和襯層多層材料的性能，采用有限元方法計(jì)算了含預(yù)制脫粘層藥柱的應(yīng)力應(yīng)變場，探討了脫粘層前緣附近有內(nèi)聚空洞時(shí)對(duì)界面應(yīng)力應(yīng)變的影響。Kulkarni[11]根據(jù)粘接界面內(nèi)部的組成，建立了表征界面細(xì)觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析了推進(jìn)劑界面內(nèi)部顆粒與基體的粘接強(qiáng)度以及基體內(nèi)微裂紋等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。王廣等[12]對(duì)復(fù)合固體推進(jìn)劑及推進(jìn)劑/襯層粘接試件微CT掃描后重構(gòu)的圖像進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了其細(xì)觀形貌特征及推進(jìn)劑顆粒典型尺寸，采用粘接界面單元表征顆粒/基體和推進(jìn)劑/襯層界面的脫粘過程。

盡管有不少學(xué)者對(duì)粘接界面進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬，由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面組成的復(fù)雜性，對(duì)粘接界面細(xì)觀損傷和擴(kuò)展過程以及失效機(jī)理尚不能全面把握，有待于從細(xì)觀試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)一步分析其破壞過程。細(xì)觀破壞分析的最大優(yōu)點(diǎn)是能在細(xì)觀尺度上研究其力學(xué)性能，即從粘接界面實(shí)際組成層次研究其破壞機(jī)理，有利于掌握界面破壞的本質(zhì)機(jī)理。

本研究以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面試件為對(duì)象，采用SEM對(duì)粘接界面試件在拉伸過程的變形和破壞過程進(jìn)行細(xì)觀觀察，分析粘接界面試件的失效機(jī)理，根據(jù)SEM結(jié)果，建立描述界面細(xì)觀形態(tài)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)界面細(xì)觀脫粘過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了粘接界面在拉伸作用下的細(xì)觀損傷機(jī)理。研究結(jié)果有利于理解粘接界面變形破壞過程，為改善粘接界面宏觀力學(xué)性能提供必要的依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 設(shè)備及過程

為了能更加真實(shí)地再現(xiàn)拉伸過程中粘接界面變形破壞過程，采用SEM觀察了粘接界面的拉伸過程，試驗(yàn)在日本島津JSM-5410LV型SEM試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，試驗(yàn)裝置由高精度的掃描電鏡和全數(shù)字電液伺服加載系統(tǒng)組成，能實(shí)時(shí)在線觀測(cè)載荷作用下材料的力學(xué)行為及表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。由于掃描電鏡試驗(yàn)無法采用標(biāo)準(zhǔn)粘接界面試件，需要設(shè)計(jì)微形非標(biāo)準(zhǔn)試件。考慮到加載系統(tǒng)的夾持方式，微形試件的尺寸如圖1所示，厚度為3.0mm。

但制作上述粘接界面試件難度較大，為了能將粘接界面觀察區(qū)移至試件中心，將微形試件兩端采用有機(jī)玻璃加工，中間平行段10mm為微形粘接界面試件。微形粘接界面試件從標(biāo)準(zhǔn)矩形試件中切取，采用302膠將兩端與有機(jī)玻璃板粘接，自然固化兩天以上，制作好的微形粘接界面試件如圖2所示。

試驗(yàn)時(shí)先將加載樣品臺(tái)、試件夾具及試件表面等吹除干凈；將加載樣品臺(tái)推入電鏡真空室并按要求抽真空，加5kV電壓。在需要拍攝的倍數(shù)下，調(diào)節(jié)對(duì)比度和亮度，獲得所需圖片。試驗(yàn)過程中，由伺服控制器進(jìn)行自動(dòng)加載直至粘接界面試件被拉斷。由于掃描電鏡成像速度較慢，為了得到各應(yīng)變條件下的清晰圖像，加載速率選定為0.12mm/min。

1.2 界面粘接破壞過程

圖3為粘接界面試件從開始拉伸到破壞過程的掃描電鏡圖像。

由圖3(a)可看出，拉伸前推進(jìn)劑內(nèi)部存在一些初始缺陷，如微孔洞?；w與顆粒之間的界面粘接狀態(tài)不均勻；未施加載荷時(shí)，顆粒與基體之間存在粘接不完好的區(qū)域；由圖3(b)可看出，拉伸初期，襯層和推進(jìn)劑由于彈性模量較小，在載荷作用下發(fā)生較大變形；由圖3(c)可看出，隨拉伸位移載荷的增加，在推進(jìn)劑/襯層界面處的顆粒發(fā)生脫濕；界面脫濕處不再承受載荷，基體被拉伸，基體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，而使其附近區(qū)域產(chǎn)生微孔洞；由圖3(d)～(e)可看出，隨著位移載荷的繼續(xù)增加，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體出現(xiàn)脫濕，并隨載荷的增加，微孔洞逐漸增大。隨載荷進(jìn)一步增加，推進(jìn)劑內(nèi)部微裂紋出現(xiàn)匯合，導(dǎo)致宏觀裂紋的形成，進(jìn)而發(fā)生破壞，裂紋的擴(kuò)展方向與拉伸方向近乎垂直。

