贮存老化条件下固体火箭发动机内弹道性能变化

研究了某型固体火箭发动机在贮存期间内弹道性能受推进剂药柱老化影响的变化规律。通过热加速老化试验．研究了HTPB推进荆的燃烧速度受老化影响情况：基于药柱材料的粘弹性本构关系,并考虑贮存环境温度波动、内压载荷和自重效应。对复合固体推进剂药柱完全固化后贮存老化条件下的变形进行了三维有限元分析。基于加速老化试验数据和数值仿真分析结果．对老化后固体火箭发动机的内弹道性能进行了分析。     

立贮固体发动机黏接界面剪切破坏风险研究

目的 评估长期立贮固体发动机黏接界面因剪切变形导致破坏的风险。方法 对固体发动机黏接界面剪切试件进行高温加速老化,而后对老化剪切试样进行定速拉伸剪切试验,依据剪切试验结果,总结固体发动机黏接界面力学性能的老化规律。基于Arrhenius方程外推得到固体发动机黏接界面考虑老化的剪切变形破坏判据,采用该破坏判据对立式贮存15 a的某型固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估。结果 黏接界面在经过15 a的老化后,其最大剪切变形为0.792 6 rad,比初始性能下降5.31%。选定某型固体发动机进行长期立贮工况计算,仿真计算结果显示,该固体发动机立贮15 s时,黏接界面危险点处的切向应变值0.463 3 rad。该值小于老化15 a后黏接界面剪切变形破坏起始点,即该发动机在立式贮存15 a后,界面剪切变形程度未达到破坏阈值。结论 该破坏判据能够较为直观地对长期立式贮存固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估,可为长期贮存固体发动机黏接界面结构完整性评估提供借鉴参考。     

固体发动机药柱应力应变仿真与试验验证研究

目的研究某导弹固体发动机药柱在不同环境温度下的性能演变规律。方法利用ABAQUS有限元分析软件,仿真计算了药柱在-40,20,50℃下的应力应变情况,在此基础上通过推进剂拉伸应力松弛试验对仿真结果进行验证分析。结果最大应力应变发生在头部人工脱粘层的根部,药柱内部沿径向越靠近内孔表面,应力应变的数值越大,沿药柱的轴向,内孔表面的最大应力应变发生在靠近药柱中间位置。结论线粘弹性本构关系模型在较低应变水平下可以很好地模拟出推进剂的力学行为,当应变水平在14.3%以下时,试验和仿真的相对误差能控制在10%以内。     

HTPB药柱老化对SRM内弹道性能的影响及偏差分析

为了定性和定量的描述药柱燃面、密度、燃速等因素对固体火箭发动机（SRM）内弹道性能的影响,在HTPB复合固体推进剂老化研究和SRM内弹道性能预估研究的基础上,分析了HTPB推进剂因贮存老化引起的SRM内弹道性能偏差,建立了性能偏差计算模型。结果表明,老化引起的药柱燃面、密度、燃速变化以及侵蚀燃烧引起的喷喉烧蚀是SRM贮存过程中影响内弹道性能偏差的直接因素,老化引起它们微小的波动都会引起发动机内弹道性能较大的偏离。在发动机寿命预估和进行可靠性分析时必须考虑老化对内弹道性能的影响。     

装药结构试验器设计和低温老化试验研究

目的探索固体火箭发动机装药低温老化试验方法和机理,为固体发动机寿命预测和延寿提供支撑。方法设计方便取样测试的结构试验器,通过仿真计算确定具有一定应变水平的装药内孔尺寸,开展-10℃和-35℃低温老化试验。老化后首先对结构试验器进行无损检测,再取出药柱制取推进剂标准试样,进行常温和低温快速拉伸力学性能测试。结果设计完成三段连接式结构试验器,既不破坏药柱所承受的应力载荷,又保证取样方便、安全。无损探伤表明,经过低温长期贮存的结构试验器药柱没有产生裂纹和脱粘现象。推进剂的常温力学性能无明显变化,低温的最大抗拉强度有所升高,最大伸长率降低明显,-10℃和-35℃低温老化试验后,最大伸长率分别降低了24%和40%。结论推进剂内部产生了微损伤,承受低温快速应变(对应低温点火冲击状态)能力下降明显,应引起高度关注。     

