劉著卿,李高春,王玉峰,李志杰

(1.海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系,山東 煙臺 264001;2.河西機(jī)械化工公司 ,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

引 言

貼壁澆鑄式固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱在其全壽命過程中,不斷承受各種機(jī)械載荷的作用,藥柱中不均勻分布的應(yīng)力應(yīng)變場不僅影響發(fā)動機(jī)的貯存性能,長期載荷作用導(dǎo)致的累積損傷嚴(yán)重時甚至?xí)绊懓l(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性及內(nèi)彈道特性[1],如何確定發(fā)動機(jī)藥柱損傷狀態(tài)及損傷對發(fā)動機(jī)性能的影響是急需研究的問題。李彥麗[2]等人通過比較長期貯存的CTPB推進(jìn)劑方坯和發(fā)動機(jī)中推進(jìn)劑藥柱性能的變化,指出用推進(jìn)劑方坯的老化性能難于推斷發(fā)動機(jī)藥柱的壽命,發(fā)動機(jī)中不同位置的推進(jìn)劑性能的變化有明顯差異;王鴻范[3]等人設(shè)計了 3個貯存溫度、4種老化應(yīng)變條件下的貯存老化實驗,結(jié)果表明,老化應(yīng)變對貯存性能影響顯著,不同溫度下化學(xué)老化與定應(yīng)變產(chǎn)生的老化作用的影響不同。Ozupek[4]在研究推進(jìn)劑本構(gòu)關(guān)系時,從宏觀唯象的角度分析了往復(fù)拉伸過程中推進(jìn)劑的力學(xué)行為,但其對大應(yīng)變往復(fù)拉伸條件下推進(jìn)劑力學(xué)性能的變化考慮不足。鄧凱[5]對3個應(yīng)變幅值、兩種加載次數(shù)循環(huán)加載后的推進(jìn)劑拉伸曲線進(jìn)行了分析,但其結(jié)果未能充分解釋循環(huán)加載對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響。

弄清楚推進(jìn)劑中損傷發(fā)生與擴(kuò)展的規(guī)律是建立推進(jìn)劑損傷本構(gòu)方程,進(jìn)而對固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)評判及壽命評估的基礎(chǔ)。本研究對推進(jìn)劑進(jìn)行不同應(yīng)變幅值及往復(fù)拉伸次數(shù)的加載試驗,靜置回復(fù)后拉斷試件,結(jié)合原位拉伸與斷面電鏡觀察,分析應(yīng)變加載歷史對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響。

1 試 驗

以 HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑為研究對象,力學(xué)性能測試在 MTS微機(jī)控制電子萬能(拉力)試驗機(jī)上進(jìn)行,試件尺寸如圖1所示。原位拉伸電鏡觀察采用飛利浦Quanta400掃描電子顯微鏡,加載使用Deben掃描電鏡拉伸臺,試件為 20mm×10mm×2mm的長方體,試件標(biāo)距 10mm。

圖 1 推進(jìn)劑試件尺寸(單位:mm)Fig.1 Dimension of propellant(units:mm)

為考查往復(fù)拉伸次數(shù)與應(yīng)變幅值對推進(jìn)劑損傷的影響,先對推進(jìn)劑試件進(jìn)行定應(yīng)變往復(fù)拉伸。加載方式為位移控制,加載曲線如圖 2所示。試驗中,以100mm/min的拉伸速度拉伸試件,至預(yù)定位移后迅速改變夾頭運動方向至應(yīng)力為零后再次拉伸試件,如此往復(fù)至預(yù)定次數(shù)。完成往復(fù)拉伸后將試件靜置 12h使試件回復(fù)到零應(yīng)力狀態(tài),再對試件進(jìn)行單向拉伸試驗。

圖 2 推進(jìn)劑試件的定應(yīng)變幅值加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of constant strain loading of propellant

試驗共分 3部分:(1)選取 10%、20%、40%、70%四個應(yīng)變幅值,往復(fù)拉伸試件 10、50、100次后對試件進(jìn)行單向拉伸試驗。 (2)選取 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%八個應(yīng)變幅值,往復(fù)拉伸試件10次后對試件進(jìn)行單向拉伸試驗。 (3)對經(jīng)不同應(yīng)變幅值往復(fù)拉伸次數(shù)后拉斷的試件進(jìn)行斷面觀察;為分析往復(fù)拉伸過程中推進(jìn)劑脫濕損傷的發(fā)展過程,設(shè)計原位往復(fù)拉伸電鏡觀察試驗,將推進(jìn)劑拉伸至應(yīng)變?yōu)?0%后改變夾頭的運行方向至推進(jìn)劑應(yīng)力為零,再拉伸推進(jìn)劑至應(yīng)變達(dá)到70%。應(yīng)變每變化10%拍下 200倍電鏡圖片。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗結(jié)果

