HTPB推進薬の二軸引張試験とメソ損傷数値シミュレーション

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17635 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

複雑な応力条件下での固体推進剤の機械的特性に関する現在の研究の欠点を目指して,この論文では,効果的な十字型試験片構成と可変スケール二軸引張試験方法を設計し,推進剤のメゾシミュレーションモデルを設計した。 Micro-CT テストとランダム充填アルゴリズムによって構築されます。 次に,Hook-Jeeves法と凝集力モデルに基づいて,各メゾスコピック構成要素の機械的性能パラメータを取得し,最後に推進剤の損傷進展過程を数値シミュレーションした。 結果は、二軸荷重下の推進剤の応力-ひずみ曲線は一軸延伸の曲線と類似しており、明らかな速度依存性と応力状態依存性があることを示しています。 二軸引張荷重下での推進剤の機械的特性は一軸延伸の場合よりも大幅に低く、最大伸びは一軸延伸のわずか 45 ～ 85% です。 推進薬の破壊過程は、初期直線段階、損傷進展段階、破壊段階に分けられます。 脱湿現象は一般に、大きなサイズの AP 粒子とマトリックスの界面で発生します。 荷重がかかると、ディウェッティングとマトリックスの引き裂きによって形成された細孔が引き続き亀裂に収束し、合力に対して垂直な方向に拡大し、最終的に破壊します。 推進剤は、高いひずみ速度負荷の下でより容易に除湿されますが、同じひずみに達すると、脱湿の程度は低くなります。

固体推進剤は固体ロケットモーター (SRM) の動力源であり、その機械的特性は SRM1 の搭載能力に直接影響します。 現在、固体推進剤の機械的特性に関する研究のほとんどは一軸引張試験に基づいています。 しかし、SRM 粒子のライフサイクル全体では、単純な一軸力状態だけではなく、二軸引張、二軸圧縮、二軸引張と圧縮などの複雑な応力状態が現れます2。 したがって、一次元の応力状態における固体推進剤の機械的挙動では、SRM3の構造的完全性を効果的に検証することはできず、複雑な応力状態における固体推進剤の機械的特性についての研究を実施する必要がある。 研究 4,5 では、通常の状況下では、粒子の破損と不安定が最も起こりやすいのは穴の内側の表面であることが示されています。 特に SRM 点火の瞬間には、外部環境や内部圧力などの重畳荷重が粒子柱の内孔表面に影響を与える可能性があり、これは二軸引張荷重に近似します6。

二軸引張荷重下での固体推進剤の機械的挙動を研究するために、Bills7、Wang8 はストリップ状の試験片を使用して固体推進剤の二軸引張機械的性能試験を実施し、そのデータをエンジンのトラブルシューティングに適用しました。 Liu C9 と Zhao W C10 は、Wang8 の研究に基づいて、ストリップ状の試験片を使用して、熱老化後の推進薬の二軸引張機械特性を研究しました。 また、十字形試験片は推進剤の二軸力の状態をより正確に再現できるため、近年広く使用されています。 Qiang H F11 は、二軸試験機を使用して、中央のシンニングバスタブ形状の試験片に基づいて、HTPB 推進薬の二軸引張試験を実施しました。 Jia Y G12 はまた、ANASYS シミュレーションに基づいて正方形の薄化十字型試験を計算し、複合固体推進剤の二軸引張試験を実施しました。 Jalocha 13 は、試験片の壁に溝を付けて中央領域を薄くする方法では、推進剤の二軸特性を効果的に特徴付けることができないと考えました。 この目的のために、複合固体推進剤の二軸引張試験を、壁面にアーク転移を有するスロットのない試験片を使用して実施した。 ただし、上記の試験方法では、単一の荷重比で二軸張力を達成することしかできず、点火の瞬間のエンジンの複雑な応力状態を完全にシミュレートすることはできません。 したがって、可変比率二軸引張試験方法を開発する必要があります。 さらに、推進剤の巨視的な機械的特性は、多くの場合、メゾスコピックな構造と密接に関連しています。 数値シミュレーション手法は、効率が高く、コストが低いため、固体推進剤のメゾスコピック損傷解析に広く使用されています。 メゾスコピック シミュレーション モデルの確立は、主に高精度の観察実験とランダム充填アルゴリズムに依存しています。 一般的に使用される観察方法には、光学顕微鏡 (OM)14、走査型電子顕微鏡 (SEM)15、16、およびコンピューター断層撮影 (CT)17、18 があります。 数値シミュレーション計算の鍵は材料パラメータの取得にあり、推進剤マトリックスと粒子の機械的特性パラメータは実験を通じて取得できますが、界面間のパラメータは凝集力モデルに導入する必要があります19,20。 現在、研究者らは一軸条件下で多数のメゾスコピックシミュレーション研究を実施している 21,22,23,24 が、二軸条件下での推進剤の研究は十分に深まっていない。 したがって、実際の負荷条件下で推進剤の損傷進展過程を研究し、そのメソ損傷メカニズムを探るためには、二軸負荷条件下で固体推進剤のシミュレーション計算を実行する必要があります。