基于热力学的HTPB/AP复合底排药损伤本构模型及损伤差异分析

武智慧,牛公杰,钱建平,*,刘荣忠

1. 南京理工大学 机械工程学院,南京 210094 2. 中国工程物理研究院 总体工程研究所,绵阳 621999

HTPB/AP复合底排药(Composite Base Bleed Grain,CBBG)是一种颗粒填充高聚物,是底排增程技术的关键动力源。HTPB/AP CBBG主要成分为高氯酸铵(Ammonium Perchlorate,AP)和端羟基聚丁二烯(Hydroxyl-Terminated Polybutadien,HTPB),其余成分为固化剂、增塑剂等。发射工况下, HTPB/AP CBBG经历轴向高过载、膛压引起的压缩高过载和炮口处急速泄压引起的拉伸高过载等冲击载荷。这种恶劣的载荷工况将导致模量较低的HTPB/AP CBBG产生大变形,诱使初始损伤恶化,进而破坏药柱结构完整性,影响药柱燃烧规律,降低增程效率,削弱底排增程弹的战术性能。同时,战场环境温度变化引起的温度载荷(233～323 K[1])使得HTPB/AP CBBG的黏性特征凸显,其力学响应的差异性进一步扩大。明确HTPB/AP CBBG在不同应变率(特别是冲击载荷)及温度载荷下的力学性能,建立本构模型是进行HTPB/AP CBBG结构完整性分析的基础。HTPB/AP CBBG内部包含一个复杂的力学体系,颗粒与基体的界面粘接特性[2-3],颗粒、基体本身的力学性能[4],空穴[5]、颗粒破碎[6]等形式的损伤,黏性形变引起的升温软化[7-8]等因素均影响材料整体在外载下的宏观力学响应。可见,对HTPB/AP CBBG进行本构建模具有一定的挑战性。

近年来,学者们已逐渐深入开展针对HTPB/AP CBBG力学特性的研究工作。刘志林等[9]测试了室温下应变率为2 900～4 300 s-1时HTPB/AP CBBG压缩力学性能,对其小应变阶段采用ZWT黏弹性本构模型进行表征。作者对比分析了室温下HTPB/AP CBBG准静态压缩和拉伸力学性能的异同,建立了计入累积损伤的黏弹-黏塑本构模……