HTPB推進(jìn)劑粘聚斷裂研究①

韓 波，鞠玉濤，周長省

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

固體推進(jìn)劑藥柱是固體火箭發(fā)動機(jī)的重要部件，藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析是保證固體火箭發(fā)動機(jī)正常內(nèi)彈道性能的必要條件。藥柱表面微小裂紋的存在，對發(fā)動機(jī)能否正常工作有重大影響。因此，研究推進(jìn)劑藥柱表面微小裂紋的起裂、擴(kuò)展規(guī)律具有十分重大現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外針對含微小裂紋的固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱完整性分析，主要采用傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，如應(yīng)力強(qiáng)度因子、能量釋放率等。李九天等［1］使用三維奇異單元，計算了發(fā)動機(jī)藥柱關(guān)鍵部位在內(nèi)壓載荷下的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。Earnest［2］使用實驗和數(shù)值仿真結(jié)合的方法，計算了推進(jìn)劑的能量釋放率，并用于發(fā)動機(jī)藥柱的安全性分析。但由于實際裂紋擴(kuò)展過程中材料產(chǎn)生了幾何不連續(xù)，因此傳統(tǒng)有限元方法不能準(zhǔn)確模擬出裂紋的擴(kuò)展過程。粘聚區(qū)模型(Cohesive Zone Model，簡稱 CZM)最早由 Barenblatt［3］和 Dugdale［4］提出用于研究脆性材料和塑性材料開裂過程。粘聚區(qū)模型為裂紋的起裂、擴(kuò)展分析提供了一種強(qiáng)有力的方法。20世紀(jì)90年代，國外學(xué)者將粘聚區(qū)模型成功用于有限元數(shù)值仿真中，并取得了成功應(yīng)用［5］。國內(nèi)劉陸廣等［6］使用粘聚區(qū)模型來仿真混凝土開裂過程。崔浩等［7］將粘聚區(qū)模型成功用于復(fù)合材料接頭的失效分析中。粘聚區(qū)模型具有明確的物理意義和較高的計算精度。因此，可用于固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱裂紋開裂和擴(kuò)展分析過程中。

1 粘聚區(qū)模型

HTPB推進(jìn)劑是一種高固體含量的高聚物復(fù)合材料。……