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宽泛应变率下NEPE推进剂热粘超弹性本构模型研究

作　者: 张君发
导　师: 陈雄
学　校: 南京理工大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: NEPE推进剂应变率霍普金森压杆热粘超弹本构模型
分类号: V512
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

NEPE推进剂是一种高固体颗粒填充比的高能复合固体推进剂,作为动力装置的能源广泛应用于常规弹箭武器。在弹箭武器的储存和使用过程中,固体推进剂要承受不同应变率和不同温度下的载荷。作为复合材料之一的NEPE推进剂,其力学性能具有明显的应变率相关性和温度相关性。本文对NEPE推进剂在不同应变率和不同温度下的单轴压缩力学性能进行了系统研究,主要研究内容包括：(1)利用万能材料试验机对NEPE推进剂进行了不同温度和应变率下的单轴压缩试验研究,获得了NEPE推进剂233K～313K温度范围内低应变率下的单轴压缩力学曲线。分析了低应变率下NEPE推进剂的率相关性和温度相关性,并确定了准静态力学特性。(2)针对NEPE推进剂材料的力学特点对SHPB装置和试件进行相应的改进并验证高应变率试验数据的有效性；首次分析了SHPB试验应变率上升阶段对不同试验材料高应变率结果分析的影响,进一步验证了本文NEPE推进剂高应变率试验数据的有效性。(3)利用改进后的SHPB装置和试件对NEPE推进剂进行高应变率单轴压缩试验研究。在满足高应变率试验数据有效性的基础上,获得NEPE推进剂233K～313K温度范围内高应变率下的应力—应变曲线。根据试验结果分析了高应变率下NEPE推进剂的力学特性。(4)基于应变能理论,建立了三单元粘超弹本构模型。利用该粘超弹模型预测了某一温度下NEPE推进剂的力学性能。结果表明：该粘超弹本构模型能够准确描述NEPE推进剂在宽泛应变率下工程应变为0.5范围内的力学性能。(5)基于NEPE推进剂中的温升软化效应,在改进后的粘超弹本构模型中引入应变率相关的温度项函数构成热粘超弹本构模型。以此来描述应变率和温度对NEPE推进剂力学性能的影响。结果表明：该模型能够准确地反映材料的应变率相关性和温度相关性,并且能够准确预测材料在不同载荷条件下的力学特性。本文系统地分析了SHPB试验的相关问题,获得了NEPE推进剂在233K～313K温度范围、1.667×10-5s-1～4500s-1应变率范围内的单轴压缩力学曲线,建立了材料的热粘超弹本构模型,用来描述应变率和温度对NEPE推进剂力学性能的影响。从而为以后的计算机数值仿真以及固体火箭发动机装药设计提供理论基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-26
  1.1 研究背景、目的和意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-24
    1.2.1 NEPE推进剂力学性能的研究现状  15
    1.2.2 动态试验研究方法及其发展  15-19
    1.2.3 粘弹性理论及研究进展  19-21
    1.2.4 超弹和粘超弹性理论及研究进展  21-23
    1.2.5 温度效应对材料力学性能的影响  23-24
  1.3 本文主要研究内容  24-26
2 SHPB实验技术研究  26-33
  2.1 SHPB试验原理  26-28
  2.2 SHPB试验常见问题  28-31
    2.2.1 阻抗匹配问题  28
    2.2.2 一维应力波假设  28-29
    2.2.3 应力均匀假设  29-30
    2.2.4 恒应变率加载问题  30-31
  2.3 软材料和温度控制对SHPB装置的改进要求  31-32
    2.3.1 软材料SHPB试验对装置的改进要求  31
    2.3.2 高低温度SHPB试验对装置的改进要求  31-32
  2.4 本章小结  32-33
3 NEPE推进剂单轴压缩力学实验研究  33-56
  3.1 NEPE推进剂低应变率单轴压缩试验研究  33-37
    3.1.1 低应变率下试件形状及尺寸  34
    3.1.2 低应变率试验结果及分析  34-37
  3.2 NEPE推进剂高应变率试验有效性研究  37-43
    3.2.1 SHPB试验试件的形状及尺寸  37-39
    3.2.2 SHPB试验数据有效性验证  39-43
  3.3 应变率有限上升时间研究  43-52
    3.3.1 试验说明  44
    3.3.2 模型的建立与分析  44-47
    3.3.3 试验结果  47-49
    3.3.4 模型参数获取  49-50
    3.3.5 结果分析  50-51
    3.3.6 结论  51-52
  3.4 NEPE推进剂高应变率单轴压缩试验结果及分析  52-54
  3.5 本章小结  54-56
4 NEPE推进剂粘超弹性本构模型研究  56-63
  4.1 粘超弹性本构模型的建立  56-59
    4.1.1 一维超弹性本构关系的建立  56-58
    4.1.2 超弹—粘弹性对应原理  58-59
    4.1.3 粘超弹性本构模型建立  59
  4.2 粘超弹性本构模型参数获取和验证  59-62
    4.2.1 模型参数获取方法  60-61
    4.2.2 本构模型的验证  61-62
  4.3 本章小结  62-63
5 NEPE推进剂热粘超弹性本构模型研究  63-72
  5.1 温度效应  63-65
    5.1.1 温度效应的相关研究  63-64
    5.1.2 温度效应的应变率相关性  64-65
  5.2 热粘超弹性本构模型的建立  65
  5.3 热粘超弹性本构模型参数获取和验证  65-71
  5.4 本章小结  71-72
6 全文总结  72-75
  6.1 工作总结  72-73
  6.2 创新点  73-74
  6.3 未来展望  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-83
攻读硕士学位期间的研究成果  83-84

宽泛应变率下NEPE推进剂热粘超弹性本构模型研究

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