HTPB推進劑粘聚斷裂研究①

韓 波，鞠玉濤，周長省

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

固體推進劑藥柱是固體火箭發動機的重要部件，藥柱結構完整性分析是保證固體火箭發動機正常內彈道性能的必要條件。藥柱表面微小裂紋的存在，對發動機能否正常工作有重大影響。因此，研究推進劑藥柱表面微小裂紋的起裂、擴展規律具有十分重大現實意義。

目前，國內外針對含微小裂紋的固體火箭發動機藥柱完整性分析，主要采用傳統的斷裂力學準則，如應力強度因子、能量釋放率等。李九天等［1］使用三維奇異單元，計算了發動機藥柱關鍵部位在內壓載荷下的裂尖應力強度因子。Earnest［2］使用實驗和數值仿真結合的方法，計算了推進劑的能量釋放率，并用于發動機藥柱的安全性分析。但由于實際裂紋擴展過程中材料產生了幾何不連續，因此傳統有限元方法不能準確模擬出裂紋的擴展過程。粘聚區模型(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。粘聚區模型為裂紋的起裂、擴展分析提供了一種強有力的方法。20世紀90年代，國外學者將粘聚區模型成功用于有限元數值仿真中，并取得了成功應用［5］。國內劉陸廣等［6］使用粘聚區模型來仿真混凝土開裂過程。崔浩等［7］將粘聚區模型成功用于復合材料接頭的失效分析中。粘聚區模型具有明確的物理意義和較高的計算精度。因此，可用于固體火箭發動機藥柱裂紋開裂和擴展分析過程中。

1 粘聚區模型

HTPB推進劑是一種高固體含量的高聚物復合材料。……