火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (3): 314-318   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.018
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引用本文  

李高春, 姜爱民, 黄卫东, 王朝轰, 王玉峰, 刘铁. 固体火箭发动机粘接界面变形破坏的细观试验与数值模拟[J]. 火炸药学报, 2018, 41(3): 314-318. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.018
LI Gao-chun, JIANG Ai-min, HUANG Wei-dong, WANG Chao-hong, WANG Yu-feng, LIU Tie. Meso-experiment and Numerical Simulation of Deformation and Failure Adhesive Interface for Solid Rocket Motor[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(3): 314-318. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.018

基金项目

预研共性技术基金(No.9140A28)

作者简介

李高春(1978-), 男, 副教授, 从事固体火箭发动机的教学和科研工作。E-mail:leespringhjhy@sina.com

文章历史

收稿日期:2018-02-02
修回日期:2018-04-27
固体火箭发动机粘接界面变形破坏的细观试验与数值模拟
李高春1, 姜爱民2, 黄卫东1, 王朝轰3, 王玉峰1, 刘铁1     
1. 海军航空大学岸防兵学院, 山东 烟台 264001;
2. 海军航空大学航空基础学院, 山东 烟台 264001;
3. 91115部队, 浙江 舟山 316000
摘要: 采用扫描电镜原位拉伸试验观察固体火箭发动机粘接界面试件在拉伸过程的变形和破坏过程,分析了载荷作用下界面失效模式和机理;依据粘接界面细观结构,建立了界面的细观数值模型,考虑了其细观损伤特点,在推进剂内部颗粒与基体之间以及推进剂/衬层之间引入界面元,对界面细观变形和破坏过程进行了数值模拟。结果表明,在外界应变5%时,表现为非均质材料内部应力分布不均,随应变的增加,推进剂内部脱湿形成的微孔洞不断扩展,最终导致界面破坏,界面拉伸失效过程表现为损伤的起裂和扩展,是推进剂内部脱湿和粘接界面脱粘共同作用的结果;界面元能有效地模拟粘接界面的脱粘过程,细观数值计算结果与试验结果吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展的规律。
关键词: 固体火箭发动机     粘接界面     变形破坏     数值模拟     脱粘    
引言

对于固体火箭发动机粘接界面,由于界面两侧材料属性差异,容易在界面附近产生应力集中导致微裂纹的萌生、扩展,使得界面成为固体火箭发动机的薄弱环节之一[1-2]。在服役过程中发动机结构完整性破坏往往发生在粘接界面上,界面失效严重影响发动机工作安全[3]。当前,国内外对粘接界面开展了大量研究,包括界面粘接机理[4]、试验表征技术[5-6]、粘接界面强度测试[7]以及界面变形过程数值模拟[8]等。李高春等[9]对粘接界面试件在拉伸过程的变形破坏过程进行了观察,对拉伸过程图像采用数字散斑相关方法进行处理,获得了界面拉伸过程中的位移场,进而分析其变形演化过程及其破坏机理。史宏斌[10]考虑到绝热层、推进剂和衬层多层材料的性能,采用有限元方法计算了含预制脱粘层药柱的应力应变场,探讨了脱粘层前缘附近有内聚空洞时对界面应力应变的影响。Kulkarni[11]根据粘接界面内部的组成,建立了表征界面细观形态结构的数值模型,分析了推进剂界面内部颗粒与基体的粘接强度以及基体内微裂纹等细观结构参数对宏观力学性能的影响。王广等[12]对复合固体推进剂及推进剂/衬层粘接试件微CT扫描后重构的图像进行了统计,得到了其细观形貌特征及推进剂颗粒典型尺寸,采用粘接界面单元表征颗粒/基体和推进剂/衬层界面的脱粘过程。

尽管有不少学者对粘接界面进行了详细的试验和数值模拟,由于固体火箭发动机粘接界面组成的复杂性,对粘接界面细观损伤和扩展过程以及失效机理尚不能全面把握,有待于从细观试验和数值模拟进一步分析其破坏过程。细观破坏分析的最大优点是能在细观尺度上研究其力学性能,即从粘接界面实际组成层次研究其破坏机理,有利于掌握界面破坏的本质机理。

