为适应现代局部战场对远程推进技术的需求,必然要提高固体火箭发动机的整体性能,努力探寻高比冲、长时间工作和可控性强的技术途径。为满足自由装填式发动机的工作可靠性,实现装药按特定规律进行燃烧,通常在推进剂表面包覆阻燃抗燃的弹性材料。短纤维增强三元乙丙(EPDM)材料耐烧蚀性能优异,但是对于其力学性能的研究还不够深入,与其相适应的缠绕成型工艺也在初步探索阶段。本文结合实验力学和理论分析,对短纤维增强EPDM包覆薄膜材料的力学性能及应用展开相关研究,旨在揭示材料的各向异性力学特性和破坏机理,构建材料的本构模型和拉伸破坏强度准则,并对缠绕式EPDM包覆层的力学行为进行研究,具体研究内容如下所示:(1)短纤维增强EPDM材料的实验研究。首先根据GB/T228-2010标准设计单轴拉伸和偏轴拉伸实验试件,采用不同的拉伸速率,得到材料在各纤维方向的应力-应变曲线,并获取试件的拉伸破坏形态图;采用改进的单搭接试件进行EPDM包覆层/聚氨酯粘接剂体系的Ⅱ型界面脱粘实验,得到界面脱粘载荷-位移曲线,并观测到了实验过程中界面的脱粘情况;利用缠绕方式得到薄壁圆筒状试件,参照GB/T25048-2010标准设计环向拉伸实验夹具,测量其受径向拉伸作用时的环向力,分析缠绕角度对其力学性能的影响,为理论研究和计算提供参考依据和评判标准。(2)短纤维增强EPDM材料的强度准则研究。以单轴拉伸和偏轴拉伸实验结果为基础,对短纤维增强EPDM薄膜材料的拉伸破坏力学行为进行研究,发现其呈现出明显的率相关平面正交各向异性,破坏机理复杂。采用Tsai-Hill强度准则和余弦级数准则对材料的抗拉强度、断裂伸长率和初始弹性模量进行预测,并分析了两种强度准则的适用性;为更准确地描述材料在拉伸过程中的率相关破坏力学行为,通过引入率相关函数法和率强度因子法,对正交各向异性单向板的Tsai-Hill强度准则进行了率相关拓展,对比分析发现:基于率相关函数法的Tsai-Hill强度准则对材料抗拉强度的预测精度较高,而率强度因子法预测抗拉强度的误差与参考速率的选取和率强度因子的函数表达式密切相关。(3)短纤维增强EPDM材料的本构模型研究。为了更准确描述短纤维增强EPDM材料受载荷作用时表现的力学特性,从纤维增强连续介质力学理论出发,提出了一种考虑应变率效应的横观各向同性粘-超弹本构模型,能够表征材料在低应变率下的非线性、各向异性和率相关的力学特性。其中粘-超弹应变能被解耦为超弹应变能和粘性应变能,而超弹性应变能包括表征各向同性的基体应变能和各向异性的纤维拉伸应变能,粘性应变能采用表征橡胶和纤维粘性响应的宏观唯象模型,选取表征各应变能的函数形式,将预测结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的各向异性粘-超弹性本构模型准确性高,获取材料参数的步骤简单明了,模型形式易于实现有限元开发,能为短纤维复合材料设计提供新思路,为装药完整性分析提供参考依据。(4)缠绕式EPDM包覆层的力学性能研究。为描述缠绕型EPDM包覆层的力学性能,将其等效为三个部分:短纤维增强EPDM薄膜材料、聚氨酯粘接剂和两者结合的界面部分。基于短纤维增强EPDM薄膜材料和聚氨酯粘接剂的本构模型,利用Ⅱ型包覆层界面脱粘实验结果,获取的双线性内聚力模型参数,进行模型的叠加,从而实现对缠绕型包覆层的环向力的预测。在界面强化起始处引入含界面软化函数的双线性牵引位移法则,能够改善理论曲线的趋势,使得最终误差小于5%。证明短纤维增强包覆层等材料的本构模型具有应用价值,对实际工程设计应用具有参考价值。本文全面地研究了短纤维增强EPDM包覆材料的力学性能,构建出描述其各向异性的Tsai-Hill强度准则、率无关超弹性和率相关粘-超弹力学本构模型,并对其缠绕包覆方式进行研究。研究结果表明,本文所建立的破坏强度准则和本构模型精确度高,对短纤维增强复合材料设计具有指导意义,能为固体火箭发动机装药结构完整性分析设计和数值仿真提供理论参考。