曲 凯,张旭东,李高春

(海军航空工程学院飞行器工程系,山东 烟台 264001)

引 言

复合固体推进剂作为火箭发动机的重要组成部分,其力学性能直接决定发动机的贮存寿命[1]。发动机从工厂生产制造、运输、勤务处理、仓库贮存直至最后发射的全过程要承受各种载荷作用,因此通过试验研究复合固体推进剂的力学损伤特性,对于评估发动机寿命具有重要意义。

目前,研究复合固体推进剂力学性能的主要方式为单向拉伸试验。由于复合固体推进剂是含有大量颗粒状填料的高分子聚合物材料,具有黏弹特性。试验证明[2-4],推进剂的单向力学性能受温度、加载方式和应变速率的影响较大。但是,单向拉伸试验只能研究推进剂极限破坏性能,而推进剂在贮存过程中更多时间受到小应力交变载荷作用,如环境温度载荷和振动载荷。推进剂的疲劳特性也可使用金属材料的疲劳表征方法,国内外研究人员[5-6]进行了相应研究,但研究过程中,都没有考虑拉伸速率对其疲劳特性的影响。

本试验主要研究定应力大小及拉伸速率对推进剂反复拉伸疲劳性能的影响规律,为固体火箭发动机在交变应力作用下的寿命预估提供参考。

1 实 验

1.1 材 料

按照QJ924-81标准[7]的要求,把同一批次的某复合固体推进剂方坯药(配方(质量分数)为:AP69%、Al17%、DQ9%、KZ2.5%、SD2.5%)制作成哑铃型试件,尺寸如图1所示。

图1 推进剂试件尺寸(mm)Fig.1 Dimension of specimen

1.2 试验方法

用CMT6203型电子万能拉伸试验机进行不同定应力水平下反复拉伸试验。试验条件为:室温(20±2)℃、相对湿度 65%,每组试验5个试件。

为确定定应力的大小,首先进行复合固体推进剂单向拉伸试验,试验按照QJ924-81标准的要求进行,拉伸速率为100mm/min,结果如图2所示。从图2可以得到该复合固体推进剂的最大抗拉强度为0.63MPa,最大伸长率为77.57%。

图2 推进剂的σ-ε曲线Fig.2 The stress vs strain reeation curves of propellant

根据上述试验结果,确定如下试验方案:定应力分别为0.60、0.55、0.50、0.45、0.40 和0.35MPa,拉伸速率为100mm/min。试验过程中,当应力达到预先设定的值时,拉伸试验机将改变运行方向以同样的速率进行回复,当试件所受的应力恢复到0.001MPa时,再进行下一次拉伸,重复此过程直至试件断裂。记录推进剂试件发生破坏时的循环加载次数以及整个加载过程中的应力-应变曲线。

在应力为0.5 MPa下,拉伸速率分别选取50、100、200和400mm/min,对推进剂反复进行拉伸,记录推进剂试件破坏时的循环加载次数。

2 结果与分析

2.1 定应力循环加载下推进剂的应力-应变特性

以定应力0.5MPa试验为例,研究其试验过程的应力-应变(σ-ε)曲线和应变-时间(ε-t)曲线特性,结果见图3。

图3 推进剂反复拉伸σ-ε曲线(a)和ε-t曲线(b)Fig.3 Curves of repeated tensile σ-ε(a)and ε-t(b)

根据图3(a)可知,随着拉伸次数的增加,推进剂的正切模量逐渐降低。这说明固体颗粒与基体的界面之间出现“脱湿”效应,即由于颗粒形状不规则,当推进剂受力时颗粒表面出现局部应力集中点,使二者粘接界面发生破坏,导致颗粒的模量增强作用降低。

由图3(b)可知,一方面,推进剂试件在每一个循环中,当应力和应变同时达到最大值,而且随着循环次数的增加,应变的最大值(εmax)在不断增加。另一方面,当推进剂试件应力恢复到 0.001MPa时,应变则不能完全恢复,将这种应变定义为循环残余应变(εR)。曲线中残余应变随着循环次数的增加而增加,而且其增加速率先变快,然后稳定,最后又加快,这是由于推进剂的循环损伤失效模式造成的。推进剂在循环加载过程中,其损伤包括了3个阶段:首先为固体推进剂的固体颗粒与基体界面间的出现界面脱粘;其次为黏接剂高分子链的微裂纹稳定扩展阶段;最后一个阶段为黏接剂的微裂纹汇合为宏观裂纹后迅速破坏阶段[5]。

