Page 76 - 《含能材料》2018年优秀论文

HTPB 推 进 剂 温 度 相 关 性 失 效 准 则 737
-
慢，一段时间的损伤模型数值都接近于 0，分析其原因 得到的失效时间为 ξ =203.19 s。选用由失效准则预
f2
为是 HTPB 推进剂处于弹性阶段，损伤较小，在损伤演 -
测的材料失效时间 ξ 与实际实验材料失效时间 ξ 的差
f
f
化曲线中基本不显示；随后伴随着加载时间的增长，应
值的绝对值与实际实验材料失效时间 ξ 的比作为验证
力不断增大，应变在 10% 左右时，损伤开始明显出现， f
所建立的失效准则准确性指标。
这与常武军 ［20］ 和职世君等 ［21］ 对 HTPB 推进剂的细观损 -1
伤研究，HTPB 推进剂的损伤大约发生在其应变 10% - 拉伸速度为 2 mm·min 时：
|ξ - ξ | |12573.3 - 14937.7|
左右的结果基本吻合；随着加载时间延续，损伤累积增 f1 f1 = = 15.8%
ξ 14937.7
加，直至材料发生失效，此时失效准则模型数值为 1。 f1
-1
-1
对于在 323.15 K 下，以 2 mm·min 的拉伸速度 - 拉伸速度为 100 mm·min 时：
得到的推进剂实验失效折算时间为 ξ =14937.7s，当 |ξ f2 - ξ | = |203.19 - 240| = 15.3%
f2
f1
-
损 伤 模 型 D ( ξ ) = 1 时 ，得 到 的 失 效 时 间 为 ξ = ξ f2 240
f1
-1
12573.3 s；以 100 mm·min 的拉伸速度得到的实验 通过上述相对误差计算方法，由失效准则预测的
折算失效时间为 ξ =240 s，当损伤模型 D ( ξ ) = 1 时， HTPB 推进剂失效时间的相对误差见表 4。
f2
表 4 失效准则预测的失效时间相对误差
Table 4 The relative error of failure time predicted by failure criterion
relative error / % relative error / %
T / K T / K
2 mm·min -1 20 mm·min -1 100 mm·min -1 500 mm·min -1 0.5 mm·min -1 2 mm·min -1 20 mm·min -1 100 mm·min -1
233.15 1.89 8.10 16.1 3.97 293.15 >20 1.69 2.42 13.1
253.15 8.75 14.1 13.0 18.1 323.15 7.50 15.8 10.1 15.3
273.15 14.3 17.5 14.2 >20 343.15 4.51 9.85 12.7 10.8

-1
由表 4 可见，由失效准则得到的失效时间相对误 和 100 mm·min 单 轴 拉 伸 实 验 数 据 对 所 建 立 的 失
-1
差小于 20%（除 293.15 K 下 500 mm·min 和 20 ℃下 效 准则 进 行 验 证 ，结 果 发 现 误 差 低于 20%，说明该
-1
0.5 mm·min ，分析这两组实验误差较大的原因可能 失 效 准 则 能 在 低 温 233.15~273.15 K，拉 伸 速 度 2~
-1
是由于两次拟合造成较大的误差）。说明该基于累积 500 mm · min 和 高 温 293.15~343.15 K，拉 伸 速 度
-1
损伤模型的失效准则可以很好地预测 HTPB 推进剂在 0.5~100 mm·min 条件下预测 HTPB 推进剂的失效
不同应变率及温度下的损伤失效过程和失效时间，具 情况，能够为固体推进剂装药结构完整性分析方法、推
备描述 HTPB 推进剂损伤演化的能力，可作为普遍适 进剂失效研究、及推进剂贮存提供一定依据。
用的失效准则用于推进剂的失效预测。
参考文献：
［1］ Miner M A. Cumulative damage in fatigue［J］. J Applied Me‑
5 结 论 chanics Trans Asme，1945，67：159-164.
［2］ Laheru K L. Development of a generalized failure criterion for
结合其他学者关于其他固体推进剂的损伤失效研 viscoelastic materials［J］. Journal of Propulsion & Power，
1992，8（4）：756-759.
究，基于累积损伤模型，针对 HTPB 推进剂建立了考虑 ［3］ Bills K W. Observations on the linear cumulative damage con‐
温度和应变率因素的失效准则，得到如下结论： cept［C］//Proceedings of the JANNAF Structures and Mechani‐
cal Behavior Subcommittee Meeting，Chemical Propulsion In‐
（1）HTPB 推进剂的力学性能具有明显的率相关
formation Agency Publication. 1980，331：57-59.
和温度相关性，因此在研究推进剂的损伤失效特性时， ［4］ Desmorat R. Damage and fatigue：Continuum damage me‐
必须考虑外界环境温度和应变率对其的影响。 chanics modeling for fatigue of materials and structures［J］. Re‑
vue Européenne de Génie Civil，2006，10（6-7）：849-877.
（2）基于累积损伤模型，并结合不同环境温度和 ［5］ Duncan E J S，Margetson J. A nonlinear viscoelastic theory for
不同拉伸速率的单轴等速拉伸破坏实验以及应力松弛 solid rocket propellants based on a cumulative damage ap‐
proach［J］. Propellants，Explosives， Pyrotechnics， 1998， 23
实验，建立了预测 HTPB 推进剂损伤演化情况和失效
（2）：94–104.
时间的失效准则。在 323.15 K 下，结合 2 mm·min -1 ［6］ Sullivan R W. Development of a viscoelastic continuum dam‐

含能材料 2018 年 第 26 卷 第 9 期 （732-738）
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS