固體推進劑細觀損傷模式與強度準則的研究進展

摘 要：本文從固體推進劑的細觀損傷模式與強度準則，對固體推進劑結構完整性的研究進展進行了綜述，并在此基礎上提出了當前研究中存在的不足和需要進一步重點開展的研究。分析表明：構建不同動態加載下不同溫度及熱老化時間的強度準則對于分析固體推進劑結構完整性更具有參考價值。

關鍵詞：固體推進劑;細觀損傷;模式;強度準則

上世紀80年代，美國NASA《空間飛行器設計規范》也明確指出：引起熱試車和發射失敗的主要原因在于推進劑藥柱結構完整性的破壞[1]，通過推進劑細觀損傷的產生與發展，構建不同加載條件下固體推進劑的強度準則對于分析推進劑結構完整性更具有指導意義。本文從推進劑的細觀損傷模式及強度準則的研究進展進行綜述，并指出目前研究中存在的不足。

1 推進劑細觀損傷模式研究進展

固體推進劑是典型粘彈性材料，由推進劑基體、固體顆粒以及粘合劑所組成，目前國內外研究表明，固體推進劑以三種細觀損傷為主：基體裂紋（撕裂）、固體顆粒斷裂以及推進劑基體和固體顆粒的分離（“脫濕”），如圖1所示。

1）基體裂紋。固體推進劑在制作、運輸等工作過程中，由于外力作用會產生微裂紋，這些微裂紋不斷聚集或者發生拓展，形成宏觀的基體裂紋，導致基體撕裂。

2）固體顆粒斷裂。固體顆粒在受到外載荷作用下，其內部會產生細小的微裂紋，當載荷持續施加時，微裂紋會不斷增多、聚集，并向兩邊不停拓展，最終貫穿固體顆粒內部，導致顆粒斷裂。

3）界面破壞（“脫濕”）。固體顆粒與基體之間在受到外力作用時會造成局部的應力升高而產生孔隙，當拉伸或者壓縮等載荷作用時，裂紋逐漸增大，迫使顆粒從基體突出，即“脫濕”。

細觀損傷的探究可以從機理上解釋宏觀表征，可以進一步對材料的性質進行分析。目前由于設備等因素限制，國內外針對細觀損傷的研究主要采用的是常溫低應變率條件下試驗。Farris等基于推進劑單向拉伸試驗，發現了基體與顆粒之間孔隙發生，發現了脫濕細觀損傷形式。通過后期研究發現，在常溫低速拉伸試驗中，拉伸速率可以改變HTPB推進劑的細觀損傷，在低速拉伸時，“脫濕”是推進劑細觀損傷形式產生形式，當拉伸速度提高，推進劑細觀損傷種類逐漸轉變為固體顆粒斷裂甚至基體的撕裂。為了研究老化時間對推進劑力學性能影響，張仁等對不同老化時間推進劑開展常溫低應變率拉伸試驗，通過分析不同老化推進劑的細觀損傷發現：推進劑會隨著老化過程的不斷推進，逐漸出現“脫濕”等損傷現象。Ide等根據開展的力學性能試驗，對推進劑的老化損傷形式進行了研究，并發現老化可以提升推進劑裂紋拓展速度。為了研究固體推進劑在高速壓縮載荷下細觀損傷，黃風雷設計平板進行撞擊試驗以達到高速壓縮的試驗效果。

溫度的改變對固體推進劑細觀損傷也會造成一定的影響，但是細觀損傷針對溫度方面研究開展比較少。賴建偉通過低溫及低溫恢復常溫試驗發現，低溫會影響推進劑的細觀損傷形式，伴隨著溫度的持續下降，推進劑損傷從“脫濕”逐漸發展成顆粒斷裂甚至基體撕裂。王哲君研究表明：在低溫動態下推進劑損傷形式隨著溫度降低及應變率升高變得更加嚴重。除了拉伸試驗，Liu和龍兵還開展了固體推進劑斷裂性能試驗，結果表明：裂紋在低溫環境下的拓展速度最快。

2 推進劑強度準則研究進展

目前，針對固體推進劑強度準則研究主要以試驗為基礎，由于推進劑性能與溫度、應變率、熱老化及應力狀態等其他因素有關，所以構建強度準則時必須把上述因素考慮進去。固體推進劑屬于粘彈性材料，分析其破壞準則除了傳統強度理論，主要還有Hashin準則、Tsai-Hill準則、Tsai-Wu準則、Bresler-Pister和Willam- Warnke的三參數模型、Ottosen和Hsieh-Ting-Chen的四參數模型、Podgorski和宋玉普的五參數模型等破壞準則[2][3]。

于洋等通過最大應變理論作為標準分析帶筋套管形藥柱在溫度條件下結構完整性。隋欣等則選用了最大應力作為判斷依據取分析NEPE推進劑老化過程中藥柱結構完整性。丁彪等根據最大 Mises 應力來判定藥柱研究旋轉時大長徑比SEM的藥柱結構完整性。TRAISSAC與PAIPC通過單軸拉伸試驗分析了不同壓強下推進劑的力學性能。Sebnem研究PBAN推進劑的失效與壓強有關。Jones和Knauss則通過雙軸力學試驗建立了推進劑強度包絡線。

目前公開發表的強度準則仍十分稀少，并多以復合材料和巖土材料為主研究，針對推進劑強度準則研究還十分缺乏。現有的強度理論都是只能適用于某一類材料的單一強度理論。雙剪強度理論從雙剪單元體統一的力學模型出發，考慮到作用于雙剪單元體上的全部應力分量以及他們對材料屈服和破壞的不同貢獻，得出一個統一的數學表達式，形成一個能夠適用于眾多材料的統一強度理論。根據雙剪概念形成的統一強度理論可以產生三大族新的一系列強度準則，形成一個全新的強度理論體系。陽建紅在研究NEPE推進劑圍壓性能時運用統一強度理論建立了八面體剪應力與平均應力之間聯系。孟紅磊以累積損傷模型，構建了雙基推進劑的強度破壞準則。張亞通過研究圍壓下HTPB推進劑雙軸力學性能，基于雙剪強度理論，構建了考慮老化、壓強下的強度準則。王哲君等研究了動態加載下HTPB推進劑強度準則，構建了考慮了溫度、應變率雙重因素強度準則推廣形式。

3 結論

1）主要由于試驗裝置的限制，大部分只是針對準靜態條件下的細觀損傷研究，對于高應變率下的推進劑細觀損傷研究仍十分匱乏，尤其是對于低溫熱老化等多因素共同作用下細觀損傷的研究，這對分析真實藥柱在各因素下細觀損傷還存在不足。

2）針對固體推進劑不同加載條件下的強度準則建立還十分匱乏，通過建立不同條件下固體推進劑的強度準則對分析藥柱結構完整性更具有指導意義。

參考文獻

[1]劉兵吉.導彈貯存使用失效分析與防護指南[M].北京：第二炮兵裝備技術部，1998.

[2]宋玉普.多種混凝土材料的本構關系和破壞準則[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[3]陳磊.復合材料結構宏、細觀強度破壞分析[D].南京：南京航空航天大學，2006.

作者簡介

劉暢（1993-），男，漢族，安徽合肥，航空宇航科學與技術碩士，助教，火箭軍士官學校，研究方向固體推進劑結構完整性研究。