2 粘接界面細(xì)觀破壞數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

為了簡便，將粘接界面看作絕熱層、襯層、推進(jìn)劑組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在拉伸過程中，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體的界面以及推進(jìn)劑/襯層界面是其薄弱環(huán)節(jié)，在界面處會(huì)發(fā)生脫粘，為此引入了界面元[13]。粘接界面細(xì)觀填充模型以及有限元網(wǎng)格如圖4所示，圖中只顯示粘接界面中顆粒的有限元網(wǎng)格。計(jì)算邊界條件為：絕熱層邊(即AB邊)在x、y方向均受約束作用，其位置保持不動(dòng)；推進(jìn)劑邊(即CD邊)沿y方向受均布位移載荷作用。

推進(jìn)劑基體膠片、絕熱層和襯層視為超彈性材料，對(duì)單向拉伸數(shù)據(jù)用N=3的Ogden模型進(jìn)行擬合，求出Ogden模型的系數(shù)，其結(jié)果如表1所示。

表1 基體、襯層和絕熱層的Ogden模型參數(shù)Table 1 Ogden model parameters of binder, liner and insulator

推進(jìn)劑中的顆粒，由于其強(qiáng)度比基體大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可認(rèn)為是彈性材料，彈性模量E和泊松比υ分別為32.4GPa和 0.14。

2.2 界面元模型

界面元模型采用一種簡單的雙線性界面元模型，界面力和位移分離量關(guān)系如圖5所示，包括材料的損傷起始(0<Δ<Δ0)、損傷擴(kuò)展(Δ0<Δ<Δf)以及完全脫粘(Δf<Δ)3個(gè)階段。將n表示界面的法向，t表示切向，Δn、Δt分別表示界面的法向和切向位移分離量，L0為界面元指定的初始厚度。界面的應(yīng)變?yōu)?/p>

(1)

界面元的初始界面力為

(2)

Tn和Tt分別表示界面法向、切向力，Knn和Ktt分別表示界面的初始線性模量。

采用二次應(yīng)變率準(zhǔn)則表示在混合模式作用下界面損傷的起始，其形式為

(3)

(4)

式中：D表示界面損傷程度，其起始值為0；當(dāng)其值為1時(shí)，表示界面完全損傷。D的表達(dá)式如下：

(5)

表2 不同界面的粘接強(qiáng)度Table 2 Different interfacial adhesion strength

由于基體等本構(gòu)關(guān)系的材料非線性、材料大變形的幾何非線性以及界面脫粘過程的軟化現(xiàn)象，使得在計(jì)算過程中獲得收斂解變得非常困難。為了解決上述問題，采用位移控制的Newton-Raphson方法，并采用線性搜尋算法解決非線性問題。

為避免界面完全脫粘時(shí)界面元產(chǎn)生相互滲透，在界面元的上、下表面引入接觸單元來抵抗界面相互滲透。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖6為計(jì)算模型在不同階段下的細(xì)觀損傷情況。

由圖6(a)可以看出，由于粘接界面組分材料屬性不同導(dǎo)致界面內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻，并且由于顆粒與顆粒周圍的應(yīng)力場發(fā)生相互作用，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。由圖6(b)可看出，隨著應(yīng)變的增加，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體的分離程度不斷增加，并在大顆粒附近形成較大的裂隙，表明上述區(qū)域容易脫濕。由圖6(c)可看出，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒界面的脫濕將導(dǎo)致推進(jìn)劑內(nèi)應(yīng)力的重新分布，在脫濕區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其附近的顆粒產(chǎn)生脫濕。另外，由于復(fù)合推進(jìn)劑顆粒填充分?jǐn)?shù)比較高，顆粒之間的相互作用比較明顯，使顆粒與基體之間因脫濕形成的微孔洞大小各不相同，脫濕形成的裂隙方向與所受的應(yīng)力方向也不重合。由圖6(d)、(e)可知，隨著外界應(yīng)變的增加，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒的脫濕分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，造成進(jìn)一步損傷。

本研究從粘接界面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用界面元對(duì)推進(jìn)劑/襯層之間脫粘以及推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體之間脫濕進(jìn)行了模擬，粘接界面細(xì)觀破壞分析結(jié)果與試驗(yàn)吻合，正確反映了粘接界面在拉伸過程中細(xì)觀損傷萌生與擴(kuò)展規(guī)律。

在分析粘接界面的細(xì)觀破壞時(shí)，只考慮了推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體之間脫濕以及推進(jìn)劑/襯層之間脫粘的影響，然而粘接界面的破壞是一個(gè)復(fù)雜的過程，還存在其他不同的損傷模式，如基體的損傷。為了更加精確地模擬其細(xì)觀破壞，需要考慮這些損傷模式，從而有效地模擬其破壞的整個(gè)過程。

3 結(jié) 論

(1)在外界應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，粘接界面表現(xiàn)為非均質(zhì)材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均，隨應(yīng)變的增加，推進(jìn)劑內(nèi)部脫濕形成的微孔洞不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致界面破壞，界面拉伸失效過程表現(xiàn)為損傷的起裂和擴(kuò)展，是推進(jìn)劑內(nèi)部脫濕和粘接界面脫粘共同作用的結(jié)果。

(2)針對(duì)界面的細(xì)觀破壞特點(diǎn)，采用界面元對(duì)推進(jìn)劑/襯層之間脫粘以及推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒與基體之間脫濕進(jìn)行了模擬，得到了粘接界面的脫粘過程以及其內(nèi)部應(yīng)力分布。粘接界面細(xì)觀破壞分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，正確反映了粘接界面在拉伸過程中細(xì)觀損傷萌生與擴(kuò)展規(guī)律。

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