基于二維VCFEM的固體推進(jìn)劑等效模量細(xì)觀力學(xué)計(jì)算方法研究.pdf

1、固體推進(jìn)劑是典型的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其主要成分包括氧化劑顆粒、燃燒劑顆粒和粘合劑基體。固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能主要由其組分材料及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定，準(zhǔn)確預(yù)估固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能對固體發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析和貯存壽命預(yù)估具有重要意義。目前，細(xì)觀有限元方法成為預(yù)估復(fù)合材料有效性能的一種重要手段，本文將Voronoi細(xì)胞有限單元法（VCFEM）用于推進(jìn)劑等效模量等力學(xué)性能參數(shù)的預(yù)估，研究了組分材料參數(shù)、填充比、載荷大小對推進(jìn)劑代表性體積單元（RVE

2、）等效彈性模量和等效泊松比的影響規(guī)律。主要研究內(nèi)容如下：
　　基于彈性VCF EM，建立了固體推進(jìn)劑R VE模型的有限元列式?；陔s交應(yīng)力元的基本原理，通過對余能泛函進(jìn)行修正，得到了含夾雜Voro no i單元的余能泛函，進(jìn)而推導(dǎo)了含夾雜Voro no i單元的單元格式，并做了剛體位移抑制以及自由度凝聚處理，最后得到了有限元控制方程。
　　制定了適用于固體推進(jìn)劑等效模量預(yù)估的 VCF EM程序設(shè)計(jì)規(guī)范并驗(yàn)證了程序的正確性。從

3、功能、開發(fā)環(huán)境、模塊組成等方面對 VCFEM程序進(jìn)行了概要設(shè)計(jì)，根據(jù)Fortra n語言特點(diǎn)，制定了程序編寫規(guī)范，在此基礎(chǔ)上，編寫了固體推進(jìn)劑RVE模型的二維彈性VCFEM有限元計(jì)算程序，利用文獻(xiàn)結(jié)果和商業(yè)有限元數(shù)值仿真方法對本文程序進(jìn)行了正確性檢驗(yàn)。
　　基于二維 VCF EM程序和細(xì)觀力學(xué)均勻化理論，建立了推進(jìn)劑等效彈性模量和等效泊松比的計(jì)算模型。利用細(xì)觀力學(xué)均勻化思想，推導(dǎo)了應(yīng)力均勻化以及應(yīng)變均勻化計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一

4、步得到了固體推進(jìn)劑等效彈性模量和等效泊松比的計(jì)算公式。構(gòu)建了固體推進(jìn)劑的二維彈性 RVE模型，研究了載荷大小、基體材料參數(shù)、顆粒分布以及填充比等因素對推進(jìn)劑等效彈性模量和等效泊松比的影響。研究表明，隨著夾雜體分比增大，推進(jìn)劑的等效力學(xué)性能趨近夾雜的力學(xué)性能，等效彈性模量加速增大，等效泊松比有所減小，而AP與Al體積比例變化對等效力學(xué)性能并沒有發(fā)生明顯影響；等效模量和等效泊松比與基體模量分別呈正相關(guān)關(guān)系和負(fù)相關(guān)關(guān)系；等效模量隨基體泊松比增