曲 凱,張旭東,李高春

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系,山東 煙臺 264001)

引 言

復(fù)合固體推進(jìn)劑作為火箭發(fā)動機(jī)的重要組成部分,其力學(xué)性能直接決定發(fā)動機(jī)的貯存壽命[1]。發(fā)動機(jī)從工廠生產(chǎn)制造、運(yùn)輸、勤務(wù)處理、倉庫貯存直至最后發(fā)射的全過程要承受各種載荷作用,因此通過試驗(yàn)研究復(fù)合固體推進(jìn)劑的力學(xué)損傷特性,對于評估發(fā)動機(jī)壽命具有重要意義。

目前,研究復(fù)合固體推進(jìn)劑力學(xué)性能的主要方式為單向拉伸試驗(yàn)。由于復(fù)合固體推進(jìn)劑是含有大量顆粒狀填料的高分子聚合物材料,具有黏彈特性。試驗(yàn)證明[2-4],推進(jìn)劑的單向力學(xué)性能受溫度、加載方式和應(yīng)變速率的影響較大。但是,單向拉伸試驗(yàn)只能研究推進(jìn)劑極限破壞性能,而推進(jìn)劑在貯存過程中更多時(shí)間受到小應(yīng)力交變載荷作用,如環(huán)境溫度載荷和振動載荷。推進(jìn)劑的疲勞特性也可使用金屬材料的疲勞表征方法,國內(nèi)外研究人員[5-6]進(jìn)行了相應(yīng)研究,但研究過程中,都沒有考慮拉伸速率對其疲勞特性的影響。

本試驗(yàn)主要研究定應(yīng)力大小及拉伸速率對推進(jìn)劑反復(fù)拉伸疲勞性能的影響規(guī)律,為固體火箭發(fā)動機(jī)在交變應(yīng)力作用下的壽命預(yù)估提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

按照QJ924-81標(biāo)準(zhǔn)[7]的要求,把同一批次的某復(fù)合固體推進(jìn)劑方坯藥(配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:AP69%、Al17%、DQ9%、KZ2.5%、SD2.5%)制作成啞鈴型試件,尺寸如圖1所示。

圖1 推進(jìn)劑試件尺寸(mm)Fig.1 Dimension of specimen

1.2 試驗(yàn)方法

用CMT6203型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同定應(yīng)力水平下反復(fù)拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:室溫(20±2)℃、相對濕度 65%,每組試驗(yàn)5個(gè)試件。

為確定定應(yīng)力的大小,首先進(jìn)行復(fù)合固體推進(jìn)劑單向拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)按照QJ924-81標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行,拉伸速率為100mm/min,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以得到該復(fù)合固體推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度為0.63MPa,最大伸長率為77.57%。

圖2 推進(jìn)劑的σ-ε曲線Fig.2 The stress vs strain reeation curves of propellant

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,確定如下試驗(yàn)方案:定應(yīng)力分別為0.60、0.55、0.50、0.45、0.40 和0.35MPa,拉伸速率為100mm/min。試驗(yàn)過程中,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值時(shí),拉伸試驗(yàn)機(jī)將改變運(yùn)行方向以同樣的速率進(jìn)行回復(fù),當(dāng)試件所受的應(yīng)力恢復(fù)到0.001MPa時(shí),再進(jìn)行下一次拉伸,重復(fù)此過程直至試件斷裂。記錄推進(jìn)劑試件發(fā)生破壞時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)以及整個(gè)加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

在應(yīng)力為0.5 MPa下,拉伸速率分別選取50、100、200和400mm/min,對推進(jìn)劑反復(fù)進(jìn)行拉伸,記錄推進(jìn)劑試件破壞時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 定應(yīng)力循環(huán)加載下推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變特性

以定應(yīng)力0.5MPa試驗(yàn)為例,研究其試驗(yàn)過程的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線和應(yīng)變-時(shí)間(ε-t)曲線特性,結(jié)果見圖3。

圖3 推進(jìn)劑反復(fù)拉伸σ-ε曲線(a)和ε-t曲線(b)Fig.3 Curves of repeated tensile σ-ε(a)and ε-t(b)

根據(jù)圖3(a)可知,隨著拉伸次數(shù)的增加,推進(jìn)劑的正切模量逐漸降低。這說明固體顆粒與基體的界面之間出現(xiàn)“脫濕”效應(yīng),即由于顆粒形狀不規(guī)則,當(dāng)推進(jìn)劑受力時(shí)顆粒表面出現(xiàn)局部應(yīng)力集中點(diǎn),使二者粘接界面發(fā)生破壞,導(dǎo)致顆粒的模量增強(qiáng)作用降低。

由圖3(b)可知,一方面,推進(jìn)劑試件在每一個(gè)循環(huán)中,當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)達(dá)到最大值,而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)變的最大值(εmax)在不斷增加。另一方面,當(dāng)推進(jìn)劑試件應(yīng)力恢復(fù)到 0.001MPa時(shí),應(yīng)變則不能完全恢復(fù),將這種應(yīng)變定義為循環(huán)殘余應(yīng)變(εR)。曲線中殘余應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加,而且其增加速率先變快,然后穩(wěn)定,最后又加快,這是由于推進(jìn)劑的循環(huán)損傷失效模式造成的。推進(jìn)劑在循環(huán)加載過程中,其損傷包括了3個(gè)階段:首先為固體推進(jìn)劑的固體顆粒與基體界面間的出現(xiàn)界面脫粘;其次為黏接劑高分子鏈的微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段;最后一個(gè)階段為黏接劑的微裂紋匯合為宏觀裂紋后迅速破壞階段[5]。