复合固体推进剂定应变‒温度循环加速试验方法研究

目的 建立复合固体定应变–温度循环加速试验方法。方法 采用MSC.PATRAN有限元分析软件,仿真计算某型贴壁浇铸固体火箭发动机从零应力温度(68 ℃)固化降温至常温(20 ℃)的极值点von Mises应变最大值,利用自制应变加载装置对复合固体推进剂施加定应变。分析固体火箭发动机长期库房贮存的温度变化规律,在兼顾模拟性和加速性的基础上,设计并开展复合固体推进剂在4组不同应力水平下的温度循环加速试验。选用合适的性能退化模型和加速寿命模型,评估复合固体推进剂的可靠库房贮存寿命。结果 某型固体火箭发动机从零应力温度固化降温至常温的极值点von Mises应变最大值为9.4%,复合固体推进剂4组温度循环加速试验的最高试验温度分别为75、75、60、60 ℃,温差分别为5、10、15 ℃,单个循环时长均为24 h。复合固体推进剂在4组温度循环加速试验条件下的老化性能参数均为最大抗拉强度保留率,且在置信度为0.9时,其退化规律均符合指数型性能老化数学模型。结合失效临界值,计算出置信度0.9时的最低加速寿命分别为59、100、203、342 d。基于修正Coffin-Manson模型,利用多元回归分析方法,计算得到复合固体推进剂在长期库房贮存环境(最高温度298 K,年平均温差15 K)下,置信度0.9时的最低贮存寿命为20 a。结论 在兼顾模拟性和加速性的基础上,建立了复合固体推进剂定应变?温度循环加速试验方法,并利用指数型性能退化模型和修正Coffin-Manson加速寿命模型,快速获得复合固体推进剂的最低库房贮存寿命,为下一步开展固体火箭发动机装药贮存寿命预估奠定基础。     

考虑贮存剖面的固体火箭发动机橡胶密封圈贮存寿命研究

目的 对贮存周期内包含多个温度环境剖面的固体火箭发动机橡胶密封圈贮存寿命进行评估。方法 通过开展硅橡胶材料加速老化试验,结合Arrhenius老化规律,建立硅橡胶老化模型,获得硅橡胶加速老化等当规律,并根据等当关系开展模拟密封装置加速老化试验,考核老化后硅橡胶密封性。最后通过对固体火箭发动机贮存环境剖面进行梳理,计算出贮存周期下的等效温度,并结合试验获得的硅橡胶密封圈老化性能,直接对该贮存周期下密封圈老化寿命进行评估。结果 通过硅橡胶材料老化试验及模拟密封装置老化试验,得到了25℃下硅橡胶能够满足20 a的使用寿命。随后通过梳理并计算得出固体火箭发动机贮存周期下的等效温度为22.78℃,可以直接获得该发动机使用的硅橡胶密封圈寿命在该贮存环境下能够满足20 a使用寿命。结论 通过计算贮存周期下多个温度环境剖面的等效温度,并结合加速老化试验结论,可快速获得橡胶密封圈老化寿命。     

基于状态监测和老化试验的火箭发动机寿命评估方法研究

通过分析某型固体火箭发动机的结构,对发动机状态监测系统的微型传感器进行了合理布局,从而得到危险区域的最大应变值。采用加速老化试验,得到推进剂在不同老化温度下延伸率随老化时间的变化曲线。通过化学反应速率,建立不同老化温度下力学性能参数和老化时间的关系,从而确定某贮存温度下推进剂延伸率与贮存时间的关系。将发动机危险点处最大应变与贮存时间的变化关系进行比较,得到推进剂的贮存寿命。     

面向导弹延寿的冲压发动机加速贮存试验方法

目的更为真实地反映自然贮存环境对某型导弹冲压发动机寿命的影响,研究综合环境应力加速贮存试验方法。方法为了符合自然环境的年变化规律,设计1个周期的综合环境应力加速贮存试验能够等效产品自然贮存1年,每个周期的加速贮存试验包括低温冷冻、高低温交变加速、高温高湿加速、高温老化4部分。采用加速模型估计出每段加速试验的加速因子,进而依据自然贮存环境测试数据折算出加速试验谱。结果所提方法提高了冲压发动机加速贮存试验的科学性与准确性。结论研究工作为高效完成导弹冲压发动机贮存延寿任务提供了可行的工程方法。     

基于编制载荷谱的固体发动机药柱疲劳损伤分析

目的建立固体发动机在海上值班时的长时域振动载荷谱,对振动造成的发动机药柱损伤进行分析。方法通过数据实测获得了固体发动机值班时的部分载荷,使用非参数雨流矩阵外推法和时域载荷重构法编制了发动机长时域载荷谱。通过有限元仿真建立了发动机药柱的应力分布,应用Miner线性累积损伤理论计算了药柱损伤。结果外推后的x、y、z三轴极值载荷数值分别提高了51%、83%、115%。振动过程中,药柱内部Mises应力较小,越靠近粘接界面,Mises应力越大,药柱在靠近前后封头的部位产生应力集中。推导了推进剂应力幅与累积损伤的关系公式,计算得到单个载荷谱周期内药柱的累积损伤值为1.059×10~(-4)。结论应用非参数雨流矩阵外推法和时域载荷重构法,可以实现将实测数据中未监测到的大幅值载荷进行量化表征,有效地建立固体发动机海上值班长时域载荷谱;固体发动机连续值班6个月时,造成的药柱累积损伤(D)为0.0323。     

