Ensaio de tração biaxial e simulação numérica de dano meso do propelente HTPB

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17635 (2022) Citar este artigo

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Visando as deficiências da pesquisa atual sobre as propriedades mecânicas de propelentes sólidos sob condições de estresse complexas, uma configuração de peça de teste em forma de cruz eficaz e um método de teste de tração biaxial de escala variável são projetados neste artigo, e o modelo de meso-simulação de propelente é construído pelo teste Micro-CT e pelo algoritmo de preenchimento aleatório. Em seguida, com base no método de Hook-Jeeves e no modelo de força coesiva, foram obtidos os parâmetros de desempenho mecânico de cada componente mesoscópico e, finalmente, foi simulado numericamente o processo de evolução do dano do propelente. Os resultados mostram que a curva tensão-deformação do propelente sob carga biaxial é semelhante à do alongamento uniaxial e tem dependência óbvia de taxa e dependência de estado de tensão. As propriedades mecânicas do propelente sob carga de tração biaxial são significativamente menores do que aquelas no alongamento uniaxial, e o alongamento máximo é de apenas 45-85% daquele no alongamento uniaxial. O processo de fratura do propelente pode ser dividido em estágio linear inicial, estágio de evolução do dano e estágio de fratura. O fenômeno de desumidificação geralmente ocorre na interface entre as partículas de AP de grande porte e a matriz. Com o carregamento da carga, os poros formados pelo remolhamento e rompimento da matriz continuam a convergir em trincas e se expandir na direção perpendicular à força resultante, e finalmente fraturar. O propelente desumidifica mais facilmente sob carga de alta taxa de deformação, mas o grau de desumidificação é menor quando a mesma deformação é alcançada.

O propulsor sólido é a fonte de energia do motor de foguete sólido (SRM) e suas propriedades mecânicas afetam diretamente a capacidade de carga do SRM1. Atualmente, a maior parte da pesquisa sobre as propriedades mecânicas de propelentes sólidos é baseada em ensaios de tração uniaxial. No entanto, em todo o ciclo de vida do grão SRM, estados de tensão complexos, como tensão biaxial, compressão biaxial e tensão e compressão biaxiais, aparecerão, não apenas um estado de força uniaxial simples2. Portanto, o comportamento mecânico do propelente sólido sob estado de estresse unidimensional não pode efetivamente verificar a integridade estrutural do SRM3, e é necessário realizar pesquisas sobre as propriedades mecânicas do propelente sólido sob estado de estresse complexo. Estudos4,5 têm mostrado que o mais propenso à falha e instabilidade do grão é a superfície interna do furo em circunstâncias normais. Especialmente no momento da ignição do SRM, as cargas sobrepostas, como o ambiente externo e a pressão interna, podem afetar a superfície interna do orifício da coluna de grãos, que se aproxima da carga de tração biaxial6.

Para estudar o comportamento mecânico do propelente sólido sob carga de tração biaxial, Bills7, Wang8 realizou um teste de desempenho mecânico de tração biaxial do propelente sólido com peças de teste em forma de tira e aplicou os dados ao motor na solução de problemas. Liu C9 e Zhao W C10 estudaram as propriedades mecânicas de tração biaxial de propelentes após o envelhecimento térmico usando espécimes em forma de tira com base na pesquisa de Wang8. Além disso, como o espécime em forma de cruz pode simular com mais precisão o estado de força biaxial do propelente, ele tem sido amplamente utilizado nos últimos anos. Qiang H F11 realizou um teste de tração biaxial do propulsor HTPB com base na peça de teste em forma de banheira de desbaste central através de uma máquina de teste biaxial; Jia Y G12 também calculou um teste em forma de cruz de desbaste quadrado com base na simulação ANASYS e realizou um teste de tração biaxial de propelente sólido composto; Jalocha13 acreditava que o método de sulcar a parede do corpo de prova e afinar na área central não poderia caracterizar efetivamente as propriedades biaxiais do propelente. Para tanto, foi realizado um ensaio de tração biaxial de propelente sólido compósito utilizando um corpo de prova sem fenda com transição de arco na parede. No entanto, os métodos de teste acima só podem atingir a tensão biaxial com uma única taxa de carga e não podem simular totalmente o complexo estado de tensão do motor no momento da ignição. Portanto, um método de teste de tração biaxial de razão variável precisa ser desenvolvido. Além disso, as propriedades mecânicas macroscópicas dos propelentes estão frequentemente relacionadas com a estrutura mesoscópica. Métodos de simulação numérica são amplamente utilizados na análise de danos mesoscópicos de propelentes sólidos devido à sua alta eficiência e baixo custo. O estabelecimento de modelos de simulação mesoscópica depende principalmente de experimentos de observação de alta precisão e algoritmos de preenchimento aleatório. Os métodos de observação comumente usados ​​incluem o Microscópio Óptico (OM)14, o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)15,16 e a Tomografia Computadorizada (TC)17,18. A chave para o cálculo da simulação numérica está na aquisição dos parâmetros do material, onde os parâmetros das propriedades mecânicas da matriz do propelente e das partículas podem ser obtidos por meio de experimentos, enquanto os parâmetros entre as interfaces precisam ser introduzidos no modelo de força coesiva19,20. Atualmente, os pesquisadores realizaram um grande número de estudos de simulação mesoscópica sob condições uniaxiais 21,22,23,24, mas a pesquisa sobre propelentes sob condições biaxiais não é suficientemente profunda. Portanto, a fim de estudar o processo de evolução do dano do propelente sob condições reais de carregamento e explorar seu mecanismo de meso-dano, é necessário realizar o cálculo de simulação do propelente sólido sob condições de carregamento biaxial.