考慮應(yīng)變率和環(huán)境壓強(qiáng)的NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

宋 峻，李 輝，王士欣，許進(jìn)升，周長省

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第726研究所， 上海 200025； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094；3.中國船舶集團(tuán)公司713研究所， 鄭州 450002)

固體火箭發(fā)動機(jī)作為火箭武器的主要動力裝置，被廣泛的應(yīng)用到火箭彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭助推中。隨著對火箭發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程性能需求的不斷提高，對火箭發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)也提出了更高的要求，從而要求固體推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)具有更好的結(jié)構(gòu)完整性。因此，固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性成為研究熱點(diǎn)。通常分析藥柱結(jié)構(gòu)完整性的方法有兩種，一種是進(jìn)行固體推進(jìn)劑力學(xué)實(shí)驗(yàn)，另一種是建立準(zhǔn)確的本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值仿真，而準(zhǔn)確的本構(gòu)模型需要廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，開展固體推進(jìn)劑在復(fù)雜載荷下的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，可為發(fā)動機(jī)裝藥的結(jié)構(gòu)完整性研究提供重要理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對固體推進(jìn)劑在復(fù)雜載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。這些研究主要集中于固體推進(jìn)劑力學(xué)性能的溫度相關(guān)性和應(yīng)變率相關(guān)性等[1-4]。然而，這些實(shí)驗(yàn)不能很好地反映固體推進(jìn)劑在點(diǎn)火條件下的力學(xué)性能特性。這是因?yàn)樵邳c(diǎn)火條件下，固體推進(jìn)劑所處的是圍壓環(huán)境。固體推進(jìn)劑為典型的粘彈性聚合物，其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)該與其他聚合物類似，即力學(xué)性能呈現(xiàn)壓力相關(guān)性[5]。當(dāng)然，一些研究人員也在固體推進(jìn)劑圍壓環(huán)境下的力學(xué)性能測試做了一些研究。如國外Park等[6-7]進(jìn)行了HTPB推進(jìn)劑在不同環(huán)境壓力和不同拉伸速率下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)力和極限應(yīng)變隨著環(huán)境壓力的升高而升高。Traissac等[8]開展了HTPB推進(jìn)劑在不同溫度、應(yīng)變率和環(huán)境壓力下的單軸拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑的極限力學(xué)特性呈現(xiàn)強(qiáng)烈的壓力敏感性。?züpek[9]發(fā)現(xiàn)圍壓在固體推進(jìn)劑未進(jìn)入“脫濕”之前沒有明顯的影響。Liu和Miller[10-12]探究了固體推進(jìn)劑在圍壓環(huán)境下裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)裂紋增長率隨著圍壓的增加而下降。國內(nèi)何鐵山和王小英等[13-14]開展了環(huán)境壓強(qiáng)對固體推進(jìn)劑單向力學(xué)行為的影響研究。發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓強(qiáng)對NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響存在一個閾值，超過該閾值后，環(huán)境壓強(qiáng)對最大強(qiáng)度的影響不大，對最大伸長率無明顯影響規(guī)律。Zhang等[15-16]進(jìn)行了雙基推進(jìn)劑在圍壓環(huán)境下的壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固體推進(jìn)劑的屈服值和壓縮強(qiáng)度隨著圍壓的升高而升高。申志彬[17]開展了HTPB推進(jìn)劑在不同環(huán)境壓力、溫度、拉伸速率下的定速拉伸實(shí)驗(yàn)。研究表明，圍壓環(huán)境下推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的“脫濕”點(diǎn)，推進(jìn)劑的拉伸強(qiáng)度明顯提高；快速拉伸條件下，圍壓環(huán)境極大地降低了推進(jìn)劑的延伸率。盡管國內(nèi)開展了不同類型推進(jìn)劑在圍壓下的力學(xué)行為，但都沒有關(guān)于同時考慮環(huán)境壓強(qiáng)和應(yīng)變率耦合影響以及建立考慮圍壓和應(yīng)變率的強(qiáng)度準(zhǔn)則的研究報(bào)道，為此，通過設(shè)計(jì)的圍壓實(shí)驗(yàn)裝置獲得了固體推進(jìn)劑在不同環(huán)境壓強(qiáng)和應(yīng)變率下的力學(xué)性能，為固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氮?dú)鈬鷫簩?shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括供壓裝置、圍壓裝置和加載裝置三部分。供壓裝置包括高壓氮?dú)馄俊⒄{(diào)壓減壓閥和高壓導(dǎo)氣管。高壓氮?dú)馄刻峁└邏旱獨(dú)猓{(diào)壓減壓閥將高壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需壓力值，通過高壓導(dǎo)氣管注入圍壓缸體中，保證缸體內(nèi)部壓力值的恒定。圍壓裝置包括下端蓋、圍壓缸體、上端蓋、安全泄氣閥及壓力表。加載裝置由啞鈴型試件夾具及微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)QJ211B組成。圍壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 圍壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文中實(shí)驗(yàn)材料選擇為NEPE固體推進(jìn)劑，即硝酸酯增塑的聚醚聚氨酯推進(jìn)劑(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)，其主要成分有粘合劑、增塑劑(17%～21%)、AP顆粒(20%～30%)、Al粉(20%～30%)、黑索金(RDX)和催化劑等。