本研究以固体火箭发动机粘接界面试件为对象,采用SEM对粘接界面试件在拉伸过程的变形和破坏过程进行细观观察,分析粘接界面试件的失效机理,根据SEM结果,建立描述界面细观形态结构模型,对界面细观脱粘过程进行了数值模拟,分析了粘接界面在拉伸作用下的细观损伤机理。研究结果有利于理解粘接界面变形破坏过程,为改善粘接界面宏观力学性能提供必要的依据。

1 试验 1.1 设备及过程

为了能更加真实地再现拉伸过程中粘接界面变形破坏过程,采用SEM观察了粘接界面的拉伸过程,试验在日本岛津JSM-5410LV型SEM试验系统上完成,试验装置由高精度的扫描电镜和全数字电液伺服加载系统组成,能实时在线观测载荷作用下材料的力学行为及表面细观结构的变化。由于扫描电镜试验无法采用标准粘接界面试件,需要设计微形非标准试件。考虑到加载系统的夹持方式,微形试件的尺寸如图 1所示,厚度为3.0 mm。

图 1 微形试件形状 Figure 1 Shape of micro specimen

但制作上述粘接界面试件难度较大,为了能将粘接界面观察区移至试件中心,将微形试件两端采用有机玻璃加工,中间平行段10 mm为微形粘接界面试件。微形粘接界面试件从标准矩形试件中切取,采用302胶将两端与有机玻璃板粘接,自然固化两天以上,制作好的微形粘接界面试件如图 2所示。

图 2 制作好的微形粘接界面试件 Figure 2 Finished micro adhesive interface specimen

试验时先将加载样品台、试件夹具及试件表面等吹除干净;将加载样品台推入电镜真空室并按要求抽真空,加5 kV电压。在需要拍摄的倍数下,调节对比度和亮度,获得所需图片。试验过程中,由伺服控制器进行自动加载直至粘接界面试件被拉断。由于扫描电镜成像速度较慢,为了得到各应变条件下的清晰图像,加载速率选定为0.12 mm/min。

1.2 界面粘接破坏过程

图 3为粘接界面试件从开始拉伸到破坏过程的扫描电镜图像。

图 3 粘接界面典型拉伸破坏过程(×50) Figure 3 Typical failure process of adhesive interface(×50)

图 3(a)可看出,拉伸前推进剂内部存在一些初始缺陷,如微孔洞。基体与颗粒之间的界面粘接状态不均匀;未施加载荷时,颗粒与基体之间存在粘接不完好的区域;由图 3(b)可看出,拉伸初期,衬层和推进剂由于弹性模量较小,在载荷作用下发生较大变形;由图 3(c)可看出,随拉伸位移载荷的增加,在推进剂/衬层界面处的颗粒发生脱湿;界面脱湿处不再承受载荷,基体被拉伸,基体内部产生应力集中,而使其附近区域产生微孔洞;由图 3(d)~(e)可看出,随着位移载荷的继续增加,推进剂内部颗粒与基体出现脱湿,并随载荷的增加,微孔洞逐渐增大。随载荷进一步增加,推进剂内部微裂纹出现汇合,导致宏观裂纹的形成,进而发生破坏,裂纹的扩展方向与拉伸方向近乎垂直。

2 粘接界面细观破坏数值模拟 2.1 计算模型

为了简便,将粘接界面看作绝热层、衬层、推进剂组成的三相非均质复合材料。根据试验结果,在拉伸过程中,推进剂内部颗粒与基体的界面以及推进剂/衬层界面是其薄弱环节,在界面处会发生脱粘,为此引入了界面元[13]。粘接界面细观填充模型以及有限元网格如图 4所示,图中只显示粘接界面中颗粒的有限元网格。计算边界条件为:绝热层边(即AB边)在xy方向均受约束作用,其位置保持不动;推进剂边(即CD边)沿y方向受均布位移载荷作用。

图 4 有限元网格 Figure 4 Grid of finite element

推进剂基体胶片、绝热层和衬层视为超弹性材料,对单向拉伸数据用N=3的Ogden模型进行拟合,求出Ogden模型的系数,其结果如表 1所示。

表1 基体、衬层和绝热层的Ogden模型参数 Table 1 Ogden model parameters of binder, liner and insulator

