CN110006653A - 一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，该方法基于时温损伤等效原理，采用定应变断裂和热力耦合加速老化相结合的试验方法；获得了宽应变区域内固体推进剂松弛破坏时间模型；联合装药在长期贮存/低温应力加速状态下危险部位的持久应变，计算出装药的低温应力加速系数和等效加速试验时间，确定了其在长期贮存和低温应力加速状态的等效关系；根据已确定的试验温度和时间开展试验；依据试验后固体发动机装药的结构完整性来评估其在长期贮存状态下的结构完整性。本方法实现了固体发动机装药长期贮存状态下结构完整性的快速测定和评估，应用于固体发动机装药寿命评估、定寿和延寿，可节省大量的试验经费及时间。

Description

一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法
技术领域
本发明总体地涉及固体发动机技术领域，具体地涉及一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法。
背景技术
固体发动机装药由壳体、绝热层、衬层和固体推进剂浇注而成，是导弹武器的主要动力系统。固体推进剂是由高分子基体和固体颗粒填充物混合而成，其力学性能依赖于温度、时间及加载历史。在长期贮存过程中固体发动机装药内表面的固体推进剂处于一种持久应变状态，存在松弛断裂的可能，故持久应变状态下推进剂的破坏研究，对固体发动机装药的结构完整性评估、寿命评估、定寿和延寿具有重要意义。
为了研究固体推进剂的破坏规律，国内外学者以经典强度理论为基础提出了诸强度准则，如Tresca准则、Mises准则、修正Mises准则、Hashin准则、Tsai-Hill准则、Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则等，但对持久载荷作用下固体推进剂的松弛断裂问题研究较少，早期固体发动机装药贮存过程中持久载荷对其结构完整性和寿命影响的问题未受重视，也缺乏必要的理论、试验方法。近年来随着导弹武器发动机寿命评估、定寿延寿愈来愈受到重视且诸多贮存专项实施，已充分认识到固体发动机装药所受持久载荷对其结构完整性、寿命预估、定寿延寿的重要性，因此持久载荷作用下固体发动机装药的理论研究、试验方法得到深入研究和快速发展。由于进行自然贮存状态下固体发动机装药结构完整性的评估、定寿延寿所需试验周期很长，不满足型号贮存专项需求，也不满足部队使用和工业生产部门的需求，因此迫切需要一种快速的试验评估方法。
发明内容
本发明针对现有技术问题，提出一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，该方法可实现固体发动机装药长期贮存状态下物理损伤效应(持久载荷)的快速测定和评估，可应用于固体发动机装药结构完整性分析、寿命评估、定寿和延寿。
本发明的技术方案是，一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1、样品制备：制备试验所需的固体推进剂标准哑铃型试样和固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器；
S2、高应变区域定应变断裂试验：采用步骤S1制备的固体推进剂标准哑铃型试样在20℃±5℃进行不同高应变水平下的定应变断裂试验，观察并记录试样在不同高应变水平下的松弛断裂时间τε1；
S3、低应变区域热力耦合加速老化试验：采用步骤S1制备的固体推进剂标准哑铃型试样开展不同低应变水平的定应变高温加速老化试验，所述不同低应变水平值至少为3个；通过试验结果分别获得推进剂高温下在不同低应变水平时力学性能的衰减速率kε T＝高温；
所述固体推进剂高温下力学性能的衰减速率kε T＝高温由式(1)计算：
其中，kε T＝高温为固体推进剂高温下力学性能的衰减速率；P0为固体推进剂在20℃时的初始力学性能；P(t)为高温老化试验时间t时刻后固体推进剂的力学性能，通常高温T的温度范围为40℃～70℃；所述力学性能为最大抗拉强度或伸长率；
然后依据高温加速老化等当系数rG T＝高温计算出20℃时不同低应力水平固体推进剂力学性能的衰减速率kε T＝20；
20℃时不同低应力水平固体推进剂力学性能的衰减速率kε T＝20由式(2)计算：
其中，rG T＝高温为温度T时固体推进剂的高温加速老化等当系数，由行业标准QJ2328A-2005获得；
根据上述获得kε T＝20，通过式(3)计算20℃时固体推进剂在不同低应变水平下的松弛断裂时间τε2：
其中，τε2为20℃时固体推进剂在不同低应变水平的松弛断裂时间，Ps为固体推进剂在20℃时力学性能设计要求的下限值；
S4、建立松弛断裂时间模型：依据试验结果的表现形式，采用唯像法建立了固体推进剂宽应变区域内松弛断裂时间模型如式(4)所示，并进行模型参数的拟合：
