HTPB 推進(jìn)劑雙向應(yīng)力測試研究

姚玉林，王振華，李萬寶

（中國人民解放軍91515 部隊(duì)，海南三亞 572016）

0 引言

目前，固體發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)孔的安全系數(shù)，一般采用單軸拉伸試驗(yàn)與有限元計(jì)算的結(jié)果比對的方法，此方法存在一定缺陷。固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室藥柱的內(nèi)孔表面一般情況下處于雙向拉伸的應(yīng)力狀態(tài)，因此火箭發(fā)動機(jī)燃燒室藥柱中孔的破壞應(yīng)為雙向應(yīng)力破壞。如果采用單軸拉伸試驗(yàn)與有限元計(jì)算的結(jié)果比對獲得中孔的安全系數(shù)，這將直接影響到對發(fā)動機(jī)的壽命的第一步預(yù)估，會對固體火箭發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估產(chǎn)生一定影響。

本文通過對固體推進(jìn)劑雙向拉伸相關(guān)測試研究，克服現(xiàn)階段固體推進(jìn)劑雙向拉伸破壞無法測試的現(xiàn)象。采用整體澆注的方法成型試件，在雙軸拉伸機(jī)的作用下進(jìn)行不同應(yīng)力比的測試，獲得推進(jìn)劑雙向拉伸破壞測試包絡(luò)面。

1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)以往雙拉伸試件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文采用損傷本構(gòu)的計(jì)算模型，進(jìn)行粘彈損傷結(jié)構(gòu)反復(fù)計(jì)算，使得推進(jìn)劑中心區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到最大，拉伸時首先破壞，最終確定了HTPB 推進(jìn)劑雙軸拉伸試件的尺寸，根據(jù)尺寸制作成雙抽試件。

該雙軸試件采用適用于一般形式的單軸拉伸夾具。試件形狀為十字形，中心為圓形減薄區(qū)域，四周由相切的三段圓弧過渡。通過中心區(qū)減薄技術(shù)使得中心區(qū)域應(yīng)力最大，利用大半徑圓弧減小過渡區(qū)應(yīng)力集中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定開槽的方向和深淺，從而增加中心區(qū)域的應(yīng)力。分析本構(gòu)模型為線性粘彈性型，本構(gòu)方程為：

有限元模型根據(jù)實(shí)際雙軸試件形狀對稱性選用1/8 模型進(jìn)行分析，對模型施加對稱邊界條件，兩端施加位移載荷，載荷比分別為1∶1、2∶1、4∶1。有限元分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力云圖

由圖1 可以看出本文所設(shè)計(jì)的雙軸試件在不同比例加載情況下，中心區(qū)域應(yīng)力分布均勻，而且中心區(qū)域X 和Y 方向的應(yīng)力比等于試件X 和Y 方向的載荷比。

2 雙軸拉伸測試

試驗(yàn)步驟及方法如下：

（1）對試件進(jìn)行編號，表面噴漆噴墨點(diǎn)等預(yù)處理工作，使得后續(xù)試驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)行更好的比對工作。

（2）常溫條件下在MTS 試驗(yàn)機(jī)上對試件進(jìn)行雙軸拉伸，標(biāo)準(zhǔn)加載速率分別為10 mm/min，采用位移控制加載，X∶Y 不同軸加載比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4。試件為十字中心減薄試件。利用照相機(jī)對變形中心區(qū)域同步拍照。

（3）利用DIC 方法對照片進(jìn)行處理，獲得試件中心區(qū)域X和Y 方向的應(yīng)變隨時間變化情況。試件在雙向拉伸試驗(yàn)中通過相機(jī)記錄下變形過程，從圖片中可以明顯看出隨著試件不斷被拉伸，變形逐漸增大，圖片也由清晰變?yōu)槟：ｋS著對試驗(yàn)試件不斷加持拉伸力，試驗(yàn)最后試驗(yàn)試件中心被破壞。

（4）對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)籌處理，利用ABAQUS 軟件的UMAT 接口進(jìn)行仿真分析，并得出結(jié)論。

3 雙軸拉伸測試結(jié)果分析

3.1 位移場計(jì)算

通過不同加載比下不同試件采集的圖片變化過程，可以看出試件中心部位發(fā)生的明顯變化。利用DIC 計(jì)算程序可以得到試件中心區(qū)不同時刻的位移場。中心部分X 和Y 方向的位移場符合線性變化規(guī)律，即中心區(qū)域的應(yīng)變場是均勻的，各部分應(yīng)變近似相同，可以用該區(qū)域的平均應(yīng)變代表在中心區(qū)域的應(yīng)變。

3.2 應(yīng)變時間曲線

圖2～圖4 分別為加載比為1∶1、1∶2 和1∶4 的雙向拉伸試件中心區(qū)域的應(yīng)變加載時間的曲線，圖中標(biāo)出了試件號，基準(zhǔn)加載速率2 mm/min 和100 mm/min。這里以雙向加載中的最大位移加載速率為基準(zhǔn)，如加載比1∶4、基準(zhǔn)加載速率為100 mm/min，實(shí)際上X方向加載速率為25 mm/min、Y 方向加載速率為100 mm/min。

圖2 加載比1∶1 的部分雙向拉伸中心區(qū)域應(yīng)變—時間曲線

圖3 加載比1∶2 的部分雙向拉伸中心區(qū)域應(yīng)變—時間曲線

由圖2 可以看出，1∶1 加載時兩個方向的應(yīng)變接近，差別是由于裝夾試件時兩個方向的加持部分存在間隙不同引起的。出現(xiàn)負(fù)應(yīng)變是由于間隙不同以及Y 方向拉伸造成的X 方向收縮作用產(chǎn)生的。

3.3 斷裂應(yīng)變分析

DIC 計(jì)算是以工程應(yīng)變的計(jì)算方式計(jì)算應(yīng)變的，結(jié)果見表1。Von-Mises 等效應(yīng)變?yōu)橛?jì)算等效應(yīng)變。

4 結(jié)論

通過雙軸拉伸測試，獲得了不同拉速、不同應(yīng)力比條件下的破壞應(yīng)變。通過相同條件下單軸拉伸測試與雙軸拉伸測試比較，在加載比1∶2、基準(zhǔn)加載速率2 mm/min的條件下，雙軸的測試延伸率36.6%，為單軸測試的0.85 倍。考慮到慢速率的影響，選取18.0%作為內(nèi)孔固化降溫載荷下進(jìn)行安全系數(shù)評估，為固體火箭發(fā)動機(jī)的壽命預(yù)估提供技術(shù)支持。