經(jīng)4個應(yīng)變幅值(X a)一定次數(shù)往復(fù)拉伸后,推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度(e)如表1所示。不同應(yīng)變幅值往復(fù)拉伸10次后推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度如表2所示。

表1 4個應(yīng)變幅值和一定次數(shù)的往復(fù)拉伸后推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度Table 1 Tensile strength of propellant after different strain and repeated loading times

表 2 不同應(yīng)變幅值和往復(fù)拉伸 10次后推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度

由表1和表2可以看出,經(jīng)不同應(yīng)變幅值和次數(shù)往復(fù)拉伸后,推進(jìn)劑抗的拉強(qiáng)度并無明顯變化,傳統(tǒng)的通過提取單向拉伸曲線中的最大抗拉強(qiáng)度、最大延伸率、斷裂延伸率等特征點的信息來確定推進(jìn)劑所處狀態(tài)的方法在這里失效。直接比較各條件下的單向拉伸曲線更能反映推進(jìn)劑所受損傷的特性。

圖3為4個應(yīng)變幅值不同次數(shù)往復(fù)拉伸后推進(jìn)劑的單向拉伸曲線。由圖3可以看出,雖然抗拉強(qiáng)度在經(jīng)定應(yīng)變幅值往復(fù)拉伸后沒有變化,往復(fù)拉伸對推進(jìn)劑試件造成的損傷卻不能忽視。當(dāng)應(yīng)變幅值為10%時,經(jīng)往復(fù)拉伸后的試件單向拉伸曲線與無損試件單向拉伸曲線相比幾乎沒有變化,往復(fù)拉伸造成的損傷很小;當(dāng)應(yīng)變幅值為 20%、40%時,經(jīng)往復(fù)拉伸后的試件單向拉伸曲線應(yīng)變小于往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值時,推進(jìn)劑的應(yīng)力比無損傷推進(jìn)劑的小,應(yīng)變超出往復(fù)拉伸的應(yīng)變幅值后,拉伸曲線基本恢復(fù)到無損傷單向拉伸狀態(tài),這說明由應(yīng)變造成的損傷控制在往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值的范圍內(nèi),應(yīng)變超出該應(yīng)變幅值時,由往復(fù)拉伸造成的損傷不影響推進(jìn)劑后半部分的力學(xué)性能;當(dāng)應(yīng)變幅值為70%時,損傷擴(kuò)展到應(yīng)變幅值以外,經(jīng)往復(fù)拉伸后的試件應(yīng)力響應(yīng)整體比未損傷試件小。對比圖3中的曲線可看出,往復(fù)拉伸次數(shù)的影響在超過 10次后變化較小,應(yīng)變越大,往復(fù)次數(shù)的影響越大。

往復(fù)拉伸次數(shù)超出 10次后,因往復(fù)拉伸次數(shù)引起的損傷擴(kuò)展較小,在驗證應(yīng)變幅值對推進(jìn)劑損傷的影響時,只考慮往復(fù)拉伸試件10次的情況。圖4分別為不同應(yīng)變幅值往復(fù)拉伸 10次后與無損傷試件的單向拉伸曲線對比圖。

圖 3 不同次數(shù)往復(fù)拉伸后推進(jìn)劑單向拉伸曲線的比較Fig.3 Comparison of single tensile stress-strain curves of propellant with different times of repeated loading

圖4 往復(fù)拉伸10次后推進(jìn)劑單向拉伸曲線的對比Fig.4 Comparison of single tensilestress-strain curves of propellant with ten times of repeated loading

由圖 4可以看出,不同的應(yīng)變幅值對推進(jìn)劑造成的損傷不同,存在一個位于應(yīng)力應(yīng)變曲線平臺區(qū)中間位置的應(yīng)變閾值X th,本試驗為50%～60%,當(dāng)往復(fù)拉伸應(yīng)變小于Xth時,由應(yīng)變造成的損傷不會對應(yīng)變超出X th后的拉伸曲線造成影響,當(dāng)往復(fù)拉伸應(yīng)變大于X th時,往復(fù)拉伸造成的損傷影響到應(yīng)變超出Xth后的應(yīng)力響應(yīng)。

2.2 電鏡觀察結(jié)果

圖5為經(jīng)10%及70%應(yīng)變幅值往復(fù)拉伸10次,靜置后拉斷試件的斷面圖。由圖 5可以看出,往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值為10%的試件,斷面中顆粒脫落比應(yīng)變幅值為70%時少,基體與未脫落顆粒之間呈包裹狀態(tài)。這說明往復(fù)應(yīng)變幅值越大對界面造成的損傷越大。

圖 6(a)、(b)為將推進(jìn)劑直接拉伸至應(yīng)變?yōu)?0%、60%時的電鏡圖片,圖6(c)為回復(fù)過程中應(yīng)變?yōu)?50%時的電鏡圖片,圖6(d)～圖 6(f)分別為應(yīng)力回復(fù)到零后再次拉伸至應(yīng)變?yōu)?0%、60%、70%時的掃描電鏡圖片。