推进剂中的颗粒,由于其强度比基体大几个数量级,可认为是弹性材料,弹性模量E和泊松比υ分别为32.4 GPa和0.14。

2.2 界面元模型

界面元模型采用一种简单的双线性界面元模型,界面力和位移分离量关系如图 5所示,包括材料的损伤起始(0<ΔΔ0)、损伤扩展(Δ0ΔΔf)以及完全脱粘(ΔfΔ)3个阶段。将n表示界面的法向,t表示切向,ΔnΔt分别表示界面的法向和切向位移分离量,L0为界面元指定的初始厚度。界面的应变为

$ {\varepsilon _{\rm{n}}} = \frac{{{\Delta _{\rm{n}}}}}{{{L_0}}}, {\varepsilon _{\rm{t}}} = \frac{{{\Delta _{\rm{t}}}}}{{{L_0}}} $ (1)
图 5 界面力-位移分离量关系 Figure 5 Interfacial traction-separation response

界面元的初始界面力为

$ \mathit{\boldsymbol{T = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{T_{\rm{n}}}}\\ {{T_{\rm{t}}}} \end{array}} \right\} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{K_{{\rm{nn}}}}}&0\\ 0&{{K_{{\rm{tt}}}}} \end{array}} \right]\left\{ \begin{array}{l} {\varepsilon _{\rm{n}}}\\ {\varepsilon _{\rm{t}}} \end{array} \right\} $ (2)

TnTt分别表示界面法向、切向力,KnnKtt分别表示界面的初始线性模量。

采用二次应变率准则表示在混合模式作用下界面损伤的起始,其形式为

$ {\left\{ {\frac{{\left\langle {{\varepsilon _{\rm{n}}}} \right\rangle }}{{\varepsilon _{\rm{n}}^0}}} \right\}^2} + \left\{ {\frac{{{\varepsilon _{\rm{t}}}}}{{\varepsilon _{\rm{t}}^0}}} \right\} = 1 $ (3)

式中:εn0和εt0为界面受到法向和切向变形时界面损伤起始的最大应变。当界面满足损伤起始条件,界面将产生损伤。引入了界面损伤因子D,界面损伤后所对应的界面力为

$ \mathit{\boldsymbol{T = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {1 - D} \right){K_{{\rm{nn}}}}}&0\\ 0&{\left( {1 - D} \right){K_{\rm{n}}}} \end{array}} \right]\left\{ \begin{array}{l} {\varepsilon _{\rm{n}}}\\ {\varepsilon _{\rm{t}}} \end{array} \right\} $ (4)

式中:D表示界面损伤程度,其起始值为0;当其值为1时,表示界面完全损伤。D的表达式如下:

$ D = \frac{{\Delta _{\rm{m}}^f\left( {\Delta _{\rm{m}}^{\max } - \Delta _{\rm{m}}^0} \right)}}{{\Delta _{\rm{m}}^{\max }\left( {\Delta _{\rm{m}}^f - \Delta _{\rm{m}}^0} \right)}} $ (5)

式中:Δmmax表示界面的最大有效张开位移,Δmmax=max{Δm},其中有效位移Δm定义为${\Delta _{\rm{m}}} = \sqrt {{{\left\langle {{\Delta _{\rm{n}}}} \right\rangle }^2} + {{\left( {{\Delta _{\rm{t}}}} \right)}^2}} $$\left\langle {{\Delta _{\rm{n}}}} \right\rangle = \left\{ \begin{array}{l} 0\;\;\;\;{\Delta _{\rm{n}}} \le 0\\ {\Delta _{\rm{n}}}\;\;{\Delta _{\rm{n}}} > 0 \end{array} \right.$

双线性界面元模型中包括初始线性模量(Knn/Ktt)、最大粘接强度(T0)和最大张开位移(Δmmax)3个参数,不同界面粘接强度见表 2

表2 不同界面的粘接强度 Table 2 Different interfacial adhesion strength

由于基体等本构关系的材料非线性、材料大变形的几何非线性以及界面脱粘过程的软化现象,使得在计算过程中获得收敛解变得非常困难。为了解决上述问题,采用位移控制的Newton-Raphson方法,并采用线性搜寻算法解决非线性问题。

为避免界面完全脱粘时界面元产生相互渗透,在界面元的上、下表面引入接触单元来抵抗界面相互渗透。

2.3 计算结果及分析

图 6为计算模型在不同阶段下的细观损伤情况。

图 6 不同应变下Von Mises应力分布云图 Figure 6 Contour of Von Mises stress at different strain

图 6(a)可以看出,由于粘接界面组分材料属性不同导致界面内的应力分布不均匀,并且由于颗粒与颗粒周围的应力场发生相互作用,产生较大的应力集中。由图 6(b)可看出,随着应变的增加,推进剂内部颗粒与基体的分离程度不断增加,并在大颗粒附近形成较大的裂隙,表明上述区域容易脱湿。由图 6(c)可看出,推进剂内部颗粒界面的脱湿将导致推进剂内应力的重新分布,在脱湿区域产生应力集中,使其附近的颗粒产生脱湿。另外,由于复合推进剂颗粒填充分数比较高,颗粒之间的相互作用比较明显,使颗粒与基体之间因脱湿形成的微孔洞大小各不相同,脱湿形成的裂隙方向与所受的应力方向也不重合。由图 6(d)(e)可知,随着外界应变的增加,推进剂内部颗粒的脱湿分数进一步增加,造成进一步损伤。

本研究从粘接界面的细观结构出发,采用界面元对推进剂/衬层之间脱粘以及推进剂内部颗粒与基体之间脱湿进行了模拟,粘接界面细观破坏分析结果与试验吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展规律。

在分析粘接界面的细观破坏时,只考虑了推进剂内部颗粒与基体之间脱湿以及推进剂/衬层之间脱粘的影响,然而粘接界面的破坏是一个复杂的过程,还存在其他不同的损伤模式,如基体的损伤。为了更加精确地模拟其细观破坏,需要考虑这些损伤模式,从而有效地模拟其破坏的整个过程。

3 结论

(1) 在外界应变为5%时,粘接界面表现为非均质材料内部应力分布不均,随应变的增加,推进剂内部脱湿形成的微孔洞不断扩展,最终导致界面破坏,界面拉伸失效过程表现为损伤的起裂和扩展,是推进剂内部脱湿和粘接界面脱粘共同作用的结果。

(2) 针对界面的细观破坏特点,采用界面元对推进剂/衬层之间脱粘以及推进剂内部颗粒与基体之间脱湿进行了模拟,得到了粘接界面的脱粘过程以及其内部应力分布。粘接界面细观破坏分析结果与试验结果吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展规律。


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Meso-experiment and Numerical Simulation of Deformation and Failure Adhesive Interface for Solid Rocket Motor
LI Gao-chun1, JIANG Ai-min2, HUANG Wei-dong1, WANG Chao-hong3, WANG Yu-feng1, LIU Tie1     
1. Coast Defense College, Naval Aviation University, Yantai Shandong 264001, China;
2. Aeronautical Base College, Naval Aviation University, Yantai Shandong 264001, China;
3. The 91115 th Unit of PLA, Zhoushan Zhejiang 316000, China
Abstract: The scanning electron microscope in-situ tensile test was used to observe the deformation and failure process of the adhesive interface specimens of solid rocket motor in the tensile process. The failure mode and mechanism of interface under loading action were analyzed. The mesoscopic numerical model of the interface was established according to the meso structure of the adhesive interface, and the characteristics of its meso damage were considered. The interface element between propellant particles and matrix and propellant/liner was introduced to simulate the meso deformation and failure process of the interface. The results show that when the external strain is 5%, the internal stress distribution in the heterogeneous material is uneven. With the increase of the strain, the microporous holes formed in the internal dehumidification of propellant continuously expand and eventually lead to the destruction of the interface. The failure process of the interfacial tension is manifested by the initiation and expansion of the damage, which is the results of combined action of internal dehumidification of the propellant and debonding of the adhesion interface. The interface element can effectively simulate the debonding process of the adhesive interface, and the mesoscopic numerical results agree with the experimental ones, which correctly reflects the law of mesoscopic damage initiation and expansion during the tensile process.
Key words: solid rocket motor     adhesive interface     deformation and failure     numerical simulation     debonding