Prova di trazione biassiale e simulazione numerica del danno meso del propellente HTPB

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17635 (2022) Citare questo articolo

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Mirando alle carenze dell'attuale ricerca sulle proprietà meccaniche dei propellenti solidi in condizioni di stress complesse, in questo documento vengono progettati un'efficace configurazione del provino a forma di croce e un metodo di prova di trazione biassiale su scala variabile, e il modello di meso-simulazione del propellente è costruito mediante test Micro-CT e algoritmo di riempimento casuale. Quindi, sulla base del metodo Hook-Jeeves e del modello della forza di coesione, sono stati ottenuti i parametri di prestazione meccanica di ciascun componente mesoscopico e infine è stato simulato numericamente il processo di evoluzione del danno del propellente. I risultati mostrano che la curva sforzo-deformazione del propellente sotto carico biassiale è simile a quella dello stiramento uniassiale e presenta un'ovvia dipendenza dalla velocità e dallo stato di sollecitazione. Le proprietà meccaniche del propellente sotto carico di trazione biassiale sono significativamente inferiori a quelle dello stiramento uniassiale e l'allungamento massimo è solo il 45–85% di quello dello stiramento uniassiale. Il processo di frattura del propellente può essere suddiviso in fase lineare iniziale, fase di evoluzione del danno e fase di frattura. Il fenomeno del dewetting si verifica generalmente all'interfaccia tra le particelle AP di grandi dimensioni e la matrice. Con il caricamento del carico, i pori formati dalla dewetting e dallo strappo della matrice continuano a convergere in fessure ed espandersi nella direzione perpendicolare alla forza risultante, e infine fratturarsi. Il propellente si deumidifica più facilmente in caso di carico con velocità di deformazione elevata, ma il grado di deumidificazione è inferiore quando viene raggiunta la stessa tensione.

Il propellente solido è la fonte di energia del motore a razzo solido (SRM) e le sue proprietà meccaniche influenzano direttamente la capacità di carico dell'SRM1. Attualmente, la maggior parte della ricerca sulle proprietà meccaniche dei propellenti solidi si basa su prove di trazione uniassiali. Tuttavia, nell’intero ciclo di vita del grano SRM, appariranno stati di stress complessi come tensione biassiale, compressione biassiale e tensione e compressione biassiale, e non solo un semplice stato di forza uniassiale2. Pertanto, il comportamento meccanico del propellente solido in uno stato di stress unidimensionale non può verificare efficacemente l'integrità strutturale dell'SRM3 ed è necessario condurre ricerche sulle proprietà meccaniche del propellente solido in uno stato di stress complesso. Studi4,5 hanno dimostrato che la superficie più soggetta a cedimento e instabilità del grano è la superficie interna del foro in circostanze normali. Soprattutto al momento dell'accensione dell'SRM, i carichi sovrapposti come l'ambiente esterno e la pressione interna possono influenzare la superficie del foro interno della colonna di grano, che si avvicina al carico di trazione biassiale6.

Per studiare il comportamento meccanico del propellente solido sotto carico di trazione biassiale, Bills7, Wang8 hanno effettuato un test delle prestazioni meccaniche di trazione biassiale del propellente solido con provini a forma di striscia e hanno applicato i dati al motore per la risoluzione dei problemi. Liu C9 e Zhao W C10 hanno studiato le proprietà meccaniche di trazione biassiale dei propellenti dopo l'invecchiamento termico utilizzando campioni a forma di striscia basati sulla ricerca di Wang8. Inoltre, poiché il campione a forma di croce può simulare in modo più accurato lo stato di forza biassiale del propellente, è stato ampiamente utilizzato negli ultimi anni. Qiang H F11 ha effettuato una prova di trazione biassiale del propellente HTPB basata sul provino centrale a forma di vasca da bagno attraverso una macchina di prova biassiale; Jia Y G12 ha anche calcolato un test di assottigliamento quadrato a forma di croce basato sulla simulazione ANASYS e ha effettuato una prova di trazione biassiale del propellente solido composito; Jalocha13 riteneva che il metodo di scanalatura della parete del campione e di assottigliamento nella zona centrale non potesse caratterizzare efficacemente le proprietà biassali del propellente. A questo scopo è stata effettuata una prova di trazione biassiale del propellente solido composito utilizzando un provino non fessurato con una transizione ad arco sulla parete. Tuttavia, i metodi di prova di cui sopra possono ottenere solo una tensione biassiale con un singolo rapporto di carico e non possono simulare completamente il complesso stato di sollecitazione del motore al momento dell'accensione. Pertanto, è necessario sviluppare un metodo di prova di trazione biassiale a rapporto variabile. Inoltre, le proprietà meccaniche macroscopiche dei propellenti sono spesso strettamente correlate alla struttura mesoscopica. I metodi di simulazione numerica sono ampiamente utilizzati nell'analisi mesoscopica dei danni dei propellenti solidi grazie alla loro elevata efficienza e al basso costo. La creazione di modelli di simulazione mesoscopici si basa principalmente su esperimenti di osservazione ad alta precisione e algoritmi di riempimento casuale. I metodi di osservazione comunemente utilizzati includono il microscopio ottico (OM)14, il microscopio elettronico a scansione (SEM)15,16 e la tomografia computerizzata (CT)17,18. La chiave per il calcolo della simulazione numerica risiede nell'acquisizione dei parametri del materiale, in cui i parametri delle proprietà meccaniche della matrice del propellente e delle particelle possono essere ottenuti attraverso esperimenti, mentre i parametri tra le interfacce devono essere introdotti nel modello della forza di coesione19,20. Attualmente, i ricercatori hanno effettuato un gran numero di studi di simulazione mesoscopica in condizioni uniassiali 21,22,23,24, ma la ricerca sui propellenti in condizioni biassiali non è sufficientemente approfondita. Pertanto, al fine di studiare il processo di evoluzione del danno del propellente in condizioni di carico reali ed esplorare il suo meccanismo di meso-danno, è necessario effettuare il calcolo della simulazione del propellente solido in condizioni di carico biassiale.