固体装药头部人工脱粘层应力应变仿真分析

目的研究固体发动机药柱头部人工脱粘层在50,20,-40℃等3种温度下的应力应变。方法基于线性粘弹性有限元方法,利用ABAQUS分析软件对药柱应力应变进行仿真。结果得到了人工脱粘层在3种温度条件下的Mises和最大主应力应变云图,及Ⅰ,Ⅱ界面轴向、周向和径向的应力应变对比曲线。结论最大应力应变出现在人工脱粘层根部,应力与环境温度的变化成线性关系,温度变化对Ⅰ界面上脱粘层轴向应变、Ⅱ界面上径向应变影响最大。     

某型硬质泡沫弹架蠕变特性及贮存寿命研究

目的 研究一类硬质泡沫弹架结构的蠕变特性和贮存寿命评估方法.方法 通过测定贮存恒定应力水平下该型硬质泡沫弹架的温度加速蠕变性能数据,建立泡沫弹架材料的蠕变本构关系,研究泡沫弹架材料的蠕变时温等效规律.在此基础上,开展泡沫弹架的高温加速贮存试验与评估方法研究.结果 在高温蠕变试验后,该型硬质泡沫材料的本构关系及压缩特性均...     

固体推进剂老化过程影响因素及化学反应机理研究进展

基于固体推进剂的贮存老化,以NEPE推进剂和以HTPB推进剂为代表,综述了近年来固体推进剂老化进程中所受的各种影响因素、作用机制及化学反应机理研究进展。总结了温湿度、应力和环境气氛为代表的外部环境因素,配方性质、组分变化和添加剂等内部影响因素对推进剂老化及贮存失效期限的影响。分别从微观和宏观角度出发,分析了内外部各种影响因素加速或减缓固体推进剂老化进程的作用机制。此外,针对黏合剂、氧化剂、防老剂等化学组分,总结了固体推进剂贮存老化期间发生的氧化交联、分解、降解断链等主要化学反应,并分析了各个反应发生的机理及原因。最后,展望了未来固体推进剂老化影响因素研究的发展趋势,并为今后固体推进剂老化机理及失效模式研究提供了研究思路。     

丁羟推进剂贮存老化的动态力学性能

采用动态热分析(DMA)方法研究了某丁羟推进剂贮存老化的动态力学性能,借助时间一温度叠加原理,获得时间位移与频率对数的关系曲线及WLF方程的常数,并计算得到固体火箭发动机点火瞬间的推进剂药柱的临界温度tc,并用tc数据预估了发动机点火瞬间推进剂药柱不会由高弹态向玻璃态转变,不会发生断裂与结构完整性破坏.     

高能推进剂老化对发动机内弹道性能的影响研究

对某配方NEPE高能固体推进剂进行了加速贮存试验,分析了推进剂在长期贮存后其密度、燃速的变化规律,开展了发动机内弹道测试和内弹道参数影响定量分析研究。针对某翼柱型装药固体发动机,分析了长期贮存后其内弹道性能的变化规律。结果表明,燃速缓慢下降是影响高能推进剂发动机内弹道性能变化的主要因素。     

拉伸加载下老化复合固体推进剂的损伤演化定量分析

目的 定量分析老化对拉伸加载下复合固体推进剂细观损伤演化的影响规律。方法 开展不同老化时间（0、32、74、98 d）下三组元端羟基聚丁二烯（HTPB）复合固体推进剂的热加速老化试验,以及老化后推进剂的微型哑铃形试验件在不同拉伸应变水平（0、5%、10%、20%、40%、50%）下的微CT扫描观测试验,并对扫描重构图像进行定量分析,获得老化对推进剂细观损伤演化的影响规律。结果 随拉伸应变增加,老化前后推进剂微CT图像的灰度均方差、平均孔隙率和图像的分形维数均呈非线性增加趋势,图像的灰度均值呈非线性减小趋势。在较低应变水平（<10%）下,上述参数受老化时间的影响不显著,但随拉伸应变增加（≥10%）和老化时间增长,灰度均方差、平均孔隙率、孔隙率增量和分形维数的数值整体增高,而灰度均值随老化时间的增长而降低,且不同老化时间下,分形维数与平均孔隙率之间存在正线性关系。结论 重构得到微CT图像的灰度均值、平均孔隙率和分形维数可作为表征参数,用于定量分析老化复合固体推进剂在拉伸载荷下的细观损伤和损伤的动态演化规律,推进剂的初始损伤和小应变下的损伤程度受老化的影响较弱,而老化时间对推进剂细观损...     

