伴随着火箭类武器的远程化,高机动性要求不断提高,高能复合固体推进剂逐步得到广泛应用。NEPE作为一种新型高能复合固体推进剂,具备高比冲、高密度以及优良的低温性能等优点,能够较好的契合火箭类武器的远程化期望,因而成为最具发展和应用前景的异质高能固体推进剂。但是能量的提高,带来了结构的愈加复杂化,从而导致NEPE推进剂力学行为较之以往的传统推进剂具有更大的不确定性,对推进剂的实际工程应用带来一定的局限性。因此,为了实现NEPE推进剂在更大范围内的应用推广,同时也从根源上对NEPE推进剂的力学行为进行深入研究,本文基于细观尺度,研究了 NEPE推进剂的损伤机理及演化过程,并将细观研究结果向宏观描述进行拓展,具体而言,主要包含如下内容:(1)对NEPE推进剂进行了电镜扫描试验,得到其微观结构形貌。随后通过定制具有不同细观组成的NEPE试件,并进行常温下不同速率下的单轴拉伸试验及应力松弛试验,结果表明NEPE推进剂的力学性能具有明显的率相关性,其宏观力学参数均随应变率变化而明显改变;通过对不同配方试件试验结果的横向对比,可以发现填充颗粒体积分数及配比的更改,不影响NEPE推进剂的宏观应力松弛行为,而只影响其松弛模量大小,且相比于级配变化,松弛模量对于颗粒体积分数的变化更加敏感;最后,对NEPE粘合剂体系进行了不同速率下的单轴拉伸试验,结合粘超弹理论,建立了适用于NEPE粘合剂体系的粘超弹本构关系,所建本构能够较好的预测NEPE粘合剂体系的单轴拉伸力学行为。(2)基于分子动力学方法,结合具有指数型内聚本构的粘接单元,依据NEPE推进剂的真实配方组成,建立了可反映推进剂细观结构的细观计算模型。通过有限元仿真计算,研究分析了细观结构及组分参数对推进剂宏观力学性能的影响规律,结果表明,NEPE推进剂的宏观力学行为严重依赖于其细观结构,基体特性及颗粒填充分数显著影响其宏观初始模量,而颗粒尺寸配比及界面参数则决定着其受载时的脱湿破坏进程;随后,基于所建细观模型,模拟单轴拉伸试验载荷条件,对NEPE推进剂的细观结构变化进行仿真,得到了 NEPE推进剂的细观损伤演化过程,反映了推进剂在载荷作用下其细观结构所呈现出的典型四阶段形貌及状态。(3)为了克服细观参数测试手段的缺失,采用基于Hook-Jeeves算法的反演识别手段,综合试验结果及仿真分析得到了 NEPE推进剂细观界面参数。针对NEPE推进剂中具有多类填充颗粒的情况,通过对具有不同填充颗粒的试件进行单轴拉仲试验及对应细观模型的仿真计算,进行分步反演,得到AP及RDX颗粒与基体间的具体界而参数。随后,为了考虑实际推进剂中界面力学性能的率相关性,建立了率相关内聚力模型,并基于反演方法得到模型参数,最后对NEPE推进剂细观界面性能的温度相关性进行研究,结果表明,界面力学性能受温度影响较大,采用指数函数定义了界面参数与温度之间的关系描述,并引入至所建立的率相关界面模型中,从而导出了可同时考虑率效应及温度因素的细观界面本构关系。(4)基于聚合物自由体积理论,参照时间-温度等效原理的基础上,提出时间-温度-损伤等效理论,建立起时间-温度-损伤等效模型。对NEPE推进剂在不同温度及不同应变水平下进行应力松弛试验,得到了 NEPE推进剂松弛模量与温度损伤之间的关系。随后分别基于时间温度及时间损伤等效,并结合累计损伤模型,经过对数坐标水平移位得到两条参考温度下无损伤的NEPE推进剂松弛模量主曲线,曲线通过真实长时间松弛试验进行验证,结果表明,两条主曲线与实际试验相互之间在35000s内具有较高的吻合度,说明所建时间-温度-损伤等效模型能够较好的体现NEPE推进剂力学的性能温度及损伤相关性。(5)细观研究表明,颗粒脱湿是影响NEPE推进剂力学行为的关键因素,为了改进传统唯像学方法所建立的本构模型无法计及细观脱湿因素的不足,基于粘弹性脱湿准则和所建立的粘弹性时间-损伤等效原理,将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至有限变形下的粘弹性本构关系中,从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE固体推进剂本构模型。为了验证所建模型的准确性,对NEPE材料进行了不同温度下的单轴等速率拉伸和组合工况下的力学试验,并利用Matlab软件平台编程实现了本构模型对NEPE推进剂在相应载荷下力学行为的数值预测,数值计算结果与试验曲线较为吻合,预测数值与试验值偏差在20%以内,说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内的粘弹性力学行为,为预测具有复杂细观结构的异质固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。总而言之,本文以NEPE复合固体推进剂的细观损伤机理及其考虑细观因素的宏观力学行为描述为研究目标,采用仿真试验相结合的研究手段,研究了 NEPE推进剂在细观尺度的力学行为,揭示了 NEPE推进剂的细观损伤机理及演化过程,获得了NEPE推进剂宏观力学行为随细观结构因素的变化规律,结果表明NEPE推进剂宏观力学性能严重依赖于其细观结构,且能够基于细观模型实现预测,结合细观研究成果,建立了可考虑细观因素的NEPE推进剂宏观本构模型,模型能够较好的描述NEPE推进剂的宏观力学响应,能够为异质推进剂配方设计,以及火箭发动机装药结构完整性分析提供一定的理论指导。