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在固体发动机药柱成型过程中，由于推进剂、绝热层及壳体材料的热膨胀系数不匹配，在固化过程及固化完成后的降温过程中，推进剂药柱因收缩变形会受到壳体的限制而产生较大的残余热应力/应变，通常将固化降温过程中形成的残余应变定义为预应变。预应变一直存在于发动机药柱的整个贮存期，会对推进剂性能造成影响，进而影响发动机药柱的结构完整性和安全性。而评价贮存过程中预应变载荷作用对推进剂力学性能及发动机药柱结构完整性影响的关键就是获得预应变载荷作用下固体推进剂的力学特性，建立合理描述固体推进剂力学响应的损伤本构模型，并将其应用于发动机药柱结构完整性分析。
本文以端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂为研究对象，通过实验研究预应变载荷作用下固体推进剂的力学特性及损伤特性，构建考虑预应变效应的黏弹损伤本构模型，并将其应用于发动机推进剂药柱结构完整性评估，以达到工程应用的目的。主要开展了以下几方面的研究：
(1)设计并开展了HTPB复合固体推进剂热力耦合贮存老化试验，并对不同预应变贮存条件下的HTPB推进剂试件开展单向拉伸试验和动态力学性能试验，结合推进剂切面及拉伸断面扫描电镜试验，获得了预应变载荷对HTPB推进剂宏观力学性能及动态力学性能的影响规律及影响机理。
(2)在积分型黏弹本构模型的基础上，结合连续损伤理论，将推进剂贮存过程中预应变及老化时间引入损伤函数，建立了考虑预应变损伤效应和老化效应的固体推进剂黏弹损伤本构模型，损伤函数同时考虑了预应变贮存条件下的初始损伤及载荷激励下的动态损伤。通过HTPB推进剂的应力松弛试验，得到了固体推进剂的松弛模量主曲线，拟合获得了推进剂松弛模量的Prony级数表达式和WLF方程。对本构模型进行了离散化处理，基于ABAQUS平台UMAT接口开发了固体推进剂本构模型的材料子程序。采用建立的固体推进剂黏弹损伤本构模型对HTPB推进剂单向拉伸试验进行了模拟计算，结果表明建立的本构模型可以较好地反映预应变贮存条件下固体推进剂的力学响应特性，可为发动机推进剂药柱结构完整性分析提供支撑。
(3)采用建立的推进剂损伤本构模型对某模拟发动机进行了结构完整性评估，并开展了结构完整性验证试验，建立了典型载荷下药柱结构完整性评估方法，实现了固体推进剂损伤本构模型的工程化应用。结果表明建立的推进剂黏弹损伤本构模型可以用于发动机药柱结构完整性分析，采用基于累积损伤的多载荷综合安全系数评估方法可以较准确地反映推进剂药柱在降温载荷和点火升压载荷联合作用下的安全裕度，可推广用于固体发动机药柱结构完整性评估。
(4)结合预应变贮存条件下固体推进剂力学特性、黏弹损伤本构模型和结构完整性评估方法，对某型固体火箭发动机翼柱型药柱进行了典型服役载荷下的结构完整性分析，可为固体火箭发动机全寿命周期结构完整性评估和贮存寿命预估提供指导。
本文的研究成果可为了解预应变载荷作用下固体推进剂力学特性、开展全寿命期固体发动机推进剂药柱结构完整性评估及贮存寿命管理提供参考和指导，具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文以端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂为研究对象，通过实验研究预应变载荷作用下固体推进剂的力学特性及损伤特性，构建考虑预应变效应的黏弹损伤本构模型，并将其应用于发动机推进剂药柱结构完整性评估，以达到工程应用的目的。主要开展了以下几方面的研究：
(1)设计并开展了HTPB复合固体推进剂热力耦合贮存老化试验，并对不同预应变贮存条件下的HTPB推进剂试件开展单向拉伸试验和动态力学性能试验，结合推进剂切面及拉伸断面扫描电镜试验，获得了预应变载荷对HTPB推进剂宏观力学性能及动态力学性能的影响规律及影响机理。
(2)在积分型黏弹本构模型的基础上，结合连续损伤理论，将推进剂贮存过程中预应变及老化时间引入损伤函数，建立了考虑预应变损伤效应和老化效应的固体推进剂黏弹损伤本构模型，损伤函数同时考虑了预应变贮存条件下的初始损伤及载荷激励下的动态损伤。通过HTPB推进剂的应力松弛试验，得到了固体推进剂的松弛模量主曲线，拟合获得了推进剂松弛模量的Prony级数表达式和WLF方程。对本构模型进行了离散化处理，基于ABAQUS平台UMAT接口开发了固体推进剂本构模型的材料子程序。采用建立的固体推进剂黏弹损伤本构模型对HTPB推进剂单向拉伸试验进行了模拟计算，结果表明建立的本构模型可以较好地反映预应变贮存条件下固体推进剂的力学响应特性，可为发动机推进剂药柱结构完整性分析提供支撑。
(3)采用建立的推进剂损伤本构模型对某模拟发动机进行了结构完整性评估，并开展了结构完整性验证试验，建立了典型载荷下药柱结构完整性评估方法，实现了固体推进剂损伤本构模型的工程化应用。结果表明建立的推进剂黏弹损伤本构模型可以用于发动机药柱结构完整性分析，采用基于累积损伤的多载荷综合安全系数评估方法可以较准确地反映推进剂药柱在降温载荷和点火升压载荷联合作用下的安全裕度，可推广用于固体发动机药柱结构完整性评估。
(4)结合预应变贮存条件下固体推进剂力学特性、黏弹损伤本构模型和结构完整性评估方法，对某型固体火箭发动机翼柱型药柱进行了典型服役载荷下的结构完整性分析，可为固体火箭发动机全寿命周期结构完整性评估和贮存寿命预估提供指导。
本文的研究成果可为了解预应变载荷作用下固体推进剂力学特性、开展全寿命期固体发动机推进剂药柱结构完整性评估及贮存寿命管理提供参考和指导，具有重要的理论意义和工程应用价值。