固體推進(jìn)劑低溫點(diǎn)火結(jié)構(gòu)完整性數(shù)值模擬

摘要：固體火箭推進(jìn)劑低溫點(diǎn)火瞬間，低溫和高速加載的點(diǎn)火壓力載荷可能會導(dǎo)致推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生破壞。針對目前低溫點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)存在不足的問題，本文利用Abaqus 有限元分析軟件對一種Ф25～37 mm 內(nèi)孔裝藥形式的低溫點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)試件進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，定量獲得了該端羥基聚丁二烯（hydroxyl terminated polybutadiene，HTPB） 固體推進(jìn)劑試件結(jié)構(gòu)完整性不被破壞的最大內(nèi)壓極限值和肉厚系數(shù)對推進(jìn)劑等效應(yīng)力應(yīng)變的分布影響。研究結(jié)果表明，在?40 ℃和10 MPa 的低溫點(diǎn)火試驗(yàn)工況下該固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性不會被破壞，與試驗(yàn)結(jié)論一致；當(dāng)內(nèi)壓增加至42.2 MPa 時推進(jìn)劑表面等效應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度，推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性損壞；同一工況下，推進(jìn)劑表面等效應(yīng)力應(yīng)變隨著肉厚系數(shù)增大而增加，其值為2.6 時，推進(jìn)劑表面等效應(yīng)力因超過其抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)完整性損壞。本文研究方法和結(jié)果可為相關(guān)試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：低溫點(diǎn)火；HTPB 固體推進(jìn)劑；有限元分析；結(jié)構(gòu)完整性

中圖分類號：V 512 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著固體推進(jìn)劑的日益發(fā)展，其在發(fā)動機(jī)中的工作壓強(qiáng)越來越高，同時還需滿足載荷環(huán)境條件變化時寬溫度范圍的安全性要求。特別是對于低溫?40 ℃ 或更低溫度下，固體推進(jìn)劑藥柱會變脆變硬甚至轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，產(chǎn)生微裂紋和孔穴等損傷，降低其力學(xué)性能，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火沖擊將對固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生破壞[1-2]，造成推力特性改變及爆炸等事故的發(fā)生。因此，有必要進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)低溫點(diǎn)火條件下的藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析研究[3-7]。

目前，發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評估主要依賴數(shù)值仿真結(jié)合推進(jìn)劑拉伸試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能的驗(yàn)證[8-10]。吳晗旭[11] 提出了含損傷非線性ZWT 本構(gòu)模型三維離散方法，數(shù)值模擬了定應(yīng)變下推進(jìn)劑單軸拉伸試驗(yàn)，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該本構(gòu)模型的正確性。劉中兵等[12] 對比了三維彈性和三維線粘彈性模型，證明兩種模型固化降溫和點(diǎn)火增壓引起的最大等效應(yīng)變是相互疊加的，認(rèn)為當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)行低溫點(diǎn)火試車時，在?40 ℃ 和8 MPa 點(diǎn)火壓力共同作用下，內(nèi)孔表面將是藥柱最危險部位。在模型改進(jìn)的基礎(chǔ)上，為了獲得低溫點(diǎn)火下藥柱結(jié)構(gòu)完整性的可信破壞判據(jù)，顏彬[13] 以一經(jīng)典文獻(xiàn)為案例，首先驗(yàn)證了模型的正確性，然后使用該模型對某一具體型號固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥在固化冷卻和常溫、低溫、高溫點(diǎn)火試車時的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出危險點(diǎn)位置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析。呂志[14]以第二炮兵工程學(xué)院教研室的推進(jìn)劑拉伸及斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，分析了低溫點(diǎn)火沖擊下五角星型藥柱模型的危險點(diǎn)，在?40 ℃ 和20 MPa 點(diǎn)火壓力共同作用下，五角星過渡圓弧處結(jié)構(gòu)完整性被破壞，產(chǎn)生裂紋。

綜上，數(shù)值仿真是固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性研究的有效手段，目前推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性數(shù)值仿真研究主要利用推進(jìn)劑拉伸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，缺少設(shè)計(jì)合理的氣體圍壓條件下結(jié)構(gòu)完整性驗(yàn)證試驗(yàn)。張懷龍等[15-16] 利用推進(jìn)劑中止熄火的原理，設(shè)計(jì)了一種中止壓力可控的模擬點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)裝置，以點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫δM推進(jìn)劑受到的低溫點(diǎn)火沖擊，推進(jìn)劑試件采用Ф25～37 mm 內(nèi)孔裝藥形式，開展了在?40 ℃ 和10 MPa 的試驗(yàn)壓力下推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)。然而，該藥柱結(jié)構(gòu)雖進(jìn)行了理論低溫點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)，但缺少構(gòu)件合理性分析和結(jié)構(gòu)完整性影響研究。為了進(jìn)一步分析低溫點(diǎn)火沖擊對固體推進(jìn)劑試件結(jié)構(gòu)完整性的影響規(guī)律，指導(dǎo)相關(guān)試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要開展推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性數(shù)值模擬研究，獲得推進(jìn)劑試件在低溫點(diǎn)火沖擊下的等效應(yīng)力應(yīng)變分布，對推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理性解釋，并研究推進(jìn)劑的內(nèi)壓極限值問題，以避免試驗(yàn)研究帶來的安全性風(fēng)險。

本文主要針對固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性問題，以文獻(xiàn)[15-16] 中模擬點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)裝置推進(jìn)劑試件為研究對象，采用Abaqus 有限元分析軟件開展了低溫點(diǎn)火沖擊條件下的數(shù)值模擬研究，采取了固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性研究中廣泛使用的三維線粘彈性模型，利用固體推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)完整性破壞判據(jù)研究該推進(jìn)劑的內(nèi)壓極限值問題，并研究了肉厚系數(shù)對藥柱表面等效應(yīng)力和應(yīng)變的影響。本文的研究方法與結(jié)果可為相關(guān)試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。