其中，τε为松弛断裂时间，ε为应变水平，所述τε和ε分别对应于步骤S2中获得的τε1和高应变水平值，以及步骤S3获得τε2和低应变水平值，为已知量；m、n为常数，w为应变载荷对松弛断裂时间的影响因子，所述m、n、w的值通过所述步骤S2、S3的试验数据拟合获得；
S5、确定装药极限破坏温度：采用S1制备的固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器进行递进式的降温试验，当每个温度点装药达到温度平衡后观察其结构是否完整，装药结构破坏时所对应的试验温度为极限破坏温度Tmin；
S6、确定低温应力等效加速试验温度：低温应力等效加速试验温度Ta高于步骤S5所得的极限破坏温度Tmin；
S7、确定装药危险部位持久应变载荷：分别测量固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器在贮存温度下危险部位的尺寸和低温应力等效加速试验温度下危险部位的尺寸，然后利用式(5)分别计算出贮存温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变和低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变：
其中，εT：分别为贮存温度/低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变；δT：分别为贮存温度/低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器危险部位的尺寸，δ0为固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器危险部位固化时的尺寸；
S8、确定低温应力等效加速试验时间：将步骤S7确定的贮存温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变和低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变分别代入式(4)中分别计算出装药固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器在贮存温度下的预估断裂时间τT＝贮存和低温应力等效加速试验温度下的预估断裂时间τT＝低温，然后分别利用式(6)和式(7)计算出低温应力加速系数rD和低温应力等效加速试验时间t；
其中，t期望为推进剂装药在贮存温度下期望达到的贮存时间；
S9、开展低温应力等效加速试验：依据步骤S6确定的低温应力等效加速试验温度Ta、步骤S8确定的低温应力等效加速试验时间t开展固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的低温应力等效加速试验；
S10、核定低温应力等效加速试验后装药结构完整性：低温应力等效加速试验结束后，通过X射线或CT或内窥镜核定固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的结构完整性；
S11、评估长期贮存状态装药的结构完整性：依据步骤S10中核定的低温应力等效加速试验后装药结构完整性结果，评估长期贮存状态下装药的结构完整性，如果步骤S10中核定低温应力等效加速试验后装药结构完整未破坏，则表明装药在常温下期望贮存时间内结构完整，反之则表明在常温下期望贮存时间内结构不完整，出现破坏。
进一步的，上述步骤S2中的高应变区域是指固体推进剂在定应变断裂试验中180d内可观测到破坏的应变区域范围；步骤S3中的低应变区域是指在180d内不可观测到破坏的应变区域范围。
进一步的，上述步骤S5中递进式降温试验的温度范围由贮存温度降至固体推进剂的玻璃化温度，贮存温度是指20℃，玻璃化温度是指-50℃～-60℃，降温间隔不小于5℃。
进一步的，上述步骤S6中低温应力等效加速试验温度Ta比极限破坏温度Tmin高5～10℃。
本发明相比现有技术的有益效果是：
目前未发现类似的固体发动机装药等效加速试验方法，本发明基于时温损伤等效原理，结合固体推进剂宽应变区域内松弛断裂时间模型，提出了一种固体发动机装药贮存状态和低温试验状态间损伤的等效关系，本发明通过低温下的加速试验可快速评估固体发动机装药在贮存状态的结构完整性，可应用于固体发动机的寿命评估、定寿和延寿等。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例1进行低温应力等效加速试验的两发I型NEPE装药的照片；
图2为本发明实施例1的I型NEPE装药进行低温应力等效加速试验后的探伤照片，其中(a)等效贮存12a；(b)等效贮存17a；
图3为本发明实施例2中制备的II型NEPE装药的结构图，其中(a)为轴向剖面图；(b)为径向剖面图；
