CN111983181A - 一种无损型nepe推进剂剩余贮存寿命预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种NEPE推进剂无损型剩余贮存寿命预估方法,通过高温加速老化实验、气体含量监测实验、单向拉伸力学性能实验,对推进剂的老化性能特征参数进行监测,基于相关性分析和剩余贮存寿命预估模型,将NEPE推进剂老化释放的CO气体作为NEPE推进剂剩余贮存寿命预估的基础,获取NEPE推进剂的剩余贮存寿命。
Description
技术领域
本发明属于火炸药技术领域,主要涉及NEPE推进剂装药剩余贮存寿命的预估方法,尤其涉及采用定应变不同温度水平的加速寿命试验方法,以特征气体释放量为失效参量评定NEPE推进剂的剩余贮存寿命。
背景技术
NEPE推进剂是当前高能、低特征信号固体推进剂研制和使用的重点,在长期贮存过程中,容易受多种因素的影响发生老化,进而影响发动机的整体性能。因此,进行准确的推进剂剩余贮存寿命预估,对于保证所在武器装备效能并进行合理的战略规划具有重要意义。
目前,国内外进行固体推进剂剩余贮存寿命预估研究的主要方法是以高温加速老化实验和Arrhenius、Berthlot等方程为基础,通过线性、指数和对数三种老化模型进行预测计算。Celina等人基于以上思路对相关推进剂剩余贮存寿命进行了预估(Celina M,Gillen K T,Assink R A.accelerated aging and lifetime prediction:review ofnon-Arrhenius behavior due to two competing processes.Polymer Degradation&Stability,2005,90(3):395-404)。王国强等通过四种温度(55、65、75、85℃)下的老化试验得到了推进剂最大延伸率变化数据,采用Berthlot方程求得推进剂剩余贮存寿命(王国强,史爱娟,丁黎,等.丁羟推进剂的热加速老化力学性能及寿命预估.火炸药学报,2015,38(1):47-50)。Gillen等通过实验分析发现直接套用Arrhenius、Berthlot等方程进行寿命预估可靠性不够,需要进一步对相关数学模型进行修正(Gillen KT,Bemstein R,Derzon DK.Evidence of non-Arrhenius behavior from laboratory aging and 24-year filedaging of polychloroprene rubber materials.Polymer Degradation&Stability,2005,87(1):57-67)。傅惠民则将整体预测方法和两步回归分析法引入到寿命预估数学模型中(傅惠民,杨立保,林逢春,等.固体推进剂剩余贮存寿命整体预测方法[J].机械强度,2007,29(5):754-759)。为使实验条件更加接近贮存实际,研究者在高温加速老化实验基础上,设计了热力耦合、湿热耦合等一系列新的老化试验,而剩余贮存寿命预估模型也随之不断改进。Bertrand提出鱼拓AIC、BIC标准对推进剂寿命预估进行分段处理,以适应湿热老化条件(Bertrand Roduit,Marco Hartmann,Partrick Folly,et al.Prediction of thermalstability of materials by modified kinetic and model selectionpoint.Thermochinica Acta,2014,579(5):31-39)。综合而言,当前提出的众多固体推进剂寿命预估模型,均是以力学、活化能、凝胶百分数等传统老化特征数据为基础。在实际中,此类数据的获取均需采用对原始发动机药柱人工取样检测的方式,从而造成发动机药柱破坏,导致发动机性能损耗甚至无法使用的后果,最终造成一定的经济损失和战斗力损耗。
为此,本发明以NEPE推进剂为研究对象,通过高温加速老化实验、气体含量监测实验、单向拉伸力学性能实验,对推进剂贮存老化过程中的性能特征参数进行监测,同时采用相关性分析方法和剩余贮存寿命预估模型,提出一种以特征气体释放量为基础数据的无损型寿命预估模型。
发明内容
本发明的目的在于通过高温加速老化实验、气体含量监测实验、单向拉伸力学性能实验,基于剩余贮存寿命预估模型,提出了一种以特征气体含量变化为基础数据的NEPE推进剂无损型寿命预估模型。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,包括以下具体步骤:
步骤a)、通过定应变高温加速老化试验获取NEPE推进剂恒温条件下HCl、NO、CO特征气体释放量和最大抗拉强度;
步骤b)、利用灰色关联分析法求出NEPE推进剂老化过程中最大抗拉强度与HCl、NO、CO特征气体释放量的关联度;
步骤c)、以CO气体释放量为基本参量,进行NEPE推进剂剩余贮存寿命预估。
进一步的,上述步骤a)的具体方法为:
试验采取的定应变为10%压缩定应变;
为保证高温加速老化试验的安全性,根据NEPE推进剂的特性,高温加速老化试验温度不得高于80℃,设置温度个数不少于4个,试验温度间隔不小于5℃;
试验采用压缩定应变夹设置10%压缩定应变,压缩定应变夹由两块固定钢板、应变调节杆组成;固定钢板基本尺寸为180×260mm2,钢板中央开设有40×40mm2的正方形气体采样孔,用于后续气体采样,螺丝安装于钢板四个方位角边,通过调整螺丝取得指定的应变值;
试验采用NEPE推进剂方坯沿推进剂浇注方向切成的标准哑铃型试件,铝箔密封试验袋进行抽真空处理;
试验件放置于加速老化恒温箱中,按照规定时间取出试验件,自然冷却至室温后,进行相关性能测试;
采用针筒注射器对推进剂老化生成的气体进行采样,并读取HCl、NO、CO特征气体体积值;
采用泵吸式气体检测仪对特征气体进行浓度测试,并结合HCl、NO、CO特征气体体积值,得出HCl、NO、CO特征气体释放量;
按照“GJB770B-2015 413.1最大抗拉强度、最大伸长率和断裂伸长率单向拉伸法”执行,测定NEPE推进剂最大抗拉强度随老化时间的变化规律。
进一步的,上述步骤b)的具体方法为:
采用灰色关联分析法计算同一温度条件下最大抗拉强度与HCl、NO、CO特征气体释放量的关联度,得出CO气体释放量与最大抗拉强度关联度值最大,CO气体释放量可作为后续寿命预估模型的基本参数。
进一步的,上述步骤c)的具体方法为:
采用基本的指数型寿命预估模型作为NEPE推进剂寿命预估的基本模型,将不同温度条件下CO气体释放量参数引入式中,通过最小二乘法回归分析求取不同温度条件下的性能变化速率值;
将不同温度条件下的性能变化速率值引入Arrehenius方程中,对其进行最小二乘法回归分析,即可得到NEPE推进剂的表观活化能;
结合指数型寿命预估模型与Arrehenius方程,将正常贮存温度条件带入即可得到NEPE的剩余贮存寿命。
与现有技术比,本发明的有益效果是:
(1)提出一种定应变下高温加速老化试验,其中定应变夹设计可有效用于特征气体采样;
(2)提出一种NEPE推进剂恒温加速老化过程中CO特征气体释放量测量方法;
(3)提出采用CO特征气体释放量作为基本失效参量更为快速、便捷的进行NEPE推进剂剩余贮存寿命无损预估的方法。
附图说明
图1是NEPE推进剂剩余贮存寿命无损型预估流程图。
图2是压缩定应变夹示意图。
图3是三种特征无机气体含量百分比与老化时间关系图。
图4是三种温度条件下最大抗拉强度与老化时间关系图。
具体实施方式
下面结合实际案例对本发明方案的实施过程进行具体说明。
1.定应变下高温加速老化试验
⑴推进剂配方与定应变夹
选用的NEPE推进剂的主要组分包括AP、HMX、Al、PEG、NG/BTTN,对应的质量百分数为18、34.5、18、6.5和19%,采用的试样为沿推进剂浇注方向切成的标准哑铃型试件。实验采用压缩型定应变夹,通过调整四周螺丝取得指定的10%应变值。
⑵热加速老化试验
①每个铝箔密封试验袋中放置8个哑铃型试件,总质量为(208±2)g,进行抽真空处理;
②实验用恒温箱为GWXT-9148A型,老化温度设定值为60、65和70℃;
③三种温度条件下的传统老化性能参数测定取样时间点如表1所示,单位为天。
表1三种老化温度性能采样点
2.NEPE推进剂老化性能测试
①单向拉伸力学性能试验
实验采用WDW-100D111型号机,参照QJ924-85执行。
②特征气体含量监测实验
选取HCl、NO、CO作为特征气体进行含量监测,监测时间与高温加速贮存老化取样时间相同,每个监测时间点均采样五组数据进行平均值处理。采用针筒注射器对推进剂老化生成的气体进行采样,并读取相应的气体体积值。选用PGM-6208泵吸式气体检测仪对特征气体进行浓度测试,最终基于式(1)计算特征气体的含量值。
特征气体含量监测结果与分析
如图3所示为三种老化温度下分别监测(0-42)、(0-72)、(0-120)天时,三种特征无机气体含量百分比随老化时间的变化情况,表为各温度下三种特征气体最大时对应的含量数据。
表2特征气体含量最大值(单位μg)
准静态力学性能监测结果分析
图4分别为通过单向拉伸力学性能实验得到的三种老化温度条件下的NEPE推进剂最大抗拉强度σm曲线。
3.特征气体释放量与最大抗拉强度灰色关联分析
灰色关联分析法是一种通过判断研究对象曲线变化相似程度来计算关联度的方法,本节采用该方法计算最大抗拉强度σm与三种特征气体平均质量释放量的关联度,计算结果见表3。
表3特征气体含量与最大抗拉强度关联度
易见,NEPE老化过程中CO气体含量与最大抗拉强度关联度最大,数值达到[0.92,0.97],NO次之,关联度为[0.80,0.89],HCl最小,关联度仅为[0.36,0.40]。因此确定CO气体平均质量释放量与最大抗拉强度存在单一相关性,可以作为后续寿命预估模型的基本参数。
4.NEPE推进剂剩余贮存寿命预估
通过最小二乘法拟合得到CO气体平均质量释放量与最大抗拉强度的关系式为:
σm=-7.64×10-5Q+0.65
将试验得到的性能参数引入指数型寿命预估模型:
