Page 71 - 《含能材料》2018年优秀论文

732 李辉，许进升，周长省，陈雄，郑健

文章编号：1006‑9941（2018）09‑0732‑07

HTPB 推进剂温度相关性失效准则

李 辉，许进升，周长省，陈 雄，郑 健

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

摘 要： 为建立考虑温度及应变率效应的端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂失效准则，通过不同温度下的 HTPB 推进剂应力松弛实
验（233.15，253.15，273.15，293.15，323.15，343.15 K）得到了 HTPB 推进剂的时温等效因子，基于累积损伤理论和线性粘弹性理
论，建立了含时温等效因子 α T 的推进剂失效准则，结合不同温度、不同速率下的单轴拉伸实验数据获取了失效准则损伤参数。利用
该失效准则预测了不同温度和拉伸速度下推进剂材料的损伤演化特性和临界失效时间，与实验结果对比分析发现，失效准则预测相
-1
对误差低于 20%，表明该失效准则能在低温 233.15~273.15 K，拉伸速度 2~500 mm·min 和高温 293.15~343.15 K，拉伸速度 0.5~
-1
100 mm·min 的条件下预测 HTPB 推进剂的失效情况。
关键词：端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂；温度相关性；失效准则；损伤演化
中图分类号：TJ55；V435 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018068

［2］
提出的线性累积损伤理论，Laheru 和 Bills 在研究
［3］
1 引 言 粘弹性材料受载于恒定载荷下时，认为损伤与时间呈
线性关系，提出了失效时间关于应力的幂率形式的损
固体 火 箭 发 动 机 是 火 箭 弹 、导 弹 等 武 器 的 常 用
伤失效模型。后来 Desmorat 等 ［4］ 研究认为损伤不再
动 力 装 置 。 随 着 现 代 武 器 远 程 化 战 术 要 求 的 不 断
是线性变化，而是以频率关于损伤的函数来表征损伤
提 高 ，固 体 推 进 剂 的 能 量 要 求 和 长 径 比 也 越 来 越
失效过程。E. J. S. Duncan 在研究端羟基聚丁二烯
［5］
高 。 然 而 ，由 于 固 体 火 箭 发 动 机 中 装 有 高 能 推 进
（HTPB）推进剂时，建立了一种包含累积损伤的单轴非
剂 ，其 安 全 问 题 受 到 高 度 关 注 。 近 些 年 来 国 内 外 在
固 体 火 箭 武 器 试 飞 过 程 以 及 战 争 中 ，多 次 出 现 由 于 线性粘弹性本构方程，并成功应用该方程表征常温下整
推 进 剂 药 柱 结 构 完 整 性 破 坏 导 致 的 发 动 机 爆 炸 事 个应力过程中材料的损伤失效过程。近年，Sullivan ［6］
［7］
故 ，造 成 重 大 人 员 财 产 损 失 。 分 析 因 药 柱 结 构 完 整 利用 Kachanov 提出的损伤演化定律研究粘弹性材
性 破 坏 而 引 起 事 故 的 原 因 ，可 能 是 在 装 药 设 计 中 缺 料在循环载荷下的损伤失效情况，并给出损伤参数 S
乏 准 确 有 效 的 装 药 结 构 完 整 性 分 析 方 法 ，没 有 精 确 的拟合方程。Kunz ［8-9］ 阐述了线性累积损伤模型能很
掌握推进剂材料的损伤失效特性。 好地预测推进剂在某些载荷条件下的失效情况，提出
国外在研究推进剂等粘弹性材料损伤失效特性方 了适用于 Laheru 线性累积模型参数确定的方法，以及
［7］
面进展较快，基于累积损伤理论，建立了不同的损伤模 利用 Kachanov 损伤模型，得到了固体推进剂在恒定
型或失效准则来描述固体推进剂等粘弹性材料的损伤 应变率、蠕变等载荷下的损伤失效过程。孟红磊等 ［10］
失效过程。基于 Miner 在研究金属材料循环载荷下 将 E. J. S. Duncan 建立的累积损伤模型在常温下应用
［1］
于双基推进剂，结果显示该累积损伤模型能够很好判
收稿日期：2018⁃03⁃19；修回日期：2018‐05⁃22 断双基推进剂材料的失效情况。史佩 ［11］ 利用连续损
网络出版日期：2018‐07‐05
基金项目：国家自然科学基金（51606098） 伤力学理论并耦合线性累积损伤，建立了复合固体推
作者简介：李辉（1995-），男，主要从事固体火箭发动机装药结构完 进剂蠕变累积损伤模型，得到了推进剂在蠕变下的损
整性分析。e‐mail：825224736@qq.com
伤失效曲线。梁蔚等 ［12］ 在研究循环载荷下 HTPB 推进
通 信 联 系 人 ：许 进 升（1985-），男 ，副 教 授 ，博 士 ，主 要 从 事 固 体 火
箭发动机装药结构完整性分析。e‐mail：xujinsheng@njust.edu.cn 剂的疲劳特性时，基于损伤力学理论和粘弹性理论，建

引用本文：李 辉 ，许 进 升 ，周 长 省 ，等 . HTPB 推 进 剂 温 度 相 关 性 失 效 准 则［J］. 含 能 材 料 ，2018，26（9）：732-738.
LI Hui，XU Jin‑sheng，ZHOU Chang‑sheng，et al. Failure Criterion Related to Temperature for HTPB Propellant［J］. Chinese Journal of Energetic Materials（Han‑
neng Cailiao），2018，26（9）：732-738.
Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.26, No.9 , 2018（732-738） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn