沖擊載荷下貧氧推進劑的壓縮力學響應*

童 心,鄭 健,孫朝翔,鄭 亞

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

沖擊載荷下貧氧推進劑的壓縮力學響應*

童 心,鄭 健,孫朝翔,鄭 亞

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

為了解貧氧推進劑在沖擊載荷下的力學響應,實施了貧氧推進劑的SHPB實驗,獲得了推進劑相應的動態壓縮力學特性。實驗結果表明,貧氧推進劑在高應變率下具有顯著的應變率敏感性,推進劑的應力隨應變率增加而不斷上升;推進劑的最大應力與應變率對數存在線性關系;從應力-應變曲線推斷,該推進劑在高應變率變形時表現出粘彈性和超彈性相結合的性質。實驗研究可作為研究貧氧推進劑藥柱在點火階段結構完整性的重要依據。

貧氧推進劑;SHPB實驗;粘-超彈;沖擊載荷

0 引言

固體推進劑是固體火箭發動機的動力來源,保持推進劑裝藥結構完整性是確保發動機正常工作的重要前提。固體火箭發動機的使用周期中,推進劑會遭遇各種復雜載荷,如點火壓強、溫度沖擊載荷、加速度過載等,可能嚴重破壞推進劑裝藥的結構完整性。結構完整性與推進劑的力學性能關系密切,因此研究固體火箭發動機的結構完整性必須深入了解推進劑在惡劣環境中的力學性能。

準靜態下的實驗數據與動態下的處在不同的數量級,用準靜態數據代替動態數據會帶來極大的誤差,對實際應用問題的處理影響甚巨。因此,在低應變率實驗及其理論的基礎上,還應將推進劑的測試范圍向高應變率拓展。針對該問題,國內外學者進行了廣泛的實驗研究和理論探索。Ho[1]進行了HTPB推進劑的高應變率實驗,并構建了推進劑的本構模型;Xu等[2]建立了HTPB推進劑含損傷非線性熱粘彈性模型;成紅剛等[3]獲取了鉛鋁貧氧推進劑在低應變率下的壓縮力學特性,并提出了相應的本構關系。常新龍等[4]獲取了HTPB推進劑在700～2 050 s-1應變率范圍內的力學特性。目前最常用的高應變率實驗技術是分離式霍普金森桿(split hopkinson pressure bar,SHPB)。SHPB技術歷史久遠[5,6],應用領域廣泛,可獲取材料在102～104s-1應變率范圍內的應力-應變特性。文中通過SHPB實驗得到單軸壓縮下貧氧推進劑在2 500～4 200 s-1內的動態力學響應,分析了貧氧推進劑的高應變率壓縮力學性能。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

貧氧推進劑以端羥基聚丁二烯(HTPB)為粘合劑,其中鎂鋁質量分數為40%。藥柱試件通過圓口切刀從藥餅上直接切取的方式獲得,加工步驟依據GJB770B—2005固體推進劑壓縮試驗方法。試件為圓柱體,公稱尺寸為Φ10 mm×4 mm。試件加工完畢后放入保溫箱中,在50℃的恒溫環境中保溫24 h,隨后使試件自然冷卻,以消除試件內部的機加工殘余應力。

1.2 SHPB實驗

1.2.1 基本理論和數據處理

SHPB裝置包括3根壓桿,分別稱之為子彈、入射桿和透射桿。SHPB實驗的原理為:子彈經空氣炮加速后撞擊入射桿的自由端,產生有一定寬度的入射壓縮波,入射波傳播到入射桿與試件的接觸界面時,由于桿和試件之間的波阻抗不匹配,部分入射波反射回入射桿,成為拉伸波;另一部分入射波經試件進入透射桿中繼續傳播。入射桿和透射桿上所貼的應變片記錄了實驗中兩桿中的應變信號歷史,通過SHPB的兩個重要假定:1)桿中一維應力波假設;2)試件應力應變均勻假設,可以得到[7]:

εi(t)+εr(t)=εt(t)

(1)

(2)

(3)

試件的應變率可表示為:

(4)

沖擊動力學實驗在南京理工大學火箭技術實驗室進行,實驗溫度為20℃。SHPB分為3個模塊:桿系、發射裝置和數據采集處理系統,示意圖見圖1。桿系包括14 mm直徑的鋁制子彈、入射桿和透射桿。所用的子彈長300 mm,入射桿和透射桿長度均為1 400 mm。由于貧氧推進劑偏軟,波阻抗較低,為縮小與透射桿阻抗之間的差異,獲得較強的透射信號,實驗中選用的壓桿為LC4超高強度鋁合金,其屈服極限為490 MPa,比例極限為370 MPa。實驗過程中,在壓桿和試件接觸界面處涂上二硫化鉬潤滑脂,以減小桿與試件之間的端面摩擦效應。