P=R0exp(-K)
并通过修正型Arrhenius方程:
得到:
最终将CO气体释放量作为基本参数P进行NEPE推进剂剩余贮存寿命预估,得到:
以上具体实施方式和实施例旨在说明本发明的技术方案而不是对技术方法的限制,本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例,并且因此认为所有这样的修改、变换、应用和实施例都在本发明的精神和教导范围之内。
Claims (7)
1.一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,包括以下具体步骤:
步骤a)、通过定应变高温加速老化试验获取NEPE推进剂恒温条件下HCl、NO、CO特征气体释放量和最大抗拉强度;
步骤b)、利用灰色关联分析法求出NEPE推进剂老化过程中最大抗拉强度与HCl、NO、CO特征气体释放量的关联度;
步骤c)、采用指数型寿命预估模型,以CO气体释放量为基本参量,结合Arrehenius方程,进行NEPE推进剂剩余贮存寿命预估。
2.如权利要求1所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,所述步骤a)中定应变高温加速老化试验,具体为:
试验采取的定应变为10%压缩定应变;
为保证高温加速老化试验的安全性,根据NEPE推进剂的特性,高温加速老化试验温度不得高于80℃,设置温度个数不少于4个,试验温度间隔不小于5℃。
3.如权利要求2所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,试验所采取的定应变值为10%压缩定应变的获取方法,具体为:
试验采用压缩定应变夹设置10%压缩定应变;
试验采用NEPE推进剂方坯沿推进剂浇注方向切成的标准哑铃型试件,铝箔密封试验袋进行抽真空处理;
试验件放置于加速老化恒温箱中,按照规定时间取出试验件,自然冷却至室温后,进行相关性能测试。
4.如权利要求3所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,所述的压缩定应变夹,具体为:
由两块固定钢板、应变调节杆组成;固定钢板基本尺寸为180×260mm2,钢板中央开设有40×40mm2的正方形气体采样孔,用于后续气体采样,螺丝安装于钢板四个方位角边,通过调整螺丝取得指定的应变值。
5.如权利要求1所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,步骤a)中所述的获取NEPE推进剂恒温条件下HCl、NO、CO特征气体释放量与最大抗拉强度的方法,具体为:
采用针筒注射器对推进剂老化生成的气体进行采样,并读取HCl、NO、CO特征气体体积值;
采用泵吸式气体检测仪对特征气体进行浓度测试,并结合HCl、NO、CO特征气体体积值,得出HCl、NO、CO特征气体释放量;
按照“GJB770B-2015 413.1最大抗拉强度、最大伸长率和断裂伸长率单向拉伸法”执行,测定NEPE推进剂最大抗拉强度随老化时间的变化规律。
6.如权利要求1所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,步骤b)中所述的采用灰色关联法求取关联度的方法,具体为:
采用灰色关联分析法计算同一温度条件下最大抗拉强度与HCl、NO、CO特征气体释放量的关联度,得出CO气体释放量与最大抗拉强度关联度值最大,CO气体释放量可作为后续寿命预估模型的基本参数。
7.如权利要求1所述的一种无损型NEPE推进剂剩余贮存寿命预估方法,其特征在于,所述步骤c)具体为:
采用基本的指数型寿命预估模型作为NEPE推进剂寿命预估的基本模型,将不同温度条件下CO气体释放量参数引入式中,通过最小二乘法回归分析求取不同温度条件下的性能变化速率值;
将不同温度条件下的性能变化速率值引入Arrehenius方程中,对其进行最小二乘法回归分析,即可得到NEPE推进剂的表观活化能;
结合指数型寿命预估模型与Arrehenius方程,将正常贮存温度条件带入即可得到NEPE的剩余贮存寿命。
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CN113376216A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-09-10 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | 一种固体发动机药柱健康监测及寿命评估方法 |
CN113376216B (zh) * | 2021-05-21 | 2023-09-29 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | 一种固体发动机药柱健康监测及寿命评估方法 |
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