劉著卿，李高春，丁 彪，李 建

（1.海軍航空工程學院飛行器工程系；2.91980部隊，山東 煙臺 264001）

0 引言

固體推進劑的力學性能既取決于推進劑的組成和加工過程，也取決于溫度和受載歷程[1-4]。對貼壁澆鑄式固體火箭發(fā)動機而言，由于藥柱的實際溫度與其固化零應力溫度的不同以及發(fā)動機不同結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，其藥柱長期承受熱應力載荷作用[5-6]，發(fā)動機處于變溫環(huán)境時，藥柱內(nèi)部更是承受不均勻分布的交變應力載荷。長期的載荷作用對推進劑的性能有深遠影響，張昊[7-8]等人對推進劑進行定應力與定應變載荷條件下的老化試驗，結(jié)合對壽命預估動力學公式的進一步分析推導與固體推進劑應力應變關(guān)系的研究結(jié)果，建立了考慮應力應變作用的壽命預估動力學公式。其研究表明：推進劑老化過程中應力應變作用的存在，等效的降低了推進劑老化的活化能。Shimizu[9]等人選定4種應力條件對HTPB推進劑進行疲勞試驗，得到了推進劑疲勞壽命的威布爾分布與對數(shù)正態(tài)分布，通過對疲勞至斷后的推進劑進行燃速測試，研究了疲勞歷史對推進劑燃燒性能的影響，但其未對推進劑疲勞過程中的破壞機理進行分析。

對推進劑力學特性的研究，是發(fā)展先進推進劑與準確預報固體火箭發(fā)動機壽命的重要基礎(chǔ)[10-11]。本文對推進劑進行不同應力條件下的往復拉伸試驗，以期弄清楚推進劑在往復拉伸過程中的損傷擴展機理。

1 試驗方案

本文以HTPB復合固體推進劑為研究對象，力學性能測試在MTS微機控制電子萬能(拉力)試驗機上進行，試件尺寸如圖1所示。

圖1 推進劑試件尺寸（單位：mm）

為弄清應力幅值對往復拉伸過程中推進劑試件損傷變化的影響，選取0.9 MPa、0.8 MPa、0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa共5個應力幅值對推進劑進行往復拉伸，試驗加載曲線如圖2所示。

圖2 定應力加載示意圖

試驗中，用游標卡尺測量推進劑中間段寬度和厚度，計算得到受載截面面積，然后根據(jù)不同應力水平，計算得到相應拉力，加載方式為力控制，以100 mm/min的速度拉伸試件，至預定應力后迅速改變夾頭運動方向至應力為0后再次拉伸試件，如此往復至試件斷裂破壞。定義加載過程中的最大應力為應力幅值aσ，相應應變?yōu)榉逯祽僷ε，應力為0時的應變?yōu)榱銘c應變zε。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 定應力幅值往復拉伸曲線

圖3為不同應力幅值下往復拉伸的應力應變曲線，由于應力幅值為0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa時，不同往復拉伸次數(shù)的應力應變曲線重疊較多，為便于觀察對比，只繪制了往復拉伸曲線的一部分。

圖3 往復拉伸應力應變曲線

圖4為不同應力幅值條件下，應力峰值點與零應力點應變隨往復次數(shù)的變化規(guī)律。

圖4 峰值應變、零應力點應變與往復次數(shù)的關(guān)系

由圖3、圖4看出，隨著往復次數(shù)的增加，試件模量不斷下降，往復加載使推進劑“軟化”；應力峰值點應變 εp與零應力點應變 εz增加，εp增加的速率比 εz大；試件整體的不可恢復應變 εz增加，單次不可回復應變(往復拉伸的起點應變與應力下一次回復到零時的應變的差 (εzi+1?εzi)不斷減小。

2.2 往復過程中耗散能的變化

除開始的幾次往復拉伸外，不論是拉伸還是回復過程，在應力接近應力幅值點時，在很小的應變范圍內(nèi)，應力的變化很明顯；在應力接近0時，應力變化很小，而應變需要很大變化，滯回環(huán)成兩頭尖的形狀，滯回環(huán)的面積即為一次往復過程中推進劑的耗散能[12]。圖5為試件的耗散能密度隨往復次數(shù)的變化規(guī)律圖。受載條件下，推進劑耗散的能量主要由兩部分組成：一是由基體的粘性性質(zhì)所導致的粘性耗散；一是由于損傷演化所導致的損傷耗散。推進劑在受力的損傷可分為基體的破壞與顆粒與基體之間的“脫濕”。文獻[13]指出，顆?！懊摑瘛毙枰哪芰苛考墳?0-3cal/cm3，而基體碳鍵斷裂需要的能量量級為8～0.8 cal/cm3，可見推進劑破壞過程的能量耗散主要由基體決定。

圖5 耗散能密度變化規(guī)律

由圖5可以看出，隨著往復次數(shù)的增加，推進劑耗散能密度先減小，再增加。定應力幅值往復加載過程中推進劑損傷的發(fā)展與定應變幅值往復加載及單向拉伸過程有所不同，推進劑的力學性能主要由基體提供。定應力幅值往復拉伸過程中，耗散能密度的變化規(guī)律也由推進劑內(nèi)部損傷的發(fā)展決定。以 σa=0.5 MPa為例，在第一次拉伸過程中，雖然峰值應變εp只有15.1%，但由于推進劑中顆粒的“應變放大”效應，受載條件下推進劑內(nèi)部的應力應變分布很不均勻，推進劑中出現(xiàn)了部分顆粒與基體之間的“脫濕”、基體分子鏈中大量短鏈斷裂、部分處于應力集中部位分子鏈長鏈斷裂。由于這些損傷，第一次回復過程中，同應變條件下，應力小于拉伸過程。第二次拉伸過程中，峰值應變εp增加到16.7%，小幅度的應變增加，不會導致?lián)p傷的范圍出現(xiàn)大的變化，該應變范圍內(nèi)能造成的損傷，大部分在第一次拉伸中已經(jīng)形成，再次拉伸過程中，分子鏈斷裂與顆粒和基體之間的“脫濕”增加較少。因此，第二次往復過程中，耗散能密度減小較多。隨著往復次數(shù)的增加，由于同樣的原因，耗散能密度不斷減小，但減小的速度變慢。當往復拉伸進行到一定程度時，本試驗中為第103次，零點應力應變?yōu)?8.6%，短鏈已經(jīng)大部分斷裂，長鏈的斷裂開始起決定作用。隨著往復拉伸的繼續(xù)，長鏈斷裂增加，未斷的長鏈受更大應力，加快了斷裂的進程，因而往復過程中耗散能密度開始增大。

當應力幅值較大時，以 σa=0.9 MPa為例，第一次拉伸的應力峰值點應變就達到37%，造成損傷的范圍較大，但整個耗散能密度的變化仍存在一個先減小后增加的規(guī)律，只是開始的能量耗散由長短鏈的斷裂與顆粒和基體的“脫濕”決定，而增加段則主要由長鏈的斷裂決定。

2.3 定應力幅值往復拉伸壽命

各應力幅值下往復拉伸試件至斷裂所需平均次數(shù)如表1所示：

表1 往復拉伸壽命與應力幅值的關(guān)系

對表1的數(shù)據(jù)進行擬合，得到應力幅值與往復拉伸壽命的關(guān)系式(相關(guān)系數(shù)R=0.9962)：

由式(1)看出，應力幅值與往復拉伸壽命之間相關(guān)性良好。但經(jīng)典的聚合物疲勞壽命曲線表明[14]，聚合物疲勞壽命總體曲線在高周疲勞區(qū)有較小的負斜率值。在低應力區(qū)域，聚合物的疲勞過程主要是微裂紋萌生與非均勻殘余變形形成過程，而這種非均勻殘余變形過程中伴隨著的裂紋萌生主要取決于材料和試驗條件。受限于試驗條件，本文的試驗只選取了5個應力幅值，完全揭示推進劑在應力控制疲勞過程中的損傷發(fā)展，仍需要進行大量試驗。

3 結(jié)論

通過試驗與理論分析，得出以下結(jié)論：

1)定應力往復拉伸過程中，應變?nèi)匀皇强刂茡p傷擴展的主要因素，在不同的拉伸應變下，推進劑的損傷形式不一樣；

2)往復拉伸過程中的耗散能變化規(guī)律反映了推進劑損傷形式的變化，推進劑破壞過程的能量耗散主要由基體決定；

3)對于本文選取的應力范圍，往復拉伸壽命的對數(shù)與應力幅值之間線性關(guān)系良好。

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