图4为本发明实施例3中的HTPB推进剂装药低温应力等效加速试验照片；
图5为本发明实施例3中HTPB推进剂装药低温试验后的内窥镜照片，其中(a)等效贮存12a；(b)等效贮存17a。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
某NEPE推进剂Φ200mm圆管发动机装药(以下简称“I型NEPE装药”)的低温应力等效加速试验，具体步骤如下：
(1)制备了某NEPE推进剂哑铃型试样600个和I型NEPE装药3发，其中I型NEPE装药长度为700mm，两端人脱深度为20mm，内径为20mm，外径为200mm，壳体厚度为5mm。
(2)在温度20℃±5℃及湿度≤55％RH.条件下，采用NEPE推进剂标准哑铃型试样开展了定应变断裂试验，定应变水平：80％、75％、70％、65％、60％，每个应变水平下5个子样，获得了试样的高应变区的松弛断裂时间，见表2。
(3)采用某NEPE推进剂标准哑铃型试样，老化温度60℃，3个定应变水平：35％、50％、60％，每应变水平下8个取样点，每个取样点5个子样，定期取样测试某NEPE推进剂哑铃型试样的最大抗拉强度。该NEPE推进剂在20℃时的初始最大抗拉强度为0.85MPa，其设计要求的下限值为0.60MPa，然后通过下式(8)和式(9)计算出该NEPE推进剂最大抗拉强度的衰减速率，见表1；接着通过下式(10)计算出NEPE推进剂在低应变区域内的松弛断裂时间，见表2。
表1某NEPE推进剂的最大抗拉强度的衰减速率(MPa/d)
表2某NEPE推进剂的松弛断裂时间(d)
应变水平ε 高应变区τ<sub>ε1</sub> 低应变区τ<sub>ε2</sub>
80％ 0.003 —
75％ 2 —
70％ 22 —
65％ 138 —
60％ 180d未断 686
50％ — 6796
35％ — 18935
(4)依据表2的试验结果，建立了NEPE推进剂在宽应变区域内的松弛断裂时间模型，见下式(11)：
lgτε＝4.43-20.91·e12·lgε (11)
(5)采用一发I型NEPE装药进行递进式降温试验，当每个温度下装药达到温度平衡后通过CT探伤来判断其结构完整性，进而确定装药的极限破坏温度，试验结果见表3。试验结果表明，该I型NEPE装药的极限破坏温度为-55℃。
表3 I型NEPE装药递进式降温试验结果
(6)根据I型NEPE装药递进式降温试验结果，选择低温应力等效加速试验温度为-48℃。
(7)根据I型NEPE装药的结构特点，确定其危险部位在通道中部的内表面，测量出通道中部内径(见表3)，然后利用下式(12)计算出贮存温度(20℃)/低温应力等效加速试验温度(-48℃)下装药通道中部内表面的持久应变载荷分别为16.8％和56.5％。
(8)采用下式(13)和式(14)计算出I型NEPE装药的低温应力加速系数rD和低温应力等效加速试验时间，见表4。
表4 I型NEPE装药低温应力等效加速试验参数
(9)根据表4的试验温度及试验时间，开展了两发I型NEPE装药低温应力等效加速试验，两发I型NEPE装药低温应力等效加速试验照片如图所示，其中一发试验时间为365d等效于长期贮存12a，另一发试验时间为517d等效于长期贮存17a。
(10)低温应力等效加速试验结束后通过形貌观察和CT探伤，探伤照片如图2(a)和图2(b)所示，分别等效贮存12a和等效贮存17a，发现装药通道内表面结构完整，未出现裂纹等现象。
(11)低温应力等效加速试验后I型NEPE装药结构完整，表明仅考虑机械应力情况下其分别贮存12a和17a后结构完整。
实施例2
某NEPE推进剂Φ200*1100mm星孔型发动机装药(以下简称“II型NEPE装药”)的低温应力等效加速试验，具体步骤如下：
(1)制备了II型NEPE装药3发，其装药为星形结构，内径为30mm，长度为1100mm，结构如图3所示。
(2)由于I型NEPE装药和II型NEPE装药所采用的NEPE推进剂配方相同，故本例中的NEPE推进剂松弛断裂时间模型与实施例1中的相同，见实施例1中的式(11)。
(3)采用一发II型NEPE装药进行递进式降温试验，当每个温度下装药达到温度平衡后通过CT探伤来判断其结构完整性，进而确定装药的极限破坏温度，试验结果见表5。试验结果表明，该II型NEPE装药的极限破坏温度为-55℃。
表5 II型NEPE装药递进式降温试验结果
(4)根据II型NEPE装药递进式降温试验结果，选择低温应力等效加速试验温度为-48℃。
(5)根据II型NEPE装药的结构特点，确定其危险部位在通道中部的内表面，测量出通道中部内径(见表5)，然后利用下式(15)计算出常温(20℃)/低温应力等效加速试验温度(-48℃)下装药通道中部内表面的持久应变载荷分别为8.7％和38.9％。
