固體推進劑低溫點火結構完整性數值模擬

摘要：固體火箭推進劑低溫點火瞬間，低溫和高速加載的點火壓力載荷可能會導致推進劑結構完整性發生破壞。針對目前低溫點火沖擊試驗方案設計存在不足的問題，本文利用Abaqus 有限元分析軟件對一種Ф25～37 mm 內孔裝藥形式的低溫點火沖擊試驗試件進行了數值仿真研究，定量獲得了該端羥基聚丁二烯（hydroxyl terminated polybutadiene，HTPB） 固體推進劑試件結構完整性不被破壞的最大內壓極限值和肉厚系數對推進劑等效應力應變的分布影響。研究結果表明，在?40 ℃和10 MPa 的低溫點火試驗工況下該固體推進劑結構完整性不會被破壞，與試驗結論一致；當內壓增加至42.2 MPa 時推進劑表面等效應力超過抗拉強度，推進劑結構完整性損壞；同一工況下，推進劑表面等效應力應變隨著肉厚系數增大而增加，其值為2.6 時，推進劑表面等效應力因超過其抗拉強度，結構完整性損壞。本文研究方法和結果可為相關試驗方案的優化設計提供指導。

關鍵詞：低溫點火；HTPB 固體推進劑；有限元分析；結構完整性

中圖分類號：V 512 文獻標志碼：A

隨著固體推進劑的日益發展，其在發動機中的工作壓強越來越高，同時還需滿足載荷環境條件變化時寬溫度范圍的安全性要求。特別是對于低溫?40 ℃ 或更低溫度下，固體推進劑藥柱會變脆變硬甚至轉變為玻璃態，產生微裂紋和孔穴等損傷，降低其力學性能，發動機點火沖擊將對固體推進劑結構完整性產生破壞[1-2]，造成推力特性改變及爆炸等事故的發生。因此，有必要進行固體火箭發動機低溫點火條件下的藥柱結構完整性分析研究[3-7]。

目前，發動機藥柱結構完整性評估主要依賴數值仿真結合推進劑拉伸試驗進行力學性能的驗證[8-10]。吳晗旭[11] 提出了含損傷非線性ZWT 本構模型三維離散方法，數值模擬了定應變下推進劑單軸拉伸試驗，并將仿真結果與試驗結果對比，驗證了該本構模型的正確性。劉中兵等[12] 對比了三維彈性和三維線粘彈性模型，證明兩種模型固化降溫和點火增壓引起的最大等效應變是相互疊加的，認為當發動機進行低溫點火試車時，在?40 ℃ 和8 MPa 點火壓力共同作用下，內孔表面將是藥柱最危險部位。在模型改進的基礎上，為了獲得低溫點火下藥柱結構完整性的可信破壞判據，顏彬[13] 以一經典文獻為案例，首先驗證了模型的正確性，然后使用該模型對某一具體型號固體火箭發動機裝藥在固化冷卻和常溫、低溫、高溫點火試車時的結構完整性進行了數值模擬，得出危險點位置，進行結構完整性分析。呂志[14]以第二炮兵工程學院教研室的推進劑拉伸及斷裂實驗結果驗證了模型的準確性，分析了低溫點火沖擊下五角星型藥柱模型的危險點，在?40 ℃ 和20 MPa 點火壓力共同作用下，五角星過渡圓弧處結構完整性被破壞，產生裂紋。

綜上，數值仿真是固體推進劑結構完整性研究的有效手段，目前推進劑結構完整性數值仿真研究主要利用推進劑拉伸試驗進行驗證，缺少設計合理的氣體圍壓條件下結構完整性驗證試驗。張懷龍等[15-16] 利用推進劑中止熄火的原理，設計了一種中止壓力可控的模擬點火沖擊試驗裝置，以點火藥燃燒產生的燃氣壓力模擬推進劑受到的低溫點火沖擊，推進劑試件采用Ф25～37 mm 內孔裝藥形式，開展了在?40 ℃ 和10 MPa 的試驗壓力下推進劑結構完整性試驗。然而，該藥柱結構雖進行了理論低溫點火沖擊試驗，但缺少構件合理性分析和結構完整性影響研究。為了進一步分析低溫點火沖擊對固體推進劑試件結構完整性的影響規律，指導相關試驗方案的優化設計，有必要開展推進劑結構完整性數值模擬研究，獲得推進劑試件在低溫點火沖擊下的等效應力應變分布，對推進劑結構完整性試驗結果進行合理性解釋，并研究推進劑的內壓極限值問題，以避免試驗研究帶來的安全性風險。

本文主要針對固體推進劑結構完整性問題，以文獻[15-16] 中模擬點火沖擊試驗裝置推進劑試件為研究對象，采用Abaqus 有限元分析軟件開展了低溫點火沖擊條件下的數值模擬研究，采取了固體推進劑結構完整性研究中廣泛使用的三維線粘彈性模型，利用固體推進劑藥柱結構完整性破壞判據研究該推進劑的內壓極限值問題，并研究了肉厚系數對藥柱表面等效應力和應變的影響。本文的研究方法與結果可為相關試驗方案的優化設計提供指導。