本文選用同一批次的某NEPE澆鑄推進(jìn)劑作為實(shí)驗(yàn)研究對象。參照復(fù)合固體推進(jìn)劑單向拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)QJ924—85，將推進(jìn)劑試樣加工成啞鈴狀試件，啞鈴狀試件具體尺寸如圖2所示。試件加工完畢后放入50 ℃的恒溫溫箱內(nèi)，保溫24 h，隨后使其自然冷卻，以消除試樣內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

為探究NEPE推進(jìn)劑在不同壓力環(huán)境中的力學(xué)特性，選取相對大氣壓0、0.5、1和2 MPa的4組壓強(qiáng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個壓力下分別進(jìn)行2、10、50和200 mm/min，對應(yīng)的應(yīng)變率分別為：0.000 667 s-1、0.003 33 s-1、0.016 7 s-1和0.066 7 s-1。每個工況進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)每個工況下5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取均值進(jìn)行結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

同一應(yīng)變率環(huán)境壓強(qiáng)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓強(qiáng)對于NEPE推進(jìn)劑初始彈性模量幾乎沒有影響。這是因?yàn)楣腆w推進(jìn)劑在受載荷作用的初始階段，由于載荷較小，NEPE推進(jìn)劑變形較小，NEPE推進(jìn)劑沒有損傷發(fā)生，其體積基本沒有變化，處于不可壓縮狀態(tài)[18]。在不同環(huán)境壓強(qiáng)下，NEPE推進(jìn)劑表現(xiàn)相同的非線性趨勢。還可以發(fā)現(xiàn)試樣的抗拉強(qiáng)度隨環(huán)境壓強(qiáng)的增大而增加，試樣斷裂應(yīng)變也隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增加而變大。在200 mm/min拉伸速度下，與大氣壓下相比，在2 MPa環(huán)境壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)條件下，固體推進(jìn)劑的極限應(yīng)變增加了1倍，抗拉強(qiáng)度值是大氣壓下的1.44倍。

圖3 同一應(yīng)變率不同環(huán)境壓強(qiáng)下NEPE推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在同一環(huán)境壓強(qiáng)條件下，NEPE推進(jìn)劑在不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在同一圍壓下拉伸速率(應(yīng)變率)越大，其初始彈性模量就越大，試樣拉斷時所呈現(xiàn)的最大應(yīng)力也越大，表明初始彈性模量、最大應(yīng)力分別在不同的環(huán)境壓強(qiáng)下仍然具有明顯的率相關(guān)性。

圖4 同一環(huán)境壓強(qiáng)條件下不同拉伸速率下NEPE推進(jìn)劑應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)應(yīng)變率效應(yīng)可知，隨著應(yīng)變率的增高，粘彈性材料的應(yīng)力響應(yīng)幅值均有不同程度的增加，因此同一圍壓下應(yīng)變率越大，其應(yīng)力幅值越大。不同環(huán)境壓強(qiáng)下最大拉伸應(yīng)力與應(yīng)變率的對數(shù)值的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同環(huán)境壓強(qiáng)下最大拉伸應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，在不同的環(huán)境壓強(qiáng)條件下，最大應(yīng)力與應(yīng)變率的對數(shù)值變化呈線性關(guān)系。固體推進(jìn)劑在大變形下，由于顆粒脫濕和基體中形成空洞，導(dǎo)致推進(jìn)劑的體積變大[18]，這時推進(jìn)劑處于可壓縮狀態(tài)。環(huán)境壓強(qiáng)對推進(jìn)劑的影響開始體現(xiàn)出來，在圍壓環(huán)境中，NEPE推進(jìn)劑受三軸壓縮，基體與顆粒被壓緊，無法產(chǎn)生顆粒脫濕，圍壓抑制或延遲了內(nèi)部裂紋及孔洞的萌生，進(jìn)而需要更大的載荷才能使NEPE推進(jìn)劑產(chǎn)生脫濕和最終的失效。因此，NEPE推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加。圖6為試件斷裂時最大應(yīng)變與環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。可以看出，最大應(yīng)變與環(huán)境壓強(qiáng)值呈線性正相關(guān)。在低環(huán)境壓強(qiáng)條件下，NEPE推進(jìn)劑的斷裂應(yīng)變在不同拉伸速率下變化不明顯。而在2 MPa條件下，試件的斷裂應(yīng)變有隨著應(yīng)變率的增加而增加的趨勢。固體推進(jìn)劑在單軸加載下的變形響應(yīng)，可以分為應(yīng)變響應(yīng)和體積膨脹響應(yīng)。隨著圍壓的增加，NEPE推進(jìn)劑的膨脹響應(yīng)受到抑制。因此，NEPE推進(jìn)劑只能表現(xiàn)為應(yīng)變響應(yīng)，隨著圍壓的增加，NEPE推進(jìn)劑的斷裂應(yīng)變也隨著增加。