(6)根据实施例1可知，I型NEPE装药在常温(20℃)下的持久应变载荷为16.8％，且能满足贮存12a和17a装药结构完整的要求，而II型NEPE装药在常温(20℃)下的持久应变载荷为8.7％，那么可以推出II型NEPE装药在常温(20℃)下也满足贮存12a和17a装药结构完整的要求。
实施例3
某HTPB推进剂Φ200mm圆管发动机装药(以下简称“HTPB装药”)的低温应力等效加速试验，具体步骤如下：
(1)制备了某HTPB推进剂哑铃型试样600个和HTPB装药3发，其中HTPB装药长度为600mm，两端人脱深度为20mm，内径为20mm，外径为200mm，壳体厚度为5mm。
(2)在温度20℃±5℃及湿度≤55％RH.条件下，采用HTPB推进剂标准哑铃型试样开展了定应变断裂试验，定应变水平：15％、20％、25％和30％，每个应变水平下5个子样，获得了试样的高应变区的松弛断裂时间，见表6。
(3)采用某HTPB推进剂标准哑铃型试样，老化温度50℃，3个定应变水平：5％、10％、15％，每应变水平下8个取样点，每个取样点5个子样，定期取样测试某HTPB推进剂哑铃型试样的伸长率。该HTPB推进剂在20℃时的伸长率为68％，其设计要求的下限值为40％，然后通过下式(16)和式(17)计算出该HTPB推进剂伸长率的衰减速率，见表6；接着通过下式(18)计算出HTPB推进剂在低应变区域内的松弛断裂时间，见表7。
表6某HTPB推进剂伸长率的衰减速率(MPa/d)
表7某HTPB推进剂的松弛断裂时间(d)
应变水平ε 高应变区τ<sub>ε1</sub> 低应变区τ<sub>ε2</sub>
30％ 3 —
25％ 5 —
20％ 124 —
15％ 180d未断 1667
10％ — 11982
5％ — 96352
(4)依据表7的试验结果，建立了HTPB推进剂在宽应变区域内的松弛断裂时间模型，见下式(19)。
lgτε＝4.43-20.91·e12·lgε (19)
(5)采用一发HTPB装药进行递进式降温试验，当每个温度下装药达到温度平衡后通过CT探伤来判断其结构完整性，进而确定装药的极限破坏温度，试验结果见表8。试验结果表明，该HTPB装药的极限破坏温度为-25℃。
表8 HTPB装药递进式降温试验结果
(6)根据HTPB装药递进式降温试验结果，选择低温应力等效加速试验温度为-20℃。
(7)根据HTPB装药的结构特点，确定其危险部位在通道中部的内表面，测量出通道中部内径(见表7)，然后利用下式(20)计算出常温(20℃)/低温应力等效加速试验温度(-20℃)下装药通道中部内表面的持久应变载荷分别为5.8％和19.7％。
(8)采用下式(21)和式(22)计算出HTPB装药的低温应力加速系数rD和低温应力等效加速试验时间，见表9。
表9 HTPB装药低温应力等效加速试验参数
(9)根据表7的试验温度及试验时间，开展了两发HTPB装药低温应力等效加速试验(见图4)，其中一发试验时间为8d等效于长期贮存12a，另一发试验时间为11d等效于长期贮存17a。
(10)低温应力等效加速试验结束后通过内窥镜的形貌观察，形貌照片如图5所示，发现装药通道内表面结构完整，未出现裂纹等现象。
(11)低温应力等效加速试验后HTPB装药结构完整，表明仅考虑机械应力情况下HTPB装药满足贮存12a和17a结构完整的期望。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1、样品制备：制备试验所需的固体推进剂标准哑铃型试样和固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器；
S2、高应变区域定应变断裂试验：采用步骤S1制备的固体推进剂标准哑铃型试样在20℃±5℃进行不同高应变水平下的定应变断裂试验，观察并记录试样在不同高应变水平下的松弛断裂时间τε1；
S3、低应变区域热力耦合加速老化试验：采用步骤S1制备的固体推进剂标准哑铃型试样开展不同低应变水平的定应变高温加速老化试验，所述不同低应变水平值至少为3个；通过试验结果分别获得推进剂高温下在不同低应变水平时力学性能的衰减速率kε T＝高温；
所述固体推进剂高温下力学性能的衰减速率kε T＝高温由式(1)计算：
其中，kε T＝高温为固体推进剂高温下力学性能的衰减速率；P0为固体推进剂在20℃时的初始力学性能；P(t)为高温老化试验时间t时刻后固体推进剂的力学性能，通常高温T的温度范围为40℃～70℃；所述力学性能为最大抗拉强度或伸长率；
然后依据高温加速老化等当系数rG T＝高温计算出20℃时不同低应力水平固体推进剂力学性能的衰减速率kε T＝20；
20℃时不同低应力水平固体推进剂力学性能的衰减速率kε T＝20由式(2)计算：
其中，rG T＝高温为温度T时固体推进剂的高温加速老化等当系数，由行业标准QJ2328A-2005获得；
