Испытание на двухосное растяжение и численное моделирование мезоповреждения пороха HTPB

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17635 (2022) Цитировать эту статью

888 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

С целью устранения недостатков текущих исследований механических свойств твердого топлива в условиях сложных напряжений в данной статье разработаны эффективная крестообразная конфигурация испытательного образца и метод испытаний на двухосное растяжение с переменным масштабом, а также мезо-имитационная модель пороха. построен с помощью теста Micro-CT и алгоритма случайного заполнения. Затем на основе метода Хука-Дживса и модели силы сцепления были получены параметры механических характеристик каждого мезоскопического компонента и, наконец, численно смоделирован процесс развития повреждений пороха. Результаты показывают, что кривая растяжения пороха при двухосном нагружении аналогична кривой одноосного растяжения и имеет очевидную зависимость от скорости и напряженного состояния. Механические свойства пороха при двухосном растяжении значительно ниже, чем при одноосном растяжении, а максимальное удлинение составляет всего 45–85% от такового при одноосном растяжении. Процесс разрушения пороха можно разделить на начальную линейную стадию, стадию развития повреждения и стадию разрушения. Явление размачивания обычно возникает на границе раздела между крупноразмерными частицами АП и матрицей. При нагружении нагрузки поры, образовавшиеся в результате высыхания и разрыва матрицы, продолжают сближаться в трещины и расширяться в направлении, перпендикулярном равнодействующей силе, и, наконец, разрушаются. Пропеллент легче осушается при нагрузке с высокой скоростью деформации, но степень обезвоживания ниже при достижении той же деформации.

Твердое топливо является источником энергии твердотопливного ракетного двигателя (РДТД), и его механические свойства напрямую влияют на грузоподъемность РДМ1. В настоящее время большая часть исследований механических свойств твердого топлива базируется на испытаниях на одноосное растяжение. Однако на протяжении всего жизненного цикла зерна SRM будут возникать сложные напряженные состояния, такие как двухосное растяжение, двухосное сжатие, а также двухосное растяжение и сжатие, а не просто состояние одноосной силы2. Следовательно, механическое поведение твердого топлива в одномерном напряженном состоянии не может эффективно проверять структурную целостность СРМ3, и необходимо провести исследование механических свойств твердого топлива в условиях сложного напряженного состояния. Исследования4,5 показали, что наиболее склонной к разрушению и нестабильности зерна является внутренняя поверхность отверстия при нормальных обстоятельствах. Особенно в момент воспламенения SRM наложенные нагрузки, такие как внешняя среда и внутреннее давление, могут повлиять на внутреннюю поверхность отверстий столба зерна, что приближается к двухосной растягивающей нагрузке6.

Чтобы изучить механическое поведение твердого топлива под действием двухосной растягивающей нагрузки, Биллс7, Ван8 провели испытание механических характеристик твердого топлива на двухосное растяжение с помощью испытательных образцов в форме полос и применили данные к двигателю при устранении неисправностей. Лю C9 и Чжао W C10 изучали механические свойства порохов при двухосном растяжении после термического старения с использованием образцов в форме полос на основе исследований Ванга8. Кроме того, поскольку образец крестообразной формы может более точно имитировать состояние двухосной силы пороха, в последние годы он широко использовался. Qiang H F11 провел испытание на двухосное растяжение топлива HTPB на основе испытательного образца в форме ванны с утонением по центру с помощью машины для двухосных испытаний; Цзя Y G12 также рассчитал испытание на утонение крестообразной формы на основе моделирования ANASYS и провел испытание на двухосное растяжение композитного твердого топлива; Ялоча13 считал, что метод проточки стенки образца и утонения в центральной части не может эффективно характеризовать двухосные свойства пороха. С этой целью были проведены испытания композиционного твердого топлива на двухосное растяжение с использованием бесщелевого образца с дуговым переходом на стенке. Однако вышеуказанные методы испытаний позволяют достичь двухосного растяжения только при одном коэффициенте нагрузки и не могут полностью моделировать сложное напряженное состояние двигателя в момент зажигания. Поэтому необходимо разработать метод испытания на двухосное растяжение с переменным соотношением. Кроме того, макроскопические механические свойства порохов часто тесно связаны с мезоскопической структурой. Методы численного моделирования широко используются при мезоскопическом анализе повреждений твердого топлива благодаря их высокой эффективности и низкой стоимости. Создание мезоскопических имитационных моделей в основном опирается на высокоточные наблюдательные эксперименты и алгоритмы случайного заполнения. Обычно используемые методы наблюдения включают оптический микроскоп (ОМ)14, сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)15,16 и компьютерную томографию (КТ)17,18. Ключ к численному моделированию заключается в получении параметров материала, при которых параметры механических свойств матрицы топлива и частиц могут быть получены посредством экспериментов, в то время как параметры между интерфейсами необходимо ввести в модель силы сцепления19,20. В настоящее время исследователи провели большое количество исследований мезоскопического моделирования в одноосных условиях 21,22,23,24, но исследования порохов в двухосных условиях недостаточно глубоки. Поэтому для изучения процесса развития поврежденности топлива в реальных условиях нагружения и изучения механизма его мезоповреждения необходимо провести имитационный расчет твердого топлива в условиях двухосного нагружения.