Essai de traction biaxiale et simulation numérique des dommages méso du propulseur HTPB

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17635 (2022) Citer cet article

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Visant les lacunes des recherches actuelles sur les propriétés mécaniques des propulseurs solides dans des conditions de contraintes complexes, une configuration efficace d'éprouvettes en forme de croix et une méthode d'essai de traction biaxiale à échelle variable sont conçues dans cet article, ainsi que le modèle de méso-simulation du propulseur. est construit par un test Micro-CT et un algorithme de remplissage aléatoire. Ensuite, sur la base de la méthode Hook-Jeeves et du modèle de force de cohésion, les paramètres de performances mécaniques de chaque composant mésoscopique ont été obtenus, et enfin le processus d'évolution des dommages du propulseur a été simulé numériquement. Les résultats montrent que la courbe contrainte-déformation du propulseur sous charge biaxiale est similaire à celle d'un étirement uniaxial et présente une dépendance évidente à la vitesse et à l'état de contrainte. Les propriétés mécaniques du propulseur sous charge de traction biaxiale sont nettement inférieures à celles d'un étirement uniaxial, et l'allongement maximum n'est que de 45 à 85 % de celui d'un étirement uniaxial. Le processus de fracture du propulseur peut être divisé en étape linéaire initiale, étape d'évolution des dommages et étape de fracture. Le phénomène de démouillage se produit généralement à l'interface entre les particules AP de grande taille et la matrice. Avec le chargement de la charge, les pores formés par le démouillage et la déchirure de la matrice continuent de converger vers des fissures et de se dilater dans la direction perpendiculaire à la force résultante, pour finalement se fracturer. Le propulseur se déshumidifie plus facilement sous une charge à vitesse de déformation élevée, mais le degré de démouillage est plus faible lorsque la même déformation est atteinte.

Le propulseur solide est la source d'énergie du moteur-fusée à poudre (SRM), et ses propriétés mécaniques affectent directement la capacité de charge du SRM1. À l’heure actuelle, la plupart des recherches sur les propriétés mécaniques des propergols solides reposent sur des essais de traction uniaxiale. Cependant, au cours du cycle de vie complet du grain SRM, des états de contrainte complexes tels que la tension biaxiale, la compression biaxiale, ainsi que la tension et la compression biaxiales apparaîtront, et pas seulement un simple état de force uniaxiale2. Par conséquent, le comportement mécanique du propulseur solide dans un état de contrainte unidimensionnel ne peut pas vérifier efficacement l'intégrité structurelle du SRM3, et il est nécessaire de mener des recherches sur les propriétés mécaniques du propulseur solide dans un état de contrainte complexe. Des études4,5 ont montré que la surface intérieure du trou dans des circonstances normales est la plus sujette à la rupture et à l'instabilité du grain. Surtout au moment de l'allumage du SRM, les charges superposées telles que l'environnement externe et la pression interne peuvent affecter la surface intérieure du trou de la colonne de grains, ce qui se rapproche de la charge de traction biaxiale6.

Afin d'étudier le comportement mécanique du propulseur solide sous une charge de traction biaxiale, Bills7 et Wang8 ont effectué un test de performance mécanique en traction biaxiale du propulseur solide avec des éprouvettes en forme de bande et ont appliqué les données au moteur lors du dépannage. Liu C9 et Zhao W C10 ont étudié les propriétés mécaniques de traction biaxiale des propulseurs après vieillissement thermique en utilisant des échantillons en forme de bande sur la base des recherches de Wang8. De plus, comme l’échantillon en forme de croix peut simuler plus précisément l’état de force biaxiale du propulseur, il a été largement utilisé ces dernières années. Qiang H F11 a effectué un essai de traction biaxiale du propulseur HTPB basé sur l'éprouvette en forme de baignoire à amincissement central via une machine d'essai biaxiale ; Jia Y G12 a également calculé un test d'amincissement carré en forme de croix basé sur la simulation ANASYS et a effectué un test de traction biaxiale du propulseur solide composite ; Jalocha13 pensait que la méthode consistant à rainurer la paroi de l'échantillon et à l'amincir dans la zone centrale ne pouvait pas caractériser efficacement les propriétés biaxiales du propulseur. A cet effet, un essai de traction biaxiale d'un propergol solide composite a été réalisé à l'aide d'une éprouvette non fendue avec une transition en arc sur la paroi. Cependant, les méthodes d'essai ci-dessus ne peuvent obtenir une tension biaxiale qu'avec un seul rapport de charge et ne peuvent pas simuler entièrement l'