圖6 最大應(yīng)變與環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)圍壓顯著影響NEPE推進(jìn)劑的力學(xué)特性，尤其是最大抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為顯著的率相關(guān)和壓力相關(guān)。然而眾多研究人員[19-20]在分析固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火下藥柱結(jié)構(gòu)完整性時，常采用大氣壓下的強(qiáng)度準(zhǔn)則作為評判準(zhǔn)則。因此，為了更好地分析點(diǎn)火情況下藥柱結(jié)構(gòu)完整性，需要建立起考慮壓力和應(yīng)變率的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2.3 基于時壓等效原理的強(qiáng)度準(zhǔn)則

高聚物的同一個力學(xué)松弛現(xiàn)象可以在較高的溫度、較短的時間內(nèi) (或較高的頻率下) 發(fā)生，也可在較低的溫度、較長的時間內(nèi) (或較低的頻率下)發(fā)生，這就是“時溫等效原理”。其實(shí)環(huán)境壓強(qiáng)對于推進(jìn)劑松弛特性的影響類似于溫度，即降低溫度等同于增加壓強(qiáng)，這便是時間-溫度-壓強(qiáng)等效原理[21](因?yàn)楸疚闹袥]有考慮溫度，可以表述為時間-壓強(qiáng)等效原理)。陽建紅[22]曾使用雙剪強(qiáng)度理論建立了固體推進(jìn)劑在不同環(huán)境壓強(qiáng)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則，但是該準(zhǔn)則沒有考慮應(yīng)變率，不適用推廣到數(shù)值計(jì)算中，因此本文在這里建立考慮應(yīng)變率和環(huán)境壓強(qiáng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則。因此，時間-壓強(qiáng)移位因子αP可以簡化表示為：

(1)

式中：C1和C2為材料參數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定；P0為參考環(huán)境壓強(qiáng)，即相對大氣壓0 MPa。

總體上來說，固體推進(jìn)劑的力學(xué)特性呈現(xiàn)著“率相關(guān)”和“環(huán)境壓強(qiáng)相關(guān)”。因此在構(gòu)建固體推進(jìn)劑的強(qiáng)度準(zhǔn)則時應(yīng)該考慮壓強(qiáng)和應(yīng)變率對其的影響。根據(jù)時間-壓強(qiáng)疊加原理，NEPE推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度對數(shù)值與每個壓強(qiáng)下的對數(shù)應(yīng)變率曲線可以沿橫軸水平移動，然后與參考壓強(qiáng)下的曲線上重疊；這樣便可以在參考壓強(qiáng)下形成完全重疊的曲線，該曲線稱為該力學(xué)參數(shù)的主曲線。移動距離稱為時間-壓強(qiáng)偏移因子logαP，不同壓強(qiáng)下便有不同的logαP值，用式(1)對其擬合，可以得到壓強(qiáng)與移位因子logαP的曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 移位因子與環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

以P0(相對大氣壓為0 MPa)為參考壓強(qiáng)，利用時間-壓強(qiáng)偏移因子logαP，將不同壓強(qiáng)下NEPE推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度值向右平移logαP，便可以得到NEPE推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度主曲線，利用指數(shù)函數(shù)式(2)對其擬合，其中A=0.283 8，B=5.313 6，C=0.296 4，如圖8所示。該主曲線可以很好地表示固體推進(jìn)劑在0～2 MPa下和拉伸速度2～200 mm/min下抗拉強(qiáng)度變化情況。

圖8 NEPE推進(jìn)劑抗拉強(qiáng)度主曲線

(2)

3 結(jié)論

1) 在不同環(huán)境壓強(qiáng)下，NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能與應(yīng)變率相關(guān)性依然存在。環(huán)境壓強(qiáng)對于NEPE推進(jìn)劑的力學(xué)性能有著明顯的影響，但環(huán)境壓強(qiáng)對于NEPE推進(jìn)劑的初始彈性模量沒有明顯的影響。NEPE推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增加而增加。

2) 依據(jù)時間-壓強(qiáng)等效原理建立NEPE推進(jìn)劑應(yīng)變率和環(huán)境壓強(qiáng)下的強(qiáng)度主曲線，該曲線具有較寬的預(yù)測范圍，可以方便地運(yùn)用到數(shù)值仿真中，為固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性提供有效的技術(shù)支撐。