固体推进剂药柱表面裂纹动态力学特性研究

论文摘要

固体火箭发动机作为战术导弹或野战火箭的动力装置和关键部件,其安全性非常重要。从己知的导弹及火箭故障来看,固体火箭发动机失效是导致灾难性故障的最主要原因,而失效主要是由于药柱结构完整性的破坏。因此,在固体火箭发动机设计阶段,需要大力开展发动机的结构完整性分析,其中药柱的结构完整性是关键技术之一。在药柱结构完整性分析中,形变和断裂特性研究一直是十分活跃的研究课题。本文通过建立由三维非线性粘弹性本构关系描述的固体推进剂药柱有限元模型,利用数值方法分析药柱表面裂纹的动态场特性,对裂纹尖端应力应变场的分布及其动态场对加载率的响应特征进行了研究。主要研究内容为:1.通过研究广义粘弹性本构方程在固体推进剂材料中的适应性,利用非线性有限元分析中的通用求解方法对单轴和多轴粘弹性本构关系进行了分析,运用递归迭代算法编制了用户材料子程序。2.建立由三维非线性粘弹性本构关系描述的有限元模型,通过数值计算结果与实验结果对比的方式对方程的有效性进行验证。3.利用三种加载方式对带裂纹的典型药柱结构的裂纹尖端场进行了数值计算。通过将三维非线性粘弹性数值方程转化成动态条件下本构模型,编制VUMAT(动态分析用户材料子程序),分别对施加三种不同加载率的不同长度裂纹进行有限元计算,考虑裂纹对动态载荷的响应,分析了应力应变场的变化规律。4.利用典型药柱结构的裂纹尖端场数值计算结果分析了加载率对裂尖前方张开应力场的影响,并预测了动态加载条件下的断裂韧性。通过本文的研究,得到了固体推进剂表面裂纹在动态加载条件下的力学响应特性、场变化规律和裂纹起裂特征。本文的研究工作将对固体火箭发动机结构完整性分析,特别是对固体推进剂药柱结构完整性分析奠定坚实的基

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 1 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.1.1 固体火箭发动机结构完整性综述
• 1.1.2 课题研究的背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 固体推进剂本构方程建模的研究概况
• 1.2.2 裂纹尖端场的研究概况
• 1.2.3 裂纹起裂准则研究概况
• 1.3 本文主要工作
• 2 固体推进剂材料本构方程与数值模型实现研究
• 2.1 固体推进剂的力学属性
• 2.1.1 固体推进剂的微观力学行为
• 2.1.2 固体推进剂的宏观力学性能
• 2.1.3 固体推进剂的粘弹性
• 2.1.4 固体推进剂药柱的力学性能要求
• 2.2 粘弹性本构关系的理论基础
• 2.2.1 热力学基本原理
• 2.2.2 不可逆热力学的两个基本假设
• 2.2.3 内变量理论
• 2.3 演变方程
• 2.4 广义粘弹本构方程
• 2.4.1 微分型本构方程
• 2.4.2 微分方程的求解
• 2.5 非线性粘弹本构律
• 2.5.1 线性粘弹性
• 2.5.2 一维非线性粘弹性本构方程
• 2.5.3 三维非线性粘弹性本构方程
• 2.5.4 单积分型非线性粘弹性本构方程的特点
• 2.6 初边值问题的求解
• 2.6.1 非线性有限元求解步骤
• 2.6.2 应力更新算法
• 2.7 本构律模型的数值执行
• 2.7.1 一维非线性粘弹性本构方程的递归数值积分
• 2.7.2 三维非线性粘弹性本构方程数值积分
• 2.7.3 一致切线柔量矩阵
• 2.8 本构模型的数值算法程序实现
• 2.8.1 用户子程序接口及工作过程
• 2.8.2 ABAQUS中材料非线性问题的处理方式
• 2.8.3 用户材料子程序UMAT的开发步骤
• 2.8.4 UMAT子程序流程
• 2.9 小结
• 3 固体推进剂本构模型验证
• 3.1 本构方程非线性参数确定方法
• 3.1.1 利用蠕变曲线确定本构方程参数
• 3.1.2 数据减缩过程
• 3.1.3 确定蠕变柔量
• 3.2 单轴实验数值模拟
• 3.3 双轴板条试件定速拉伸数值模拟
• 3.4 星形药柱受点火压力载荷数值模拟
• 3.5 PHI模拟发动机实验数值模拟
• 3.6 单向拉伸实验方法与数据处理
• 3.6.1 实验材料与设备
• 3.6.2 单轴定速拉伸测试方法
• 3.6.3 单轴蠕变测试方法
• 3.7 数值模拟结果与实验结果的比较和讨论
• 3.7.1 单轴拉伸数值模拟结果与实验结果比较
• 3.7.2 双轴板条试件拉伸数值模拟结果与文献计算结果比较
• 3.7.3 星形药柱受点火压力载荷数值模拟结果与文献计算结果比较
• 3.7.4 PHI模拟发动机数值模拟结果与实验结果比较
• 3.8 小结
• 4 典型药柱表面裂纹尖端应力应变场分析
• 4.1 固体推进剂材料动态载荷下本构关系
• 4.1.1 高应变速率与材料本构关系
• 4.1.2 动态条件下固体推进剂材料的本构关系
• 4.1.3 运动方程
• 4.1.4 几何方程和协调方程
• 4.2 平面应变和材料不可压缩时基本方程的极坐标形式
• 4.3 固体推进剂材料不可压缩Ⅰ型裂纹尖端场
• 4.3.1 裂尖前方张开型应力分布理论
• 4.3.2 Ⅰ型裂纹尖端动态场
• 4.4 动态裂尖场数值计算与结果分析
• 4.4.1 定解条件
• 4.4.2 加载条件
• 4.4.3 物理模型
• 4.4.4 裂尖场数值仿真计算
• 4.4.5 药柱表面裂纹断裂起始条件
• 4.4.6 仿真结果分析
• 4.5 小结
• 5 典型药柱裂纹动态起始特征研究
• 5.1 引言
• 5.2 理论背景
• 5.2.1 裂尖前方张开应力分布理论
• 5.2.2 计算能量释放率和应力强度因子
• 5.3 数值计算结果
• 5.3.1 有限元计算结果
• 5.3.2 确定约束参数丘
• 5.3.3 在不同加载率下应力强度因子随以的变化
• 5.3.4 预测断裂起始韧性
• 5.3.5 利用断裂预测值判断药柱失稳
• 5.4 小结
• 6 工作总结
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 创新点
• 6.3 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目