複合固体推進剤の損傷と実験的検証を伴う非線形粘弾性構成モデル

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2049 (2023) この記事を引用

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ひずみ速度と閉じ込め圧力の効果を組み合わせた複合固体推進剤 (CSP) の非線形粘弾性構成モデルの開発は、点火操作プロセス中の固体推進剤粒子の信頼性を評価するために不可欠です。 本研究では、CSP の機械的応答に対する拘束圧力とひずみ速度の結合効果を記述するために、新しいエネルギーベースの損傷開始基準と展開モデルを備えた非線形粘弾性構成モデルが最初に提案されました。 開発された損傷開始基準および進展モデルでは、線形粘弾性ひずみエネルギー密度が損傷の駆動力として導入され、ひずみ速度、損傷履歴、および損傷の成長に対する拘束圧力の結合効果が考慮されました。 次に、自作のアクティブ拘束圧力装置を用いて、低ひずみ速度から中ひずみ速度までの各種拘束圧力における一軸引張試験と応力緩和試験を実施した。 最後に、モデルパラメータの同定手順と構成モデルの検証結果を示しました。 さらに、損傷開始パラメータのマスター曲線は、時間圧力重ね合わせ原理 (TPSP) を通じて構築されました。 結果は、開発された非線形構成モデルが、さまざまなひずみ速度と拘束圧力下での CSP の応力 - ひずみ応答を予測できることを示しています。

複合固体推進剤 (CSP) は、エネルギー密度が高く、保管が容易であるという利点があるため、固体ロケットモーター (SRM) の推進源として広く使用されています。 一般に、CSP は、多数の固体粒子 (例、過塩素酸アンモニウム、AP、アルミニウム、Al) が埋め込まれた粘弾性ポリマーバインダー系によって構成されています。 CSP粒子は耐用期間中、環境条件の変化による温度負荷、輸送による振動負荷、着火加圧工程による圧力負荷など、さまざまな負荷を受けます。 これらの負荷の下では、CSP の微細構造が変化します。これには、フィラー粒子とバインダーの間の界面に沿った脱湿や、微小ボイドの核生成と成長が含まれます 1、2。 その結果、CSP は通常、巨視的レベルで非線形で複雑な機械的挙動を示します。 SRM の性能は、CSP 粒子の構造的完全性によって大きく影響されます。 他の負荷と比較して、CSP 粒子は点火加圧プロセス中に最も破損しやすいです。 点火加圧負荷下では、CSP粒子はガスにより三軸圧縮応力状態（封圧状態）となり、その機械的応答は室温とは大きく異なります。 典型的な粘弾性材料として、CSP の機械的応答はひずみ速度と環境圧力条件に大きく依存します。 これは、室内圧力下で検証されたこれらの構成モデルでは、点火プロセス中の推進剤粒子の機械的応答を正確に予測できないことが明らかになりました 3,4,5。 したがって、ひずみ速度と拘束圧力の結合効果を組み込んだ非線形構成モデルを開発し、対応する実験的検証を実施して、これらの複雑な機械的性能を明らかにし、点火操作プロセス中の CSP 粒子の信頼性をさらに評価することが非常に重要です。

過去数十年にわたり、数人の研究者が閉じ込め圧力の影響を考慮した固体推進剤の構成モデルをいくつか開発してきました。 応力と歪みの行動に対する圧力の影響を特徴付ける最も初期の報告書の 1 つは、Farris によって行われました6。 彼は、単純な熱力学モデルを使用して、高充填エラストマーの応力 - ひずみ関数を導き出しました。 Swanson et al.7 は、実験データを当てはめることによって、ひずみ軟化機能に対する圧力の影響を示しました。 仕事ポテンシャル理論と微小機械モデル 8 に基づいて、Schapery 9,10 は、軸張力と拘束圧力下での固体推進剤の非線形弾性変形挙動を特徴付ける構成モデルを開発しました。 その後、Park と Schapery 11,12 は、いわゆる擬ひずみ理論、時間温度重ね合わせ原理 (TTSP)、および 2 つの内部損傷変数の速度型発展方程式を使用して、上記のモデルを熱粘弾性モデルに拡張しました。ヒドロキシ末端ポリブタジエン (HTPB) 推進剤に対する軸ひずみ速度、温度、拘束圧力の影響。 さらに、Ha と Schapery13、Hinterhoelzl と Schapery14 は、Park と Schapery11,12 のモデル理論を 3 次元に拡張し、Abaqus ソフトウェアに実装しました。 Ravichandran と Liu15 は、体積弾性率とせん断弾性率の劣化に関連する 2 つの損傷関数を備えた、速度に依存しない単純な現象学的構成モデルを提案しました。 一軸応答に対する拘束圧力の影響が調査され、さまざまな圧力 (0 ～ 2 MPa) での応力 - ひずみ応答が示されました。 Özüpek ら 16,17 は 3 つの初期等方性構成モデルを開発し、ポリブタジエン - アクリロニトリルの損傷成長に対する圧力の抑制効果をモデル化するために、デウェット損傷によって引き起こされる空隙体積率の増加速度の関数に圧力項を伴う指数関数を導入しました。 (PBAN) 推進剤。 損傷が速度に依存しないと仮定しているため、予測結果は、高いひずみ速度の下では実験データとよく一致しません。 Canga et al.18 は、効率的な数値実装を可能にするためにモデルを修正し、有限要素解析の結果とテスト データの比較を示しました。