NEPE推进剂疲劳损伤特性研究

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在固体火箭发动机储存和运输过程中,推进剂药柱会承受颠簸振动和温度循环等交变载荷,推进剂在循环载荷环境中不会发生瞬时破坏,但长期作用会使药柱产生疲劳累积损伤,使固体火箭发动机的结构完整性遭到破坏。NEPE推进剂是一种高颗粒填充比的高能复合推进剂,其力学行为与应变率和温度相关,本文针对NEPE推进剂在准静态和动态下的力学性能展开系统研究,主要研究内容包括:利用材料电子实验机对NEPE推进剂在不同应变率下进行等速单轴拉伸实验,得到不同应变率下的应力—应变曲线,分析其率相关特性。在常温下对NEPE推进剂进行了应力松弛实验,利用Sorvari法获得了NEPE推进剂的松弛模量,通过最小二乘法对应力松弛模量—时间曲线进行拟合,得到了松弛模量Prony级数表达式中的系数和指数。分析NEPE推进剂在准静态下的力学特征。利用DMA-ELF3200动态热机械分析仪测定NEPE在不同温度和频率激励下的动态力学参数,获取了NEPE推进剂储能模量、损耗模量及损耗因子的温度谱。通过损耗模量主曲线获得NEPE推进剂玻璃化转变温度。基于时间—温度等效原理对NEPE推进剂动态粘弹性参数进行等效叠加,得到频率谱和移位因子随实验温度变化的规律。根据温度谱和频率谱分析NEPE推进剂动态力学性能。在不同温度和应变幅值条件下开展了NEPE推进剂疲劳实验研究,采用频率为10Hz的正弦波,基于实验数据获得了NEPE推进剂在双对数坐标系下的疲劳方程,分析疲劳寿命与应变幅值之间的关系,并研究了温度对疲劳寿命的影响。基于损伤力学和粘弹性理论,考虑材料疲劳过程中刚度衰减的特征,建立NEPE推进剂非线性疲劳损伤累积模型。通过五组不同应变水平下的疲劳实验,获得了模型参数并进行验证。利用CCD显微镜进行了微观组织观察,分析了应变加载历史对推进剂颗粒和基体的影响。本文成果为固体火箭发动机装药结构设计提供了参考依据。
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