Нелинейная вязкоупругая конститутивная модель с повреждениями и экспериментальной проверкой для композитного твердого топлива

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2049 (2023) Цитировать эту статью

864 Доступа

Подробности о метриках

Разработка нелинейной вязкоупругой модели составного твердого топлива (CSP) в сочетании с эффектами скорости деформации и удерживающего давления необходима для оценки надежности зерен твердого топлива в процессе воспламенения. В настоящей работе впервые была предложена нелинейная вязкоупругая конститутивная модель с новым энергетическим критерием инициирования повреждения и моделью эволюции для описания совокупного влияния ограничивающего давления и скорости деформации на механические реакции CSP. В разработанных критерии возникновения повреждения и модели развития в качестве движущей силы повреждения была введена плотность энергии линейно-вязкоупругой деформации, а также учтено совместное влияние скорости деформации, истории повреждения и ограничивающего давления на рост повреждения. Затем были проведены испытания на одноосное растяжение от низких до средних скоростей деформации и различных удерживающих давлений, а также испытания на релаксацию напряжений с использованием самодельного устройства активного удерживающего давления. Наконец, были представлены процедуры идентификации параметров модели и результаты проверки конститутивной модели. Кроме того, основная кривая параметра инициирования повреждения была построена с использованием принципа суперпозиции время-давление (TPSP). Результаты показывают, что разработанная нелинейная конститутивная модель способна предсказывать реакцию напряжения и деформации CSP при различных скоростях деформации и удерживающих давлениях.

Благодаря преимуществу высокой плотности энергии и простоте хранения композитное твердое топливо (CSP) широко используется в качестве движущей силы твердотопливных ракетных двигателей (ТРД). В общем, CSP состоит из вязкоупругой полимерной связующей системы, в которую включено большое количество твердых частиц (например, перхлорат аммония, AP, алюминий, Al). В течение срока службы зерна CSP будут подвергаться различным нагрузкам, таким как температурная нагрузка от изменения условий окружающей среды, вибрационная нагрузка от транспортировки и сжимающая нагрузка от процесса воспламенения. Под этими нагрузками микроструктура CSP изменяется, включая высыхание вдоль границ раздела между частицами наполнителя и связующим, а также зарождение и рост микропустот1,2. В результате CSP обычно демонстрирует нелинейное и сложное механическое поведение на макроскопическом уровне. На производительность SRM существенно влияет структурная целостность зерен CSP. По сравнению с другими загрузками, зерна CSP наиболее склонны к разрушению в процессе воспламенения под давлением. Под нагрузкой воспламеняющего давления зерна CSP находятся в напряженном состоянии трехосного сжатия (состоянии удерживающего давления) газом, и их механические реакции значительно отличаются от таковых в комнатных условиях. Как типичный вязкоупругий материал, механические реакции CSP сильно зависят от скорости деформации и условий давления окружающей среды. Это показывает, что эти конститутивные модели, проверенные при комнатном давлении, не могут точно предсказать механические реакции пороховых зерен в процессе воспламенения3,4,5. Поэтому очень важно разработать нелинейную конститутивную модель, включающую совместные эффекты скорости деформации и удерживающего давления, и провести соответствующую экспериментальную проверку, чтобы выявить эти сложные механические характеристики и дополнительно оценить надежность зерен CSP в процессе воспламенения.

За последние десятилетия несколько исследователей разработали несколько конститутивных моделей твердого топлива, учитывающих влияние удерживающего давления. Один из первых доступных отчетов, охарактеризовавших влияние давления на поведение, связанное со стрессом и напряжением, был сделан Фаррисом6. Он вывел функцию напряжения-деформации для высоконаполненных эластомеров, используя простую термодинамическую модель. Свонсон и др.7 указали на влияние давления на функцию размягчения деформации путем подбора экспериментальных данных. Основываясь на теории рабочего потенциала и микромеханической модели8, Шапери9,10 разработал определяющую модель для характеристики поведения нелинейной упругой деформации твердого топлива при осевом растяжении и удерживающем давлении. Позже Парк и Шапери11,12 расширили вышеуказанную модель до термовязкоупругой модели, используя так называемую теорию псевдодеформации, принцип суперпозиции время-температура (TTSP) и уравнение эволюции скоростного типа двух внутренних переменных повреждения, которые могут моделировать Влияние скорости осевой деформации, температуры и удерживающего давления на полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Более того, Ха и Шапери13, а также Хинтерхолцль и Шапери14 последовательно расширили модельную теорию Парка и Шапери11,12 до трехмерных измерений и реализовали ее в программном обеспечении Abaqus. Равичандран и Лю15 предложили простую, независимую от скорости феноменологическую конститутивную модель с двумя функциями повреждения, связанными с деградацией модуля объемного сжатия и модуля сдвига. Было исследовано влияние удерживающего давления на одноосную реакцию и представлены реакции напряжение-деформация при различных давлениях (0–2 МПа). Озюпек и др.16,17 разработали три первоначальные изотропные конститутивные модели и ввели экспоненциальную функцию с членом давления в функцию скорости роста объемной доли пустот, вызванной повреждением при вымачивании, для подавления модели эффектом давления на рост повреждений полибутадиен-акрилонитрила. (ПБАН) порох. Прогнозируемые результаты не согласуются с экспериментальными данными даже при высокой скорости деформации из-за предположения, что повреждение не зависит от скорости. Канга и др.18 модифицировали модель, чтобы обеспечить эффективную численную реализацию, и представили сравнение результатов анализа методом конечных элементов и данных испытаний.