定應力和拉伸速率對復合固體推進劑反復拉伸試驗的影響

曲 凱,張旭東,李高春

(海軍航空工程學院飛行器工程系,山東 煙臺 264001)

引 言

復合固體推進劑作為火箭發動機的重要組成部分,其力學性能直接決定發動機的貯存壽命[1]。發動機從工廠生產制造、運輸、勤務處理、倉庫貯存直至最后發射的全過程要承受各種載荷作用,因此通過試驗研究復合固體推進劑的力學損傷特性,對于評估發動機壽命具有重要意義。

目前,研究復合固體推進劑力學性能的主要方式為單向拉伸試驗。由于復合固體推進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。試驗證明[2-4],推進劑的單向力學性能受溫度、加載方式和應變速率的影響較大。但是,單向拉伸試驗只能研究推進劑極限破壞性能,而推進劑在貯存過程中更多時間受到小應力交變載荷作用,如環境溫度載荷和振動載荷。推進劑的疲勞特性也可使用金屬材料的疲勞表征方法,國內外研究人員[5-6]進行了相應研究,但研究過程中,都沒有考慮拉伸速率對其疲勞特性的影響。

本試驗主要研究定應力大小及拉伸速率對推進劑反復拉伸疲勞性能的影響規律,為固體火箭發動機在交變應力作用下的壽命預估提供參考。

1 實 驗

1.1 材 料

按照QJ924-81標準[7]的要求,把同一批次的某復合固體推進劑方坯藥(配方(質量分數)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 推進劑試件尺寸(mm)Fig.1 Dimension of specimen

1.2 試驗方法

用CMT6203型電子萬能拉伸試驗機進行不同定應力水平下反復拉伸試驗。試驗條件為:室溫(20±2)℃、相對濕度 65%,每組試驗5個試件。

為確定定應力的大小,首先進行復合固體推進劑單向拉伸試驗,試驗按照QJ924-81標準的要求進行,拉伸速率為100mm/min,結果如圖2所示。從圖2可以得到該復合固體推進劑的最大抗拉強度為0.63MPa,最大伸長率為77.57%。

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

根據上述試驗結果,確定如下試驗方案:定應力分別為0.60、0.55、0.50、0.45、0.40 和0.35MPa,拉伸速率為100mm/min。試驗過程中,當應力達到預先設定的值時,拉伸試驗機將改變運行方向以同樣的速率進行回復,當試件所受的應力恢復到0.001MPa時,再進行下一次拉伸,重復此過程直至試件斷裂。記錄推進劑試件發生破壞時的循環加載次數以及整個加載過程中的應力-應變曲線。

在應力為0.5 MPa下,拉伸速率分別選取50、100、200和400mm/min,對推進劑反復進行拉伸,記錄推進劑試件破壞時的循環加載次數。

2 結果與分析

2.1 定應力循環加載下推進劑的應力-應變特性

以定應力0.5MPa試驗為例,研究其試驗過程的應力-應變(σ-ε)曲線和應變-時間(ε-t)曲線特性,結果見圖3。

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

根據圖3(a)可知,隨著拉伸次數的增加,推進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“脫濕”效應,即由于顆粒形狀不規則,當推進劑受力時顆粒表面出現局部應力集中點,使二者粘接界面發生破壞,導致顆粒的模量增強作用降低。

由圖3(b)可知,一方面,推進劑試件在每一個循環中,當應力和應變同時達到最大值,而且隨著循環次數的增加,應變的最大值(εmax)在不斷增加。另一方面,當推進劑試件應力恢復到 0.001MPa時,應變則不能完全恢復,將這種應變定義為循環殘余應變(εR)。曲線中殘余應變隨著循環次數的增加而增加,而且其增加速率先變快,然后穩定,最后又加快,這是由于推進劑的循環損傷失效模式造成的。推進劑在循環加載過程中,其損傷包括了3個階段:首先為固體推進劑的固體顆粒與基體界面間的出現界面脫粘;其次為黏接劑高分子鏈的微裂紋穩定擴展階段;最后一個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 不同定應力下反復拉伸試驗結果

為了建立推進劑試件試驗過程所承受應力水平與推進劑破壞時平均循壞次數(N)的關系,首先對試件破壞時的循環次數取自然對數,結果見表1。

表1 不同定應力下反復拉伸試驗結果Table1 Test data of repeated tension under different stresses

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

圖4 推進劑的S-N曲線Fig.4 S-N curves of propellant

由公式(1)和(2)可知,當應力大于 0.3MPa時,兩個方程計算的破壞循環次數差別不大;當應力較小時,利用公式(1)計算出的破壞循環次數較小,與實際情況不符。因此,當應力較大時,利用公式(1)擬合出的σ-N曲線與試驗數據的相關性較好;而應力較小時,應采用公式(2)計算破壞循環次數。因此,采用公式(2)能更有效模擬推進劑在小應力作用下的疲勞特性。

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

因此,可以利用殘余應變這個物理量來擬合不同應力水平下推進劑的損傷情況。與傳統的S-N曲線相比,它能有效模擬推進劑損傷的實際情況。

圖5 推進劑應力與最大應變和最大殘余應變之間的關系曲線Fig.5 The correlation of the stress to maximum strain and maximum remained strain

2.3 拉伸速率對推進劑疲勞特性的影響

當定應力為0.5MPa時,拉伸速率分別為50、100、200和400mm/min,得推進劑試件破壞的平均循壞次數分別為 69、63、55和46。用公式(1)和公式(2)對試驗數據進行擬合,線性方程系數A、B分別為70.61和-0.066,相關系數為-0.952;指數方程系數A、B和C分別為38.89、144.859和43.819,相關系數為0.996,擬合曲線如圖6所示。

圖6 推進劑的拉伸速率-循環破壞次數關系曲線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,指數擬合方程與試驗數據之間具有更好的相關性。這是因為隨著拉伸速率的增加,推進劑循環破壞次數逐漸降低,這說明循環拉伸速率越快,每一個應力循環對推進劑試件所造成的損傷越大。另一方面,拉伸速率越大對推進劑試件反復拉伸破壞次數的影響卻越來越小,最終趨于恒定。這是由于推進劑本身黏彈特性決定,即黏彈材料在高頻加載時有抵抗加載頻率的特性。

3 結 論

(1)推進劑試件反復拉伸循環中所產生的殘余應變,隨著循環次數增加而不斷增加,它可作為建立損傷模型的損傷變量。

(2)不同定應力反復拉伸試驗中,應力大小與循環破壞次數的自然對數采用指數方程擬合能更好地模擬推進劑損傷。

(3)推進劑試件反復拉伸過程中,拉伸速率越快,每一個加載循環所產生的損傷越大,但隨著拉伸速率增加,每一個加載循環產生的損傷趨于恒定。

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