一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法技术

本发明专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，属于固体推进剂领域。本发明专利技术实现方法为：获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据；建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型；将参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值；建立相对应力与温度的指数函数关系表达式f(T)；利用参考温度下的分段Prony本构模型与f(T)的乘积作为宽应变率宽温域的压缩力学本构模型；利用所建立的宽应变率宽温域的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为预测，为高过载工况下复合推进剂装药结构设计提供理论依据，提高药柱结构完整性的计算精度，提高高过载下发动机的安全性。

A Compression Mechanics Constitutive Method for Composite Propellants with Wide Strain Rate and Wide Temperature Range

The invention discloses a compression mechanical constitutive method of composite propellant with wide strain rate and wide temperature range, which belongs to the field of solid propellant. The method of realizing the invention is as follows: obtaining compression mechanics data of composite propellant in wide strain rate and wide temperature range; establishing a piecewise Prony constitutive model of wide strain rate at reference temperature; calculating the corresponding stress values under other temperature corresponding strain rate and strain conditions by taking stress under one strain at reference temperature as reference stress; and establishing an exponential function table of relative stress and temperature. Formula f(T); The product of the piecewise Prony constitutive model at reference temperature and f(T) is used as the constitutive model of compression mechanics in wide strain rate and wide temperature range; The compression mechanical behavior of composite propellant in wide strain rate and wide temperature range is predicted by using the constitutive model of compression mechanics in wide strain rate and wide temperature range, which provides theoretical basis for the design of composite propellant charge structure under high overload condition. According to this, the calculation accuracy of the structural integrity of the grain is improved, and the safety of the engine under high overload is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法
本专利技术涉及一种复合推进剂在宽应变率和宽温域下压缩力学本构的建立方法，属于固体推进剂领域。
技术介绍
复合推进剂主要由高分子粘合剂、氧化剂、金属燃料组成，广泛应用于固体火箭发动机中。为了进行发动机药柱结构完整性分析，需要建立相应的本构模型。目前工程上大多采用静态松弛实验数据建立复合推进剂的粘弹性本构模型。这种方法适用于小变形，准静态下压缩应力-应变行为的描述，而不能很好地描述较高应变率下的应力-应变行为。目前较新的本构方法，例如ZWT本构方法，能够有效建立宽应变率范围的本构模型，但局限于单一温度，不能描述应力应变行为的温度相关性。随着固体火箭发动机应用领域的拓宽，例如，具有高发射过载特点的炮射导弹采用固体火箭发动机作为动力装置，复合推进剂药柱的工作应变率和温度范围也不断地拓宽。目前已有的本构模型建立方法不能很好地建立复合推进剂在宽应变率宽温域下的本构模型，无法为高过载等工作条件下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供准确有效的本构模型支撑，其适用范围愈发局限。
技术实现思路
为了解决现有的复合推进剂本构方法无法满足在宽应变率、宽温域条件下预测复合推进剂力学性能的使用需求，本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法要解决的技术问题是：用以建立复合推进剂在宽泛的应变率范围和温度范围内的压缩力学本构模型，并能够确定压缩力学本构模型参数，通过所述确定参数的压缩力学本构模型实现对复合推进剂宽应变率、宽温域条件下压缩力学行为的预测，解决相关技术问题。对高过载工况下复合推进剂药柱结构完整性的预测、提高发动机推进剂药柱的安全性具有重要意义。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验，获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据。建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型，并通过实验数据的拟合确定所述分段Prony本构模型中参数E∞、Ei、θi。将参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值。分析不同应变率下相对应力随温度的变化，建立相对应力与温度的指数函数关系表达式f(T)，并通过计算数据的拟合得到的相对应力值确定f(T)中的参数。利用建立的参考温度下的分段Prony本构模型与建立的f(T)的乘积作为宽应变率宽温域的压缩力学本构模型。利用所述宽应变率宽温域的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为的预测，解决相关技术问题。本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，包括如下步骤：步骤一、通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验，获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据。建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型，并通过实验数据的拟合确定所述分段Prony本构模型中参数E∞、Ei、θi。基于Boltzmann叠加原理的单积分型线性粘弹性本构模型为其中：σ表示应力，ε表示应变，E(t)为松弛模量。松弛模量表达式为Prony级数的形式其中：E∞表示平衡模量，Ei为各阶模量，θi为各阶松弛时间。利用宽应变率单轴压缩实验数据代替静态松弛实验数据进行Prony本构模型的参数辨识，对于单轴压缩实验，其中：为实验应变率。参考温度下的Prony本构模型表达为：由于适用于低、中应变率的Prony本构模型在高应变率下的适用性较差，因此需要使用分段式Prony本构模型。所述的低应变率范围指应变率量级小于100s-1的应变率范围；所述的中应变率范围指应变率量级处于100s-1～102s-1的应变率范围；所述的高应变率范围指应变率量级大于102s-1的应变率范围。通过对宽应变率单轴压缩实验数据的拟合，确立参考温度下宽泛应变率的Prony本构模型中各参数E∞、Ei、θi的值。步骤一所述的获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据，通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验。步骤二、将步骤一参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值。将参考温度下某一应变率和某一应变下的应力作为参考应力计算其它温度下同一应变率和应变下的应力与的比值，该比值即其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力。步骤三、根据步骤二分析不同应变率下相对应力随温度的变化，建立相对应力与温度的指数函数关系表达式并通过拟合步骤二计算得到的相对应力值，确定f(T)中的参数。作为优选，f(T)中的指数项采用如下形式：其中：T表示任意温度，T0表示参考温度，单位均为℃，C1、C2为待定参数。步骤三所述的相对应力与温度的指数函数关系表达式为：步骤四、利用步骤一建立的参考温度下的分段Prony本构模型与步骤三建立的f(T)的乘积作为宽应变率宽温域的压缩力学本构模型。由于不同应变值对相对应力影响小至忽略，所以任一温度下的应力-应变曲线通过同一应变率下参考曲线与相对应力乘积表示，进而建立宽应变率宽温域条件下的压缩力学本构模型。步骤五、利用步骤四建立的宽应变率宽温域条件下的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为的预测，解决相关技术问题。所述的解决相关技术问题包括为高过载工况下复合推进剂装药结构设计提供理论依据、提高药柱结构完整性的计算精度，从而提高高过载下发动机的安全性。有益效果1、传统本构模型只适用于低应变率范围或高应变率范围，且无法描述温度相关行为，具有局限性。本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验，获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据。建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型，并通过实验数据的拟合确定所述分段Prony本构模型中参数E∞、Ei、θi。将参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值。分析不同应变率下相对应力随温度的变化，建立相对应力与温度的指数函数关系表达式并通过拟合计算得到的相对应力值确定f(T)中的参数。利用建立的参考温度下的分段Prony本构模型与建立的f(T)的乘积作为宽应变率宽温域的压缩力学本构模型。利用所述宽应变率宽温域的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为的预测，解决相关技术问题。2、本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，建立的分段Prony本构以及相对应力与温度的函数关系表达式f(T)具有形式简单，参数少，易于实现，稳定性好的优点，能够保证与实验数据较高的一致性。3、本专利技术公开的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，利用宽应变率宽温域条件下的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为的预测，提高高过载工况下复合推进剂药柱结构完整性的计算精度，从而提高高过载下发动机的安全性。附图说明图1为本专利技术的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法流程图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验，获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据；建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型，并通过实验数据的拟合确定所述分段Prony本构模型中参数E∞、Ei、θi；步骤二、将步骤一参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值；步骤三、根据步骤二分析不同应变率下相对应力随温度的变化，建立相对应力与温度的指数函数关系表达式