采用電阻應變片組成的惠斯通電橋將壓桿的應變信號轉變為電壓信號,再經超動態電阻應變儀放大后輸入數據采集卡進行處理。與采集卡連接的顯示器能觀察到兩個應變片的電壓-時間變化曲線,將此數據導入依據“兩波法”(式(1)～式(4))編制的Matlab腳文文件,可得到試件的應力-應變關系和應變率-應變關系(圖2、圖3)。

圖1 SHPB裝置示意圖

圖2 SHPB實驗應力平衡圖

圖3 應變率-應變曲線

1.2.2 脈沖整形技術

為了減少入射波形的振蕩和促進試件的恒應變率變形,近年來發展并完善了“脈沖整形技術”。這項技術一般分為兩類:一種是利用子彈形狀的修正來產生不同的入射脈沖,通過調整子彈的具體形狀參數獲取理想的入射波形[8];另一種是在子彈和入射桿之間粘貼圓柱形“整形片”,通過整形片的塑性變形來改善入射脈沖波形狀[9]。前一種方法實施起來有很大難度,而后一種方法簡單高效,得到了廣泛的應用。實驗中采取了后一種方法。實驗時對整形片的選擇較為靈活,供選擇的材料包括金屬、紙片、石棉等。經過不斷嘗試,發現薄紙片對入射波形的改善效果良好。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗有效性驗證

實驗所得的波形分離圖見圖2,可以發現:入射波與反射波的疊加(即理論透射波)與實際透射波在實驗歷程中重合得很好,表明試件兩端實現了應力平衡。由于脈沖整形片的使用,入射波形有一約30 μs的上升沿,在這個上升沿里,應力波在試件中來回傳播,最終達到了應力平衡狀態。從圖3可以發現,4個應變率-應變曲線均有一平臺段,表明試件實現了恒應變率變形。由此可見,結果滿足了SHPB實驗的兩個重要假設,是準確可信的。

2.2 高應變率壓縮力學響應

圖4 不同壓縮速率下的真實應力-應變曲線(15℃)

圖5 沖擊載荷下的真實應力-應變曲線(20℃)

圖4給出了貧氧推進劑在準靜態下的真實應力-應變曲線,可以獲知該推進劑的一些性質:推進劑在承受壓縮載荷時,力學特性具有應變率敏感性,隨著實驗應變率的上升,推進劑的屈服應力不斷增大,屈服后的流動應力也表現出這種特點。圖5為貧氧推進劑高應變率下的真實應力-應變關系,可以觀察到與準靜態實驗結果相似的現象:貧氧推進劑壓縮應力幅值隨著應變率的增大而提高,表現出明顯的應變率強化效應,具有粘彈性質。比較兩者的應力范圍后可以推斷,用貧氧推進劑在較低應變率下的力學響應來代替高應變率下的實驗數據會帶來相當大的誤差,準靜態下推進劑的最大屈服應力小于3.25 MPa,而動態應力在實驗的初始段就超過了10 MPa。

從圖5中還可發現,試件的破壞應變隨應變率增大而增大,試件的延展性隨著應變率的增加而相應提高,表現出“軟而韌”的特點。試件的最大壓縮應力與對數應變率存在著線性關系,見圖6。Wang Z[10]在HTPB推進劑的拉伸實驗中也發現了這個現象。

圖6 最大應力與對數應變率之間的關系

3 結論

文中通過SHPB實驗得到單軸壓縮下貧氧推進劑在2 500～4 200 s-1內的動態力學響應,分析了貧氧推進劑的高應變率壓縮力學性能,得到以下結論:

1)貧氧推進劑高應變率下的壓縮力學性質表現出應變率敏感性,并且與準靜態下的表現區別明顯;最大應力隨著應變率增大而增大。

2)貧氧推進劑高應變率壓縮下的延伸率遠小于準靜態。

3)貧氧推進劑在沖擊載荷下不僅對應變率敏感,而且變形較大,表現出粘彈性和超彈性結合的性質。

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Compressive Mechanical Response of Fuel-rich Propellant Subjected to Impact Loading

TONG Xin,ZHENG Jian,SUN Chaoxiang,ZHENG Ya

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To investigate mechanical response of fuel-rich propellant under impact loading, SHPB tests were carried out and corresponding compressive mechanical properties of the propellant were acquired. Experimental results indicate that fuel-rich propellant’s mechanical properties are sensitive to strain rate, and stress of the propellant rises with increasing strain rates. The maximum compressive stress versus logarithmic strain rate curve shows linear relationship. It can be concluded the propellant exhibits visco-hyperelastic properties. The presented experimental work could be applied to researching structural integrity of fuel-rich propellant grain during ignition regime.

fuel-rich propellant; SHPB test; visco-hyperelastic; impact loading

2015-10-26

童心(1991-),男,安徽安慶人,博士研究生,研究方向:固體火箭發動機結構完整性。

V512.3

A