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宽域应变率与温度下改性双基推进剂本构模型构建及应用探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

在当今航天领域，改性双基推进剂凭借其突出优势，成为了火箭发动机的关键动力源。它具有能量密度高、燃烧性能稳定等特点，能够为火箭提供强大的推力，确保航天器顺利进入预定轨道，在航天发射、卫星部署以及深空探测等任务中发挥着不可替代的作用。随着航天技术的迅猛发展，对火箭发动机性能的要求日益严苛。在火箭发射及飞行过程中，改性双基推进剂会承受复杂多变的力学环境，其应变率可在极宽的范围内变化，从缓慢的加载过程到瞬间的剧烈冲击，同时，温度也会因不同的飞行阶段和环境条件而大幅波动，从低温的高空环境到高温的燃烧室内环境。

在这种宽泛的应变率和温度条件下，推进剂的力学性能会发生显著改变，进而影响火箭发动机的可靠性与安全性。如果不能准确掌握推进剂在复杂工况下的力学响应，就可能导致发动机出现结构破坏、燃烧不稳定等严重问题，甚至引发航天任务的失败。因此，深入研究改性双基推进剂在宽泛应变率和温度下的本构模型具有重大的工程价值。通过建立精确的本构模型，可以精准预测推进剂在不同工况下的力学行为，为火箭发动机的设计、优化提供坚实的理论依据。在发动机结构设计中，依据本构模型可以合理选择推进剂的配方和工艺参数，确保推进剂在各种工况下都能保持良好的力学性能，提高发动机的可靠性和安全性。本构模型还能为火箭发动机的数值仿真提供关键的材料参数，通过数值模拟可以提前评估发动机在不同工况下的性能，减少试验次数，降低研发成本，加速航天技术的发展进程。

1.2国内外研究现状

国外对改性双基推进剂力学性能及本构模型的研究起步较早，取得了一系列重要成果。在力学性能研究方面，通过大量的实验研究，深入分析了不同温度和应变率下推进剂的应力-应变关系、弹性模量、屈服强度等力学参数的变化规律。有研究表明，随着应变率的增加，推进剂的弹性模量和屈服强度显著提高，呈现出明显的应变率强化效应；而温度升高时，弹性模量和屈服强度则会降低，表现出热软化现象。在本构模型建立方面，先后提出了多种经典模型，如弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型等。这些模型在一定程度上能够描述推进剂的力学行为，但由于改性双基推进剂的微观结构复杂，含有多种填料和基体，其力学行为具有强烈的非线性和粘弹性特征，传统模型难以全面准确地描述其在宽泛应变率和温度下的力学响应。近年来，国外开始将微观力学理论和多尺度建模方法引入推进剂本构模型的研究中，通过考虑推进剂内部的微观结构特征和相互作用，建立更加精确的本构模型，取得了一定的进展。

国内在该领域的研究也在不断深入，众多科研机构和高校开展了相关研究工作。在实验研究方面，建立了较为完善的实验体系，能够开展各种复杂工况下的力学性能测试实验，获取了丰富的实验数据。通过实验研究，进一步验证和补充了国外的研究成果，明确了我国常用改性双基推进剂在不同工况下的力学性能特点。在本构模型研究方面，在借鉴国外先进理论和方法的基础上，结合国内推进剂的实际情况，进行了创新和改进。有学者提出了基于细观力学的本构模型，考虑了推进剂内部颗粒的分布、形状和界面特性等因素对宏观力学性能的影响；还有学者利用神经网络等人工智能技术，建立了智能化的本构模型，提高了模型的预测精度和适应性。国内在数值模拟方面也取得了显著成果，通过将本构模型与有限元方法相结合，实现了对火箭发动机内推进剂力学行为的数值仿真，为发动机的设计和优化提供了有力的技术支持。然而，目前国内外的研究仍存在一些不足之处，对于复杂工况下推进剂的损伤演化和失效机制的研究还不够深入，本构模型的普适性和准确性有待进一步提高，需要开展更多的研究工作来完善和发展相关理论和技术。

1.3研究内容与方法

本文主要围绕改性双基推进剂在宽泛应变率和温度下的力学性能展开研究，具体内容包括以下几个方面：通过开展不同应变率和温度条件下的拉伸、压缩、剪切等力学性能实验，系统地研究改性双基推进剂的力学响应规律，获取其弹性模量、屈服强度、断裂韧性等关键力学参数随应变率和温度的变化关系，为后续的模型建立提供实验依据。基于实验结果和相关理论，建立能够准确描述改性双基推进剂在宽泛应变率和温度下力学行为的本构模型。在建模过程中，充分考虑推进剂的粘弹性、粘塑性、损伤演化等特性，引入合适的物理机制和数学表达式，提高模型的准确性和可靠性。利用实验数据对建立的本构模型进行验证和参数优化，通过对比模型预测结果与实验数据，评估模型的性能，不断调整和优化模型参数，使模型能够更好地拟合实验数据，准确预测推进剂的力学行为。将建立的本构模型应用于火箭发动机的数值模拟中，分析推进剂在实际工况下的力学行为，预测发动机的性能和可靠性，为发动机的设计和优化提供理论指导。

在研究方法上，综合运用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的手段。实验研究是基础