【技术特征摘要】
1.一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、通过查询固体推进剂宽应变率力学数据库，或对复合推进剂进行不同温度下宽应变率的单轴压缩实验，获取复合推进剂宽应变率宽温域的压缩力学数据；建立参考温度下宽泛应变率的分段Prony本构模型，并通过实验数据的拟合确定所述分段Prony本构模型中参数E∞、Ei、θi；步骤二、将步骤一参考温度下某一应变下的应力作为参考应力，计算其它温度对应的应变率和应变条件下的相对应力值；步骤三、根据步骤二分析不同应变率下相对应力随温度的变化，建立相对应力与温度的指数函数关系表达式并通过拟合步骤二计算得到的相对应力值，确定f(T)中的参数；步骤四、利用步骤一建立的参考温度下的分段Prony本构模型与步骤三建立的f(T)的乘积作为宽应变率宽温域的压缩力学本构模型。2.如权利要求1所述的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，其特征在于：还包括步骤五、利用步骤四建立的宽应变率宽温域条件下的压缩力学本构模型，实现对复合推进剂宽应变率、宽温域下压缩力学行为的预测，解决相关技术问题。3.如权利要求1或2所述的一种宽应变率宽温域的复合推进剂压缩力学本构方法，其特征在于：步骤一实现方法为，基于Boltzmann叠加原理的单积分型线性粘弹性本构模型为其中：σ表示应力，ε表示应变，E(t)为松弛模量；松弛模量表达式为Prony级数的形式其中：E∞表示平衡模量，Ei为各阶模量，θi为各阶松弛时间；利用宽应变率单轴压缩实验数据代替静态松弛实验数据进行Prony本构模型的参数辨识，对于单轴压缩实验，其中：为实验应变率；参考温度下的Prony本构模型表达为：由于适用于低、中应变率的Prony本构模型在高应变率下的适用性较差，因此需要使用分段式Prony本构模型；所述的低应变率范围指应变率量级小...

【专利技术属性】
技术研发人员：李月洁，谢侃，白龙，周海霞，高俊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11