固体推进剂准静态力学性能预测方法研究

论文摘要

本文的主要任务是研究固体推进剂准静态力学性能的预测方法,共采用了三种方法对协作单位提供的试样进行了数值计算。第一种方法是基于拉格朗日描述的计算细观力学方法,在这部分构建了二维多组分多尺度高填充率的颗粒随机分布的模型,考虑了颗粒体积含量、颗粒尺度对固体推进剂准静态拉伸力学性能的影响。该方法的主要步骤为:首先生成多颗粒随机分布的几何模型,并剖分网格,构建试样的数值模型,接着分别对基体和填充颗粒赋予合适的材料模型,基体采用双线性塑性本构模型,填充颗粒采用弹性本构模型。最后用LS-DYNA进行计算。第二种方法是是建立在第一种方法模型的基础上,同时考虑了弱界面对固体推进剂拉伸力学性能的影响。数值模型将基体与颗粒界面处的节点相互分离,使这些节点在界面上是相互重合的,但是有独立的节点号。第三种方法是基于欧拉—拉格朗日耦合的计算细观力学方法,在该方法中,基体采用欧拉网格,颗粒采用拉格朗日网格,通过关键字*CONSTRAINEDLAGRANGEINSOLID将两种网格耦合起来。通过将这三种方法的计算结果与实验结果进行比较之后,得出如下结论:基于拉格朗日描述的计算细观力学方法中,填充相总体积含量保持不变的情况下考虑颗粒体积含量对固体推进剂力学性能的影响时,HMX的体积含量对固体推进剂的极限应变有着显著影响,HMX颗粒含量越高,材料的极限应变越大。但在影响极限应力方面,没有明显的规律。在考虑粒径对固体推进剂力学性能的影响时,Al和HMX颗粒粒径对极限应力和极限应变都有明显的影响,Al、HMX颗粒粒径越小,固体推进剂的极限应力和极限应变越大。AP单组分试样考虑粒径影响时发现,AP粒径越小,极限应力越大。在破坏形式方面,试样的破坏为裂纹沿与拉伸载荷方向呈45度方向扩展。从填充颗粒总体的粒径上考虑,试样内充满各个尺度级别的颗粒能获得较好的极限应变,所以在材料制备时尽量不要出现粒径的断层。在考虑弱界面对固体推进剂准静态拉伸力学性能影响时发现,弱界面预测的极限应力和极限应变都小于完美界面预测的结果且弱界面预测的极限应力更接近实验结果。基于欧拉—拉格朗日耦合的计算细观力学方法能很好的预测固体推进剂的极限应力、极限应变和弹性模量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 固体推进剂的研究背景及特性
• 1.2 固体推进剂数值模拟的研究进展
• 1.2.1 颗粒填充复合材料的力学性能的研究进展
• 1.2.2 固体推进剂力学性能的研究进展以及存在的问题
• 1.3 本文研究的目的和主要内容
• 第2章 固体推进剂力学性能预测的理论基础
• 2.1 固体推进剂的材料性能
• 2.1.1 固体推进剂粘弹性特征
• 2.1.2 线性粘弹性理论
• 2.1.3 非线性粘弹性理论
• 2.2 基于拉格朗日描述的计算细观力学预测方法
• 2.3 基于欧拉—拉格朗日耦合的计算细观力学预测方法
• 2.4 LS-DYNA中准静态拉伸模拟的实现
• 2.4.1 LS-DYNA介绍
• 2.4.2 LS-DYNA在准静态模拟中的应用
• 2.4.3 LS-DYNA中断裂的模拟
• 第3章 基于拉格朗日描述的计算细观力学预测方法
• 3.1 基于拉格朗日描述的有限元模拟
• 3.1.1 固体推进剂的几何模型和数值模型
• 3.1.2 材料参数
• 3.1.3 数值结果的处理方法
• 3.1.4 试样的粒径及组分材料
• 3.2 基于拉格朗日描述的计算细观力学预测方法的验证
• 3.2.1 双组分固体推进剂预测方法的验证
• 3.2.1.1 双组分试样的有限元模型
• 3.2.1.2 双组分试样拉伸过程的应力云图
• 3.2.1.3 双组分试样的应力—应变曲线
• 3.2.2 全组分固体推进剂预测方法的验证
• 3.2.2.1 全组分试样的有限元模型
• 3.2.2.2 全组分试样拉伸过程的应力云图
• 3.2.2.3 全组分试样的应力—应变曲线
• 3.3 数值模拟结果及讨论
• 3.3.1 填充含量对固体推进剂力学性能的影响
• 3.3.1.1 Al（AP）含量影响
• 3.3.1.2 HMX（Al）含量影响
• 3.3.1.3 AP（HMX）含量影响
• 3.3.2 填充相粒度对固体推进剂力学性能的影响
• 3.3.2.1 AP粒度影响
• 3.3.2.2 Al粒度影响
• 3.3.2.3 HMX粒度影响
• 3.3.2.4 单组份AP粒度影响
• 3.3.3 计算结果与实验结果比较与讨论
• 3.4 弱界面固体推进剂准静态拉伸模拟
• 3.4.1 无厚度界面模型
• 3.4.2 两种界面模型计算结果的比较
• 3.4.3 不同界面模型的破坏形式比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于欧拉—拉格朗日耦合的计算细观力学预测方法
• 4.1 基于欧拉—拉格朗日耦合的有限元模拟
• 4.1.1 固体推进剂的有限元模型
• 4.1.2 材料参数
• 4.1.3 边界条件及加载
• 4.2 基于欧拉—拉格朗日耦合的预测方法的验证
• 4.2.1 全组分固体推进剂预测方法验证
• 4.2.1.1 全组分试样的有限元模型
• 4.2.1.2 全组分试样拉伸过程中的应力云图
• 4.2.1.3 全组分试样的应力—应变曲线
• 4.2.2 双组分固体推进剂预测方法验证
• 4.2.2.1 双组分试样的有限元模型
• 4.2.2.2 双组分试样的应力—应变曲线
• 4.3 颗粒体积含量的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