固體推進(jìn)劑力學(xué)性能多軸試驗(yàn)和影響因素的研究進(jìn)展

摘 要：本文從固體推進(jìn)劑的多軸力學(xué)性能試驗(yàn)方法及影響力學(xué)性能因素，對(duì)固體推進(jìn)劑力學(xué)性能的研究進(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(kāi)展的研究。分析表明：開(kāi)展不同加載條件下多軸動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)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;多軸;力學(xué)性能;影響因素

上世紀(jì)80年代，美國(guó)在開(kāi)展低溫-40℃條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)部分固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（Solid Rocket Motor， SRM）解體爆炸現(xiàn)象[1-3]。通過(guò)對(duì)大量中小固體導(dǎo)彈的發(fā)射情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火瞬間固體推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)完整性的破壞是引發(fā)SRM失效的主要原因[4]。研究發(fā)現(xiàn)[5]不同加載條件下固體推進(jìn)劑力學(xué)行為的研究是開(kāi)展SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析的基礎(chǔ)，因?yàn)楣腆w推進(jìn)劑是典型的顆粒增強(qiáng)粘彈性材料，其力學(xué)性能和損傷明顯受到外界溫度、加載應(yīng)變率和熱老化時(shí)間等的影響。且固體推進(jìn)劑在使用和貯存過(guò)程中，其受力狀態(tài)是多維的。因此，為更好分析固體推進(jìn)劑藥柱的結(jié)構(gòu)完整性，本文對(duì)固體推進(jìn)劑多軸性能試驗(yàn)方法及影響因素進(jìn)行歸納總結(jié)研究，并就研究中不足進(jìn)行分析。

1 推進(jìn)劑多軸力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 推進(jìn)劑雙軸拉壓試驗(yàn)

王志存通過(guò)有限元軟件模擬了如圖1.1板條推進(jìn)劑拉伸時(shí)水平與豎直方向的應(yīng)力比關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)板條可進(jìn)行近似1：2雙軸拉伸效果?；趪?guó)內(nèi)外試驗(yàn)表明，板條推進(jìn)劑有效模擬真實(shí)藥柱受力狀態(tài)。因此，王哲君通過(guò)如圖1.2所示將板條試驗(yàn)件依托高應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)，得出與單軸拉伸試驗(yàn)相同的變化規(guī)律。

目前主要依托十字形推進(jìn)劑開(kāi)展雙軸拉伸研究。通過(guò)單軸試驗(yàn)機(jī)及自主開(kāi)發(fā)試驗(yàn)器材，張麗華成功實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的雙軸拉伸，驗(yàn)證固體推進(jìn)劑各向異性特點(diǎn)。為了開(kāi)展真正的雙軸拉伸試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)強(qiáng)洪夫等將十字形試驗(yàn)件中心區(qū)域減薄在雙軸拉伸機(jī)作用下進(jìn)行了雙軸拉伸力學(xué)研究。隨后賈永剛等通過(guò)改進(jìn)采用強(qiáng)洪夫所設(shè)計(jì)的浴盆式推進(jìn)劑并在臂上開(kāi)槽相結(jié)合的十字形試驗(yàn)件開(kāi)展雙軸試驗(yàn)。

國(guó)外研究者Jalocha[認(rèn)為賈永剛所采用的試驗(yàn)方案并不是十分可靠，因此，他重新設(shè)計(jì)十字形試驗(yàn)件，取消開(kāi)槽設(shè)計(jì)、擴(kuò)大推進(jìn)劑圓弧區(qū)域半徑，最終實(shí)現(xiàn)的雙軸拉伸試驗(yàn)研究。

張亞等依托雙軸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)浴盆形試驗(yàn)件、長(zhǎng)方體試件以及類似啞鈴型試驗(yàn)件分別開(kāi)展雙軸拉伸、雙軸壓縮及拉壓性能試驗(yàn)。

1.2 推進(jìn)劑三軸性能試驗(yàn)

針對(duì)三軸力學(xué)性能試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外主要就準(zhǔn)靜態(tài)（<1s-1）范圍內(nèi)開(kāi)展試驗(yàn)。Jones J W則設(shè)計(jì)厚圓盤(pán)試件進(jìn)行研究，通過(guò)壓縮試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展徑向壓縮試驗(yàn)，從多維的角度去模擬其應(yīng)力狀態(tài)。事實(shí)上，多軸的受力狀態(tài)更加接近SRM工作時(shí)內(nèi)部藥柱的真實(shí)情況，因此，國(guó)外研究者Sanal Kumar為了更好模擬藥柱在點(diǎn)火建壓時(shí)所受的應(yīng)力狀態(tài)，提供研究圓管狀試驗(yàn)件，針對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：試驗(yàn)剛開(kāi)始階段，應(yīng)力構(gòu)成不足以改變推進(jìn)劑的松弛模量，當(dāng)試驗(yàn)拉伸繼續(xù)加載，松弛模量隨著應(yīng)力的維數(shù)不斷增加，在同等試驗(yàn)條件下，三軸試驗(yàn)的松弛模量最高。

