基于二維VCFEM的固體推進劑等效模量細觀力學計算方法研究.pdf

1、固體推進劑是典型的顆粒增強復合材料，其主要成分包括氧化劑顆粒、燃燒劑顆粒和粘合劑基體。固體推進劑的力學性能主要由其組分材料及其細觀結構決定，準確預估固體推進劑的力學性能對固體發(fā)動機藥柱結構完整性分析和貯存壽命預估具有重要意義。目前，細觀有限元方法成為預估復合材料有效性能的一種重要手段，本文將Voronoi細胞有限單元法（VCFEM）用于推進劑等效模量等力學性能參數(shù)的預估，研究了組分材料參數(shù)、填充比、載荷大小對推進劑代表性體積單元（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，建立了固體推進劑R VE模型的有限元列式?；陔s交應力元的基本原理，通過對余能泛函進行修正，得到了含夾雜Voro no i單元的余能泛函，進而推導了含夾雜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劑等效模量預估的 VCF EM程序設計規(guī)范并驗證了程序的正確性。從

3、功能、開發(fā)環(huán)境、模塊組成等方面對 VCFEM程序進行了概要設計，根據(jù)Fortra n語言特點，制定了程序編寫規(guī)范，在此基礎上，編寫了固體推進劑RVE模型的二維彈性VCFEM有限元計算程序，利用文獻結果和商業(yè)有限元數(shù)值仿真方法對本文程序進行了正確性檢驗。
　　基于二維 VCF EM程序和細觀力學均勻化理論，建立了推進劑等效彈性模量和等效泊松比的計算模型。利用細觀力學均勻化思想，推導了應力均勻化以及應變均勻化計算公式，在此基礎上，進一

4、步得到了固體推進劑等效彈性模量和等效泊松比的計算公式。構建了固體推進劑的二維彈性 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，推進劑的等效力學性能趨近夾雜的力學性能，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關系和負相關關系；等效模量隨基體泊松比增