2.2 不同定應(yīng)力下反復(fù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為了建立推進(jìn)劑試件試驗(yàn)過程所承受應(yīng)力水平與推進(jìn)劑破壞時(shí)平均循壞次數(shù)(N)的關(guān)系,首先對試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)取自然對數(shù),結(jié)果見表1。

表1 不同定應(yīng)力下反復(fù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table1 Test data of repeated tension under different stresses

文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別提出了用線性方程和指數(shù)方程的方法對推進(jìn)劑蠕變損傷進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。本試驗(yàn)借鑒其數(shù)據(jù)處理方法,分別采用公式(1)和公式(2)進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖4所示,得線性方程系數(shù)A、B分別為0.734和-0.057,相關(guān)系數(shù)為-0.992;指數(shù)方程系數(shù) A、B和C分別為0.966、11.24和-0.176,相關(guān)系數(shù)為0.985。

圖4 推進(jìn)劑的S-N曲線Fig.4 S-N curves of propellant

由公式(1)和(2)可知,當(dāng)應(yīng)力大于 0.3MPa時(shí),兩個(gè)方程計(jì)算的破壞循環(huán)次數(shù)差別不大;當(dāng)應(yīng)力較小時(shí),利用公式(1)計(jì)算出的破壞循環(huán)次數(shù)較小,與實(shí)際情況不符。因此,當(dāng)應(yīng)力較大時(shí),利用公式(1)擬合出的σ-N曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好;而應(yīng)力較小時(shí),應(yīng)采用公式(2)計(jì)算破壞循環(huán)次數(shù)。因此,采用公式(2)能更有效模擬推進(jìn)劑在小應(yīng)力作用下的疲勞特性。

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)可知,推進(jìn)劑試件斷裂時(shí)的最大應(yīng)變和最大循環(huán)殘余應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加其變化趨勢不同。為了直觀地研究,將推進(jìn)劑不同定應(yīng)力下的最大應(yīng)變、最大殘余應(yīng)變作圖(見圖5)。從圖5中可以看出,隨著應(yīng)力水平的增加,推進(jìn)劑試件破壞時(shí)的最大殘余應(yīng)變逐漸減少,而最大應(yīng)變逐漸增加。若以線性方程(公式(1))進(jìn)行擬合,最大殘余應(yīng)變與應(yīng)力水平之間具有更好的相關(guān)性。

因此,可以利用殘余應(yīng)變這個(gè)物理量來擬合不同應(yīng)力水平下推進(jìn)劑的損傷情況。與傳統(tǒng)的S-N曲線相比,它能有效模擬推進(jìn)劑損傷的實(shí)際情況。

圖5 推進(jìn)劑應(yīng)力與最大應(yīng)變和最大殘余應(yīng)變之間的關(guān)系曲線Fig.5 The correlation of the stress to maximum strain and maximum remained strain

2.3 拉伸速率對推進(jìn)劑疲勞特性的影響

當(dāng)定應(yīng)力為0.5MPa時(shí),拉伸速率分別為50、100、200和400mm/min,得推進(jìn)劑試件破壞的平均循壞次數(shù)分別為 69、63、55和46。用公式(1)和公式(2)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,線性方程系數(shù)A、B分別為70.61和-0.066,相關(guān)系數(shù)為-0.952;指數(shù)方程系數(shù)A、B和C分別為38.89、144.859和43.819,相關(guān)系數(shù)為0.996,擬合曲線如圖6所示。

圖6 推進(jìn)劑的拉伸速率-循環(huán)破壞次數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Tensile rate-cycle number curves of propellant

從圖6曲線看出,與線性擬合方程相比,指數(shù)擬合方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間具有更好的相關(guān)性。這是因?yàn)殡S著拉伸速率的增加,推進(jìn)劑循環(huán)破壞次數(shù)逐漸降低,這說明循環(huán)拉伸速率越快,每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)對推進(jìn)劑試件所造成的損傷越大。另一方面,拉伸速率越大對推進(jìn)劑試件反復(fù)拉伸破壞次數(shù)的影響卻越來越小,最終趨于恒定。這是由于推進(jìn)劑本身黏彈特性決定,即黏彈材料在高頻加載時(shí)有抵抗加載頻率的特性。

3 結(jié) 論

(1)推進(jìn)劑試件反復(fù)拉伸循環(huán)中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)變,隨著循環(huán)次數(shù)增加而不斷增加,它可作為建立損傷模型的損傷變量。

(2)不同定應(yīng)力反復(fù)拉伸試驗(yàn)中,應(yīng)力大小與循環(huán)破壞次數(shù)的自然對數(shù)采用指數(shù)方程擬合能更好地模擬推進(jìn)劑損傷。

(3)推進(jìn)劑試件反復(fù)拉伸過程中,拉伸速率越快,每一個(gè)加載循環(huán)所產(chǎn)生的損傷越大,但隨著拉伸速率增加,每一個(gè)加載循環(huán)產(chǎn)生的損傷趨于恒定。

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