改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

王鸿丽;许进升;周长省;靳青梅

【摘要】In order to investigate the mechanical properties under different loading conditions of modified double-base propel-lants, some groups of tests at different strain rates and creep tests at different temperatures under tensile and compressive loads were done. The stress factor and strain factor of asymmetric effects are used to demonstrate the mechanical properties. The results show that the modified double base propellant has asymmetric mechanical effects in tension and compression loads, which are dependent on the strain rate and temperature. Expansion of the origin defects in materials, change of moving space of molecular chains and dif-ferent mechanical properties between matrix and particle are considered to be the main inherent factors that lead to the asymmetric mechanical effects of modified double base propellants.%针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度.结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响.分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因.

【期刊名称】《固体火箭技术》

【年(卷),期】2017(040)003

【总页数】7页(P341-346,352)

【关键词】航空航天推进系统;固体力学;改性双基推进剂;拉压不对称性;拉压试验;

蠕变试验

【作者】王鸿丽;许进升;周长省;靳青梅

【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;西北机电工程研究所,

咸阳 712099

【正文语种】中文

【中图分类】V512

固体火箭推进剂在其制备、运输、贮存和使用的过程中，药柱会受到不同形式的外部载荷，导致其内部应力状态的分布十分复杂，在不同区域会存在不同的应力类型，包括拉伸应力、压缩应力和剪切应力，如发动机工作所产生的燃气压力载荷，导致药柱的径向应力状态是压缩应力，周向为拉伸应力。而在试验研究中发现，改性双基推进剂在不同类型载荷条件下会表现出不同的力学响应。针对上述改性双基推进剂装药复杂应力分布的状态，显然不能继续采用传统的在单一试验状态下获得的材料力学性能来进行装药的结构完整性分析。因此，在改性双基推进剂力学性能的研究中，就需要考虑材料的拉压不对称力学性能，这对改性双基推进剂的装药结构完整性分析具有一定意义。

国内外也有一些关于材料拉压不对称力学性能的研究，Spitzig等对金属材料的研

究中，将其在拉伸和压缩载荷下表现出不同力学响应的现象被称为强度差效应，

Mahnken将材料的上述力学性能称为拉压不对称力学性能。研究表明，在晶体材料、高分子聚合物、颗粒材料、多孔材料中，普遍存在拉伸和压缩力学性能不对称的现象。Betten等[1]研究了具有拉伸和压缩不同力学性能的初始各向同性金属材料的蠕变损伤模型，该模型同时描述了材料在拉伸、压缩和扭转载荷下不同的损伤发展和蠕变性质。Zhu Yu-ping等[2]针对形状记忆合金的拉压不对称力学性能，

建立了材料的宏观本构模型，将拉压不对称因子引入到应变率的表达式中来反映材料的真实力学性能。Zhang Qi-wei等[3]研究了应变率对合金材料拉压不对称力学性能的影响，试验结果显示，拉伸和压缩屈服应力随着应变率的增大而增大，且压缩屈服应力对应变率的敏感性比拉伸屈服应力要高。Shim V P W等[4]建立了一

个粘超弹本构模型来描述橡胶材料的拉伸和压缩力学行为。Shaban等[5]对聚碳

酸酯的率相关塑性变形进行了研究，对聚碳酸酯试件分别进行了3个温度下和2

个应变率下的拉伸和压缩实验，实验结果显示，同一温度和应变率的压缩下载荷下的屈服应力高于拉伸载荷下的屈服应力。Mahnken[6]对聚合物大应变下的拉压不对称力学特性进行了热粘塑性模型的建立。Gross Todd S等[7]研究了热解碳的拉伸和压缩力学性能，证明其弹性模量和泊松比在拉伸和压缩时有很大的差别。Mahnken等[8]针对具有不对称力学性能的聚碳酸酯，建立了有限弹-粘塑性本构

模型，聚碳酸酯常应变率下的拉伸和压缩应力-应变曲线具有明显的SD效应。Chen[9]研究了环氧树脂和有机玻璃在准静态和动态拉伸和压缩加载下的力学性能，表明两种材料在动态拉伸和压缩载荷下存在明显不同的力学性能，而在准静态载荷下这种差距很小。

目前文献并没有对改性双基推进剂拉压不对称力学性能的研究，对改性双基推进剂力学性能的研究大多数认为其拉伸和压缩力学性能基本一致，只分析其拉伸力学性能或者压缩力学性能[10-12]，在固体火箭推进剂本构模型的建立中，也很少会采

用压缩试验来获取模型参数和进行模型验证，这样的研究方法在一定程度上可反映