2.2 不同定应力下反复拉伸试验结果

为了建立推进剂试件试验过程所承受应力水平与推进剂破坏时平均循坏次数(N)的关系,首先对试件破坏时的循环次数取自然对数,结果见表1。

表1 不同定应力下反复拉伸试验结果Table1 Test data of repeated tension under different stresses

文献[8]和文献[9]分别提出了用线性方程和指数方程的方法对推进剂蠕变损伤进行数据拟合。本试验借鉴其数据处理方法,分别采用公式(1)和公式(2)进行拟合,拟合曲线如图4所示,得线性方程系数A、B分别为0.734和-0.057,相关系数为-0.992;指数方程系数 A、B和C分别为0.966、11.24和-0.176,相关系数为0.985。

图4 推进剂的S-N曲线Fig.4 S-N curves of propellant

由公式(1)和(2)可知,当应力大于 0.3MPa时,两个方程计算的破坏循环次数差别不大;当应力较小时,利用公式(1)计算出的破坏循环次数较小,与实际情况不符。因此,当应力较大时,利用公式(1)拟合出的σ-N曲线与试验数据的相关性较好;而应力较小时,应采用公式(2)计算破坏循环次数。因此,采用公式(2)能更有效模拟推进剂在小应力作用下的疲劳特性。

根据表1所列数据可知,推进剂试件断裂时的最大应变和最大循环残余应变随着应力的增加其变化趋势不同。为了直观地研究,将推进剂不同定应力下的最大应变、最大残余应变作图(见图5)。从图5中可以看出,随着应力水平的增加,推进剂试件破坏时的最大残余应变逐渐减少,而最大应变逐渐增加。若以线性方程(公式(1))进行拟合,最大残余应变与应力水平之间具有更好的相关性。

因此,可以利用残余应变这个物理量来拟合不同应力水平下推进剂的损伤情况。与传统的S-N曲线相比,它能有效模拟推进剂损伤的实际情况。

图5 推进剂应力与最大应变和最大残余应变之间的关系曲线Fig.5 The correlation of the stress to maximum strain and maximum remained strain

2.3 拉伸速率对推进剂疲劳特性的影响

当定应力为0.5MPa时,拉伸速率分别为50、100、200和400mm/min,得推进剂试件破坏的平均循坏次数分别为 69、63、55和46。用公式(1)和公式(2)对试验数据进行拟合,线性方程系数A、B分别为70.61和-0.066,相关系数为-0.952;指数方程系数A、B和C分别为38.89、144.859和43.819,相关系数为0.996,拟合曲线如图6所示。

图6 推进剂的拉伸速率-循环破坏次数关系曲线Fig.6 Tensile rate-cycle number curves of propellant

从图6曲线看出,与线性拟合方程相比,指数拟合方程与试验数据之间具有更好的相关性。这是因为随着拉伸速率的增加,推进剂循环破坏次数逐渐降低,这说明循环拉伸速率越快,每一个应力循环对推进剂试件所造成的损伤越大。另一方面,拉伸速率越大对推进剂试件反复拉伸破坏次数的影响却越来越小,最终趋于恒定。这是由于推进剂本身黏弹特性决定,即黏弹材料在高频加载时有抵抗加载频率的特性。

3 结 论

(1)推进剂试件反复拉伸循环中所产生的残余应变,随着循环次数增加而不断增加,它可作为建立损伤模型的损伤变量。

(2)不同定应力反复拉伸试验中,应力大小与循环破坏次数的自然对数采用指数方程拟合能更好地模拟推进剂损伤。

(3)推进剂试件反复拉伸过程中,拉伸速率越快,每一个加载循环所产生的损伤越大,但随着拉伸速率增加,每一个加载循环产生的损伤趋于恒定。

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