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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 17635 (2022) Citar este artigo

888 acessos

3 citações

Detalhes das métricas

Visando as deficiências da pesquisa atual sobre as propriedades mecânicas de propulsores sólidos sob condições de tensão complexas, uma configuração eficaz da peça de teste em forma de cruz e um método de teste de tração biaxial em escala variável são projetados neste artigo, e o modelo de meso-simulação do propelente é construído pelo teste Micro-CT e algoritmo de preenchimento aleatório. Em seguida, com base no método Hook-Jeeves e no modelo de força coesiva, foram obtidos os parâmetros de desempenho mecânico de cada componente mesoscópico e, por fim, simulou-se numericamente o processo de evolução de danos do propelente. Os resultados mostram que a curva tensão-deformação do propulsor sob carga biaxial é semelhante à do alongamento uniaxial e tem dependência óbvia da taxa e do estado de tensão. As propriedades mecânicas do propelente sob carga de tração biaxial são significativamente mais baixas do que aquelas no alongamento uniaxial, e o alongamento máximo é de apenas 45-85% daquele no alongamento uniaxial. O processo de fratura do propulsor pode ser dividido em estágio linear inicial, estágio de evolução do dano e estágio de fratura. O fenômeno de umidificação geralmente ocorre na interface entre as partículas AP de grande porte e a matriz. Com o carregamento da carga, os poros formados pela remoção de umidade e pelo rompimento da matriz continuam a convergir em fissuras e a 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 atingida.

O propelente 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, aparecerão estados de tensão complexos, como tensão biaxial, compressão biaxial e tensão e compressão biaxial, e não apenas um simples estado de força uniaxial2. Portanto, o comportamento mecânico do propelente sólido sob estado de tensão unidimensional não pode verificar efetivamente a integridade estrutural do SRM3, e é necessário realizar pesquisas sobre as propriedades mecânicas do propelente sólido sob estado de tensão complexo. Estudos4,5 mostraram que a superfície interna do furo mais propensa a falhas e instabilidade é a superfície interna do furo em circunstâncias normais. Principalmente no momento da ignição do SRM, as cargas sobrepostas, como o ambiente externo e a pressão interna, podem afetar a superfície interna do furo da coluna de grãos, que se aproxima da carga de tração biaxial6.

A fim de estudar o comportamento mecânico do propulsor sólido sob carga de tração biaxial, Bills7, Wang8 realizaram um teste de desempenho mecânico de tração biaxial do propelente sólido com peças de teste em forma de tira e aplicaram os dados ao motor na solução de problemas. Liu C9 e Zhao W C10 estudaram as propriedades mecânicas de tração biaxial de propulsores após envelhecimento térmico usando amostras em forma de tira com base na pesquisa de Wang8. Além disso, como a amostra em forma de cruz pode simular com mais precisão o estado de força biaxial do propelente, ela tem sido amplamente utilizada nos últimos anos. Qiang H F11 realizou um teste de tração biaxial do propelente 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 ranhurar a parede do corpo de prova e desbaste na área central não poderia caracterizar efetivamente as propriedades biaxiais do propelente. Para tanto, foi realizado um ensaio de tração biaxial do propelente sólido compósito utilizando um corpo de prova sem fenda e 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 propulsores estão frequentemente intimamente relacionadas com a estrutura mesoscópica. Métodos de simulação numérica são amplamente utilizados na análise mesoscópica de danos de propelentes sólidos devido à sua alta eficiência e baixo custo. O estabelecimento de modelos de simulação mesoscópicos depende principalmente de experimentos de observação de alta precisão e algoritmos de preenchimento aleatório. Os métodos de observação comumente utilizados incluem Microscópio Óptico (MO)14, Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)15,16 e Tomografia Computadorizada (TC)17,18. A chave para o cálculo da simulação numérica está na aquisição dos parâmetros do material, nos quais os parâmetros das propriedades mecânicas da matriz propelente e das partículas podem ser obtidos através de experimentos, enquanto os parâmetros entre as interfaces precisam ser introduzidos no modelo de força coesiva . Atualmente, os pesquisadores realizaram um grande número de estudos de simulação mesoscópica em condições uniaxiais 21,22,23,24, mas a pesquisa sobre propulsores em condições biaxiais não é suficientemente profunda. Portanto, para 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.