含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法技术

本发明专利技术公开了一种含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法，其中含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建方法包括：获取推进剂蠕变参数；预设推进剂有效承载面积相对变化量；根据获取的蠕变参数构建推进剂蠕变型本构模型；根据有效承载面积相对变化量确定损伤变量；根据确定的损伤变量确定损伤发展方程；根据确定的损伤发展方程和构建的推进剂蠕变型本构模型，构建考虑损伤的推进剂蠕变本构模型；其中含损伤的推进剂蠕变型本构模型的限元应用方法是通过分解、离散上述构建方法构建的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型，推导出有限元材料子程序二次开发需要的一致切线刚度阵。本发明专利技术能够计算推进剂药柱结构在贮存阶段蠕变损伤力学行为。变损伤力学行为。

【技术实现步骤摘要】
含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法


[0001]本专利技术涉及一种含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法，属于含能材料本构模型


技术介绍

[0002]固体火箭发动机是远程火箭弹的动力装置，固体推进剂是固体发动机的重要组成部分。远程火箭弹在长时间贮存过程中，会使得药柱结构发生蠕变和损伤效应。对于药柱结构的蠕变损伤力学行为必须采用含损伤的推进剂蠕变型粘弹性本构模型，目前商业有限元软件只包含简单的线粘弹性本构模型，不能精确地描述推进剂蠕变损伤效应。
[0003]试验结果表明，药柱结构在贮存期间会产生较大的蠕变变形，同时会产生一定的损伤效应。固体推进剂的损伤力学行为与当前的应力应变状态有着直接的联系。目前存在的推进剂损伤本构模型大都是在推进剂松弛型本构模型基础上建立的，难以直接反映推进剂在贮存阶段的蠕变力学行为。为了实现药柱结构在贮存阶段的蠕变损伤行为的精细化建模，亟需构建推进剂含损伤蠕变型本构模型。
[0004]现有的商业有限元软件中，粘弹性本构模型都是不考虑材料的损伤力学行为的，难以对实际的情况进行准确地分析。考虑到现有商业有限元软件可以提供二次开发接口，可以利用该接口实现蠕变损伤本构模型的有限元应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法，能够计算推进剂药柱结构在贮存阶段蠕变损伤力学行为。
[0006]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0007]一方面，本专利技术提供一种考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，包括以下步骤：
[0008]获取推进剂蠕变参数；
[0009]预设推进剂有效承载面积相对变化量；
[0010]根据获取的蠕变参数构建推进剂蠕变型本构模型；
[0011]根据有效承载面积相对变化量确定损伤变量；
[0012]根据确定的损伤变量确定损伤发展方程；
[0013]根据确定的损伤发展方程和构建的推进剂蠕变型本构模型，构建考虑损伤的推进剂蠕变本构模型。
[0014]进一步地，所述推进剂蠕变型本构模型包括(1)
‑
(3)式，具体如下：
[0015][0016][0017][0018]其中，ε
ij
为机械应变，J
ijkl
()为蠕变张量函数，ξ为时间t的折算时间，ξ`为第一被积函数τ的折算时间，σ
kl
为推进剂损伤前的机械应力，τ为第一被积函数，t为加载时间，T()为温度，t`为第二被积函数，a
T
为温度移位因子，C1为推进剂WLF方程第一参数，C2为推进剂WLF方程第二参数，T为当前温度，T
r
为参考温度。
[0019]进一步地，所述根据获取的蠕变参数确定损伤变量包括通过(4)式，具体如下：
[0020][0021]其中，D为损伤变量，A为推进剂材料初始承载面积，为推进剂材料发生损伤后的有效承载面积。
[0022]进一步地，所述损伤变量满足(5)式，具体如下：
[0023][0024]其中，σ为推进剂损伤前的机械应力，为推进剂损伤后的机械应力。
[0025]进一步地，所述损伤发展方程包括(6)
‑
(9)式，具体如下：
[0026][0027][0028][0029][0030]其中，D0为推进剂初始损伤，D
△
V
为扩展形成的新损伤，σ
th
为损伤应力阈值，γ推进剂损伤第一参数，K推进剂损伤第二参数，β为推进剂损伤第三参数，h()为应力状态函数，x为应力状态函数的输入参数。
[0031]进一步地，所述构建考虑损伤的推进剂蠕变本构模型包括通过(10)式更新机械应变，具体如下：
[0032][0033]其中，为有效应力张量函数。
[0034]另一方面，本专利技术提供一种考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的有限元应用方法，包括以下步骤：
[0035]分解上述构建方法构建的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型，获得偏应变张量和球应变张量；
[0036]分别离散偏应变张量和球应变张量，并根据离散后的偏应变张量和球应变张量推导考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的增量形式；
[0037]根据考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的增量形式推导有限元材料子程序二次开发需要的一致切线刚度阵；
[0038]对增量形式和一致切线刚度阵进行编程，得到应用程序，并使用有限元软件调用所述应用程序。
[0039]进一步地，所述分解考虑损伤的推进剂蠕变本构模型，获得偏应变张量和球应变张量包括(11)式，具体如下：
[0040][0041]其中，为有效应力偏张量函数，为有效应力球张量函数，e
ij
()为偏应变函数，为球应变张量函数，J()为推进剂蠕变柔量函数，ν是推进剂泊松比；
[0042]所述推进剂蠕变柔量函数包括(12)式，具体如下：
[0043][0044]其中，J0为初始蠕变柔量，N
J
为蠕变柔量级数的项数，t为加载时间，J
n
为第n项蠕变柔量，为第n项蠕变柔量系数；
[0045]所述有效应力偏张量函数包括(13)式，具体如下：
[0046][0047]其中，S
ij
()为偏应力张量函数；
[0048]所述有效应力球张量函数包括(14)式，具体如下：
[0049][0050]其中，σ
kk
()为球应力张量函数。
[0051]进一步地，所述考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的增量形式包括(15)式，具体如下：
[0052][0053]其中，
△
ε
ij
(t
m+1
)为t
m+1
时刻应变张量的增量，
△
e
ij
(t
m+1
)为t
m+1
时刻应变偏量的增量，为t
m+1
时刻球应变张量的增量，δ
ij
为第四克罗内克符号。
[0054]进一步地，所述一致切线刚度阵包括(16)
‑
(17)式，具体如下：
[0055][0056][0057]其中，C
ijkl
()为切线刚度张量函数，
△
σ
ij
(t
m+1
)为t
m+1
时刻应力增量，
△
ε
kl
(t
m+1
)为t
m+1
时刻应变张量的增量，C
2222
(t
m+1
)为t
m+1
时刻切线刚度张量的第一分量，C
2233
(t
m+1
)为t<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，包括以下步骤：获取推进剂蠕变参数；预设推进剂有效承载面积相对变化量；根据获取的蠕变参数构建推进剂蠕变型本构模型；根据有效承载面积相对变化量确定损伤变量；根据确定的损伤变量确定损伤发展方程；根据确定的损伤发展方程和构建的推进剂蠕变型本构模型，构建考虑损伤的推进剂蠕变本构模型。2.根据权利要求1所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，所述推进剂蠕变型本构模型包括(1)
‑
(3)式，具体如下：(3)式，具体如下：(3)式，具体如下：其中，ε
ij
为机械应变，J
ijkl
()为蠕变张量函数，ξ为时间t的折算时间，ξ`为第一被积函数τ的折算时间，σ
kl
为推进剂损伤前的机械应力，τ为第一被积函数，t为加载时间，T()为温度，t`为第二被积函数，a
T
为温度移位因子，C1为推进剂WLF方程第一参数，C2为推进剂WLF方程第二参数，T为当前温度，T
r
为参考温度。3.根据权利要求2所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，所述损伤变量包括(4)式，具体如下：其中，D为损伤变量，A为推进剂材料初始承载面积，为推进剂材料发生损伤后的有效承载面积。4.根据权利要求3所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，所述损伤变量满足(5)式，具体如下：其中，σ为推进剂损伤前的机械应力，为推进剂损伤后的机械应力。5.根据权利要求4所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，所述损伤发展方程包括(6)
‑
(9)式，具体如下：(9)式，具体如下：
其中，D0为推进剂初始损伤，D
△
V
为扩展形成的新损伤，σ
th
为损伤应力阈值，γ推进剂损伤第一参数，K推进剂损伤第二参数，β为推进剂损伤第三参数，h()为应力状态函数，x为应力状态函数的输入参数。6.根据权利要求5所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的构建方法，其特征是，所述构建考虑损伤的推进剂蠕变本构模型包括通过(10)式更新机械应变，具体如下：其中，为有效应力张量函数。7.一种考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的有限元应用方法，其特征是，包括以下步骤：分解权利要求1
‑
6任一项构建的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型，获得偏应变张量和球应变张量；分别离散偏应变张量和球应变张量，并根据离散后的偏应变张量和球应变张量推导考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的增量形式；根据考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的增量形式推导有限元材料子程序二次开发需要的一致切线刚度阵；对增量形式和一致切线刚度阵进行编程，得到应用程序，并使用有限元软件调用所述应用程序。8.根据权利要求7所述的考虑损伤的推进剂蠕变本构模型的有限元应用方法，其特征是，所述分解考虑损伤的推进剂蠕变本构模型，获得偏应变张量和球应变张量包括(11)式，具体如下：其中，为有效应力偏张量函数，为有效应力球张量函数，e
ij
()为偏应变函数，为球应变张量函数，J()为推进剂蠕变柔量函数，ν是推进剂泊松比；所述推进剂蠕变柔量函数包括(12)式，具体如下：其中，J0为初始蠕变柔量，N
J
为蠕变柔量级数的项...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔辉如，程子健，张冬冬，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：