為了模擬藥柱的SRM中所處壓強(qiáng)環(huán)境下所受的影響，Liu通過(guò)添加圍壓裝置，對(duì)固體推進(jìn)劑施加壓強(qiáng)載荷進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究：在壓強(qiáng)的作用下，損傷更加難以產(chǎn)生，推進(jìn)劑的強(qiáng)度有所增強(qiáng)。這與何鐵山等在高壓試驗(yàn)機(jī)中模擬NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火建壓時(shí)所獲得的結(jié)論相同。張亞等通過(guò)對(duì)不同老化HTPB推進(jìn)劑試件開(kāi)展圍壓下力學(xué)試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓強(qiáng)存在時(shí)，推進(jìn)劑有更高的力學(xué)拉伸強(qiáng)度，在圍壓環(huán)境中，推進(jìn)劑可以更好的儲(chǔ)存。

2 推進(jìn)劑力學(xué)性能影響因素研究進(jìn)展

由于本文主要針對(duì)固體推進(jìn)劑力學(xué)性能在溫度、應(yīng)變率、熱老化時(shí)間、受力狀態(tài)等四個(gè)方面影響下開(kāi)展研究，因此就這四個(gè)方面展開(kāi)綜述。

1）溫度是造成HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能改變的影響因素。Pang等人發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑的初始模量與最大拉伸強(qiáng)度均隨著溫度呈反比，但是最大伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯比例關(guān)系。賴建偉和王小英均開(kāi)展了低溫和低溫恢復(fù)常溫拉伸試驗(yàn)，研究低溫對(duì)推進(jìn)劑造成的影響。通過(guò)低溫拉伸試驗(yàn)，王哲君研究了單向及雙向拉伸試驗(yàn)下推進(jìn)劑的變化性能。Shekhar對(duì)比了多種溫度對(duì)推進(jìn)劑性能造成的改變，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：低溫促使推進(jìn)劑最大拉伸強(qiáng)度變大。

2）就應(yīng)變率方面，針對(duì)試驗(yàn)主要依托試驗(yàn)件拉伸或壓縮速率改變，賴建偉等通過(guò)改變其壓縮速率，對(duì)比在不同壓縮速率下推進(jìn)劑的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)壓縮速率大小可以改變推進(jìn)劑強(qiáng)度。Sun等通過(guò)對(duì)改性雙基固體推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)，根據(jù)力學(xué)性能參數(shù)建立了本構(gòu)方程。孫朝翔通過(guò)改變應(yīng)變率對(duì)固體推進(jìn)劑開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變率造成影響更大。

3）固體推進(jìn)劑從制作出以后就要面臨老化的問(wèn)題，為研究老化后推進(jìn)劑力學(xué)性能的變化，目前試驗(yàn)主要開(kāi)展自然老化和熱老化試驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)外研究主要依托時(shí)溫等效原理（Time-Temperature Superposition Principle，TTSP），通過(guò)高溫?zé)崂匣囼?yàn)處理試驗(yàn)件開(kāi)展試驗(yàn)。Kivity等[57]從機(jī)理出發(fā)分析了推進(jìn)劑老化的內(nèi)在原因。張亞、王哲君通過(guò)對(duì)不同老化時(shí)間的推進(jìn)劑進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)老化后的推進(jìn)劑較未老化強(qiáng)度有所增加。

4）為了模擬推進(jìn)劑在SRM工作時(shí)的真實(shí)受力狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外研究者提出了從一維到多維的試驗(yàn)方案進(jìn)行研究。針對(duì)單軸拉伸試驗(yàn)，出臺(tái)JANNAF標(biāo)準(zhǔn)[58]以及GJB 770B-2005標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行參照，但是針對(duì)多軸力學(xué)試驗(yàn)可以參照的標(biāo)準(zhǔn)還比較缺乏。張亞為了更好研究推進(jìn)劑在多維受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，依托雙向試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展雙向拉伸、雙向壓縮試驗(yàn)，與其開(kāi)展的單向拉伸、壓縮研究作比較，發(fā)現(xiàn)雙向拉伸強(qiáng)度提高，但伸長(zhǎng)率有所下降;王哲君通過(guò)開(kāi)展板條試驗(yàn)件也發(fā)現(xiàn)，雙軸會(huì)增強(qiáng)推進(jìn)劑的最大拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑在雙軸條件下將受到兩個(gè)方向約束，因而其伸長(zhǎng)率會(huì)下降。

3 結(jié)論

目前，對(duì)于多因素分析比較缺乏，所開(kāi)展的試驗(yàn)只針對(duì)溫度、應(yīng)變率、應(yīng)力狀態(tài)或者老化等單因素開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)。綜上，開(kāi)展低溫、高應(yīng)變率和熱老化后HTPB推進(jìn)劑雙向拉伸多因素加載試驗(yàn)對(duì)分析固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性更具有意義。

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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。