根据上述获得kε T＝20，通过式(3)计算20℃时固体推进剂在不同低应变水平下的松弛断裂时间τε2：
其中，τε2为20℃时固体推进剂在不同低应变水平的松弛断裂时间，Ps为固体推进剂在20℃时力学性能设计要求的下限值；
S4、建立松弛断裂时间模型：依据步骤S2和步骤S3试验结果，采用唯像法建立了固体推进剂宽应变区域内松弛断裂时间模型如式(4)所示，并进行模型参数的拟合：
其中，τε为松弛断裂时间，ε为应变水平，所述τε和ε分别对应于步骤S2中获得的τε1和高应变水平值，以及步骤S3获得τε2和低应变水平值，为已知量；m、n为常数，w为应变载荷对松弛断裂时间的影响因子，所述m、n、w的值通过所述步骤S2、S3的试验数据拟合获得；
S5、确定装药极限破坏温度：采用S1制备的固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器进行递进式的降温试验，当每个温度点装药达到温度平衡后观察其结构是否完整，装药结构破坏时所对应的试验温度为极限破坏温度Tmin；
S6、确定低温应力等效加速试验温度：低温应力等效加速试验温度Ta高于步骤S5所得的极限破坏温度Tmin；
S7、确定装药危险部位持久应变载荷：分别测量固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器在贮存温度下危险部位的尺寸和低温应力等效加速试验温度下危险部位的尺寸，然后利用式(5)分别计算出贮存温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变和低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变：
其中，εT为不同温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变；δT为不同温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器危险部位的尺寸，δ0为固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器危险部位固化时的尺寸；
S8、确定低温应力等效加速试验时间：将步骤S7确定的贮存温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变和低温应力等效加速试验温度下固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的危险部位的持久应变分别代入式(4)中计算出装药固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器在贮存温度下的预估断裂时间τT＝贮存和低温应力等效加速试验温度下的预估断裂时间τT＝低温，然后依次利用式(6)低温应力加速系数rD，再利用式(7)计算出低温应力等效加速试验时间t；
其中，t期望为推进剂装药在贮存温度下期望达到的贮存时间；
S9、开展低温应力等效加速试验：依据步骤S6确定的低温应力等效加速试验温度Ta、步骤S8确定的低温应力等效加速试验时间t开展固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的低温应力等效加速试验；
S10、核定低温应力等效加速试验后装药结构完整性：低温应力等效加速试验结束后，通过X射线或CT或内窥镜核定固体发动机装药和/或模拟型号装药的结构试验器的结构完整性；
S11、评估长期贮存状态装药的结构完整性：依据步骤S10中核定的低温应力等效加速试验后装药结构完整性结果，评估长期贮存状态下装药的结构完整性，如果步骤S10中核定低温应力等效加速试验后装药结构完整未破坏，则表明装药在常温下期望贮存时间内结构完整，反之则表明在常温下期望贮存时间内结构不完整，出现破坏。
2.如权利要求1所述的固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，其特征在于，所述步骤S2中的高应变区域是指固体推进剂在定应变断裂试验中180d内可观测到破坏的应变区域范围；步骤S3中的低应变区域是指在180d内不可观测到破坏的应变区域范围。
3.如权利要求1所述的固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，其特征在于，所述步骤S5中递进式降温试验的温度范围由贮存温度降至固体推进剂的玻璃化温度，贮存温度是指20℃，玻璃化温度是指-50℃～-60℃，降温间隔不小于5℃。
4.如权利要求1所述的固体发动机装药低温应力等效加速试验方法，其特征在于，所述步骤S6中低温应力等效加速试验温度Ta比极限破坏温度Tmin高5～10℃。
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