基于連續損傷模型的復合固體推進劑力學性能研究

史 佩，曲 凱，張旭東

（海軍航空工程學院 a.訓練部；b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001）

固體火箭發動機中推進劑藥柱的結構組成是一種非常復雜的材料結構體系，它主要由模量較低的粘接劑和高體積填充分數的固體顆粒組成。研究表明：推進劑藥柱的結構完整性和本構關系直接決定著發動機是否能夠正常工作。[1-2]因此，建立合理的損傷和性能劣化模型對于判定固體火箭發動機能否正常工作具有至關重要的意義。

Little和Rice 回顧并總結了如何利用連續損傷理論定量描述推進劑損傷的相關研究工作，并指出如何評價含有一種或多種損傷變量的連續損傷模型好壞的方法。[3]他們總結后發現：目前研究的模型只能成功解釋某些特定現象，而不能應用于發動機壽命預估。比如Ozupek[4]提出了考慮損傷的非線性本構方程，該方程只能運用于推進劑單向拉伸試驗的模擬。Richard[5]提出利用連續損傷力學模型來研究推進劑力學性能變化，模型中本構關系采用彈性材料本構關系，與推進劑粘彈材料的特性不相符。由此可見，至今還未有一種非常成熟理論來模擬推進劑在多種載荷共同作用下力學性能的變化。

本文在Richard 所提出模型基礎上進行改進，無損傷的推進劑應力—應變本構關系利用三元件波因廷模型，來模擬幾種常見加載方式情況下推進劑的力學響應。累積損傷采用Bills[6]和Laheru[7]所提出的線性累積損傷模型，連續損傷演化函數采用Stigh[8]所提出的損傷演化函數。

1 線性累積損傷模型

累積損傷模型最先應用于研究金屬材料的疲勞損傷，而這其中應用最廣泛的是Miner[9]線性累積損傷模型。該模型假定在某一特定載荷下損傷為線性累加，即在特定應力水平 σi下，材料的失效時間為t*，如果假設材料經歷了一系列應力水平 σi，每次時間為Δti，如果這時材料破壞，則式(1)成立：

如果Δti無限小，該損傷過程可看作連續過程，上式可轉化為積分形式：

式中：t*(σi)為在某一應力 σi作用下材料蠕變破壞時間；tf（蠕變壽命）為在任意載荷作用σ (t)下材料的蠕變破壞時間。

根據Bills[6]和Laheru[7]的試驗研究表明：固體復合推進劑同其他材料一樣也遵循線性累積損傷破壞規律。

具體形式如下：

式中：σ0代表蠕變應力；t0為在σ0作用下的蠕變壽命；β為通過試驗獲得材料常數。

Laheru[7]利用上式提出了Lebesgue 正應力N：

正應力N可解釋為在單位時間內使材料失效的蠕變應力，其數值不依賴于材料的載荷史。也就是說，通過試驗測量材料的屬性N和β后，就可以計算出在任意應力 σ (t)作用下材料的使用壽命。

2 連續損傷模型

連續損傷力學的概念是由Kachanov[10]在1958年發表的論文中提出，該理論在過去的30年里在材料學科的研究過程中發揮著越來越重要的作用，Kachanov在其專著[11]中詳細闡述了早期損傷力學的研究工作。

在大多數的連續損傷模型中，損傷被假定為裂紋成核和空穴的生長。而對于推進劑來講，粘接劑和顆粒之間的脫粘引起的空穴增長是推進劑損傷的重要原因。為了定量描述這些空穴的影響，引入了有效應力和損傷變量D。當D=0時，認為材料無任何損傷，當D=1時認為材料破壞。有效應力可以被看成由于微孔洞和微裂紋的存在而使材料有效承載面積減少后承受的應力，其數學表達式可寫成：