贮存老化对某弹药射程的影响研究

目的 研究长期贮存老化对某弹药射程的影响,确定其有效增程射角范围。方法 对130 mm某弹药在不同贮存老化时间下的射程进行数值仿真分析,揭示其射程和有效增程射角范围随贮存时间的变化规律。结合射程与贮存老化时间和射角之间的函数关系,提出以剩余推力比为表征参数的射程变化模型。结果 在相同贮存老化时间下,随着射角的增大,该弹药的射程呈现出先增大、后减小的趋势。相同射角下,射程随贮存老化时间呈线性下降趋势,有效增程射角范围逐渐减小。使用三次多项式拟合有效增程比与射角之间的函数关系,拟合方程的相关系数超过了0.997 0。该弹药射程变化模型的拟合结果与仿真计算结果的相关系数大于0.998 5,表明其可以准确描述该弹药的射程变化规律。结论 贮存老化会显著影响某弹药的射程和有效增程射角范围,在实际贮存和使用过程中,不能忽略其贮存老化因素。     

某型硬质泡沫塑料弹架结构长贮特性和本构关系研究

目的研究一类硬质泡沫塑料弹架结构的贮存特性和本构关系。方法首先对结构试件进行高温压缩蠕变试验,然后对压缩后试件蠕变性能进行分析,得到材料高温压缩蠕变曲线,在此基础上用WLF方程对试件的贮存寿命进行评估,推算出试件达到特定蠕变量所需时间。结果基于试验所得材料应力-应变曲线,用数值拟合的方法建立了试件材料的压缩本构关系。结论证实了在高温压缩蠕变试验过程中材料本构关系未发生变化,研究结果可为后续型号结构试件寿命评估和失效机理研究提供参考。     

导弹产品基于阿伦尼乌斯方程的环境等效温度计算方法

目的基于阿伦尼乌斯方程,讨论弹上产品加速贮存试验计算加速因子过程中的正常应力水平,即环境等效温度的计算方法。方法根据导弹武器考察周期内的贮存使用环境温度数据,利用阿伦尼乌斯方程在加速应力水平下对应于贮存使用环境不同温度点的加速贮存试验时间之和,与在等效温度下的加速贮存试验时间相等建立方程,得出等效温度的计算公式,并用数据计算结果进行对比分析。结果理论分析和算例均表明,环境等效温度不仅与导弹武器在贮存使用过程中的环境温度及其分布有关,还与试验对象的活化能有关,对加速贮存试验时间的影响很大。结论在对弹上产品开展加速贮存试验计算加速因子过程中,应根据导弹武器贮存使用过程中的环境温度剖面和试验对象的活化能计算等效温度,作为正常应力水平值。     

考虑滑带土蠕变特性的边坡长期稳定性分析

为明确边坡软弱夹层中滑带土的蠕变特性对边坡长期稳定性的影响,选取某典型岩质边坡工程为实例,首先在查找、分析已有滑坡事故发生原因的基础上,通过现场监测和室内环剪试验,研究了不同含水量和法向应力条件下边坡滑带土的蠕变变形曲线特征;然后通过引入有关损伤变量的经验关系式,建立了考虑含水量变化的用于描述边坡滑带土蠕变非线性蠕变本构模型;最后将模型计算结果与实测结果进行对比,验证所建立模型的有效性和正确性,并通过预测一年后边坡软弱夹层变形的发展规律,对该边坡长期稳定性做出评价,探讨了计算模型对于外部环境因素影响的局限性。结果表明:①边坡滑带土的蠕变特性与含水量密切相关,引入的损伤变量经验关系式可以有效地描述这一特性;②基于边坡滑带土蠕变特性的应力-应变计算模型,可以准确、有效地评价边坡软弱夹层的变形情况;③边坡软弱夹层的塑性剪切变形随时间的推移呈不断增加趋势,其累积变形量逐渐贯通于整个软弱面,最终导致滑坡的发生;④计算模型中未考虑自然条件的影响,在强烈自然环境的作用下,应加强边坡变形的实时监控,并与模型计算结果进行对比与分析,针对异常情况,及时采取合理的工程防护措施。该研究结果可为此类边坡的长期安全评价提供理论指导。