圖 5 往復(fù)拉伸 10次后推進(jìn)劑斷面圖片 (×50)Fig.5 Fracture surface of propellant after 10 times of repeated tension(×50)

圖6 往復(fù)拉伸過程中推進(jìn)劑的原位電鏡圖片(×200)Fig.6 In-situ SEM photos of propellant under repeated tension(×200)

由圖 6可以看出,在一定的拉伸速度下,推進(jìn)劑顆粒與基體之間的界面脫濕位置由顆粒位置與大小決定,大顆粒聚集區(qū)域由于顆粒之間相互影響嚴(yán)重,容易發(fā)生脫濕。應(yīng)變一定時,第1次拉伸、回復(fù)及再次拉伸過程中,推進(jìn)劑顆粒與基體之間的脫濕程度沒有明顯變化,脫濕的程度由應(yīng)變決定。因此出現(xiàn)了圖 3中往復(fù)次數(shù)10次以上時,損傷的擴(kuò)展較小的結(jié)果。

2.3 結(jié)果討論

復(fù)合固體推進(jìn)劑屬于高填充比的顆粒增強(qiáng)材料,一般認(rèn)為顆粒與基體之間的脫濕是造成材料非線性的主要原因[6],但本質(zhì)上推進(jìn)劑的力學(xué)性能是由基體提供的[7],顆粒及顆粒與基體之間界面的存在,限制了基體中高分子鏈的運動,使推進(jìn)劑具有較大的初始模量。本研究認(rèn)為導(dǎo)致推進(jìn)劑拉伸過程非線性行為的原因如下:基體中高分子鏈的依次斷裂、顆粒與基體之間的脫濕、因脫濕導(dǎo)致的周圍基體的卸載及應(yīng)力應(yīng)變的重新分布。推進(jìn)劑單向拉伸過程中,當(dāng)應(yīng)變較小(＜10%)時,基體的斷裂及顆粒與基體之間的脫濕較少,因而在此應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行的往復(fù)拉伸對推進(jìn)劑的單向拉伸特性幾乎沒有影響;隨著應(yīng)變的增加,顆粒與基體之間界面脫濕擴(kuò)展,部分基體由于脫濕而出現(xiàn)不同程度的卸載,進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中使基體中出現(xiàn)高分子鏈的斷裂,推進(jìn)劑模量下降,但由于大分子鏈網(wǎng)絡(luò)的存在,部分分子鏈斷裂不會造成推進(jìn)劑整體的迅速破壞[7],只是使其網(wǎng)絡(luò)中的其余分子鏈承受更大的載荷,并依次斷裂。當(dāng)往復(fù)拉伸應(yīng)變小于X th時,顆粒與基體之間脫濕及大分子鏈網(wǎng)絡(luò)中破壞的范圍較小,因而當(dāng)應(yīng)變超出往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值后,推進(jìn)劑單向拉伸曲線回復(fù)到無損曲線的狀態(tài),但由于脫濕及基體斷裂,當(dāng)應(yīng)變小于往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值時,單向拉伸曲線的應(yīng)力響應(yīng)比無損試件小。清水盛生[8]等人認(rèn)為,單向拉伸過程中存在一個應(yīng)變值,當(dāng)推進(jìn)劑達(dá)到此應(yīng)變時脫濕終止,應(yīng)變增加時脫濕不再擴(kuò)展(圖 6(e)與圖 6(f)中脫濕區(qū)域變化很小)。因此可以推斷,當(dāng)往復(fù)拉伸應(yīng)變大于X th時,推進(jìn)劑材料中顆粒已經(jīng)充分脫濕,脫濕終止后推進(jìn)劑的損傷擴(kuò)展完全來自基體斷裂,基體中出現(xiàn)大范圍的高分子鏈網(wǎng)絡(luò)破壞,因而再次拉伸時其損傷擴(kuò)展到往復(fù)拉伸應(yīng)變幅值以外,造成整體抗拉性能的破壞。

3 結(jié) 論

(1)推進(jìn)劑在往復(fù)拉伸過程中,應(yīng)變加載幅值控制損傷的程度。當(dāng)應(yīng)變較小(＜10%)時,應(yīng)變加載歷史對推進(jìn)劑損傷的影響可以忽略。

(2)往復(fù)拉伸過程中存在一個應(yīng)變閾值X th,當(dāng)應(yīng)變幅值超出此閾值時,造成的損傷會影響推進(jìn)劑整體的抗拉性能。

(3)在單向拉伸過程中,推進(jìn)劑中顆粒與基體之間脫濕的位置與顆粒大小以及相互作用有關(guān),脫濕的程度由應(yīng)變控制。

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