一種連續損傷模型必須要考慮損傷的演化，其演化規律可表示成損傷變量D和應力σ的函數：

因此，研究損傷力學其關鍵就是要確定合理的損傷演化函數。Stigh[8]通過對推進劑蠕變損傷實驗研究，給出一種損傷演化方程如式(7)所示：

式中：N為線性累積損傷模型中的Lebesgue 正應力，因此該方程體現了線性累積損傷和蠕變損傷。

3 算例

為了研究推進劑在考慮損傷條件下粘彈響應，推進劑藥柱采用三元件波因廷模型來研究，它是由一個彈簧元件和一個馬克斯威爾元件構成，見圖1。

圖1 波因廷粘彈模型示意圖

3.1 恒速施加應變

對于恒速施加應變下，有效應力可采用卷積積分法求解：

在定應變速率拉伸時推進劑的應力—應變本構關系和損傷演化規律如圖2所示。從圖中看出：當推進劑應變比較小時，損傷較小，此時推進劑表現為粘彈性；隨著損傷逐漸變大，推進劑達到最大應力后迅速破壞。

圖2 恒速應變拉伸推進劑性能曲線

3.2 蠕變

對于蠕變（σ=σ0），根據文獻[12]可知波因廷粘彈模型的蠕變柔量函數為：

將σ代入式(7)并進行積分可求出 D (t)，再利用式(5)、(12)可求解出 ε (t)：

推進劑在蠕變過程中的應變—時間曲線和損傷—時間曲線如圖3所示。

圖3 蠕變下推進劑性能曲線

從圖3中可看出：推進劑在蠕變過程中應變和損傷都是先緩慢增加，隨后迅速變大使其最終破壞。這種趨勢與推進劑蠕變試驗曲線較為吻合。

3.3 應力松弛

對于應力松弛，取ε=ε0。利用波因廷粘彈模型的松弛模量公式(7)可求解出有效應力

將式(14)代入式(7)中，公式兩邊積分可求出D (t)，根據式(5)和式(14)可求出 σ (t)：

D (t)沒有解析函數表達式，可利用定積分數值求解方法進行求解。推進劑在應力松弛過程中的應力—時間曲線和損傷—時間曲線如圖4所示。從圖中可看出：初始階段雖然應力松弛較快，但損傷增加也較快。在曲線后段隨著應力松弛逐漸變慢，損傷演化速率也減慢。計算的應力松弛曲線與推進劑試驗所測得曲線較為符合，都是開始應力松弛快而后變慢。

圖4 應力松弛下推進劑性能曲線

3.4 定應變幅值往復拉伸

推進劑加載方式為定應變幅值往復拉伸循環試驗，其應變幅值和半周期分別為1ε和1t，其曲線如圖5a）所示。

圖5 定應變幅值往復拉伸下推進劑性能曲線

根據3.1 恒速施加應變的情況，可知推進劑應力—應變關系如式(10)所示，它可進一步化簡：

當在應變循環的2(n?1)

t1≤t≤(2 n?1) t1周期：

當在應變循環的(2 n?1)t1≤t≤2nt1周期：

通過式(17)和式(18)可計算出每一周期的損傷量，將其累加起來可以得到總損傷，并可進一步求出應力的變化。

當2(n?1) t1≤t≤(2 n?1) t1時，

當(2 n?1) t1≤t≤2nt1時，

推進劑在定應變幅值往復拉伸循環試驗中的應力—循環次數曲線、損傷—循環次數曲線和應力—應變曲線如圖5b）～ d）所示。從圖中可看出：推進劑損傷值隨著循環次數的增加而不斷增加；推進劑的最大應力隨著循環次數的增加而不斷減少，且應力在下降段隨著循環次數的增加斜率逐漸變緩。

4 結論

結合累積損傷與連續損傷力學相關理論，建立了復合固體推進劑蠕變累積損傷模型，通過算例可得到以下結論：

1）利用本模型可以模擬推進劑在不同加載方式下應力—應變本構關系。

2）采用波因廷模型來模擬其無損本構關系，比文獻[5]提出的彈性模型能更好模擬推進劑的力學響應。

3）計算所得曲線與推進劑試驗所得曲線變化趨勢較為吻合，可解釋試驗過程中出現的一些現象，它為理論計算推進劑損傷提供了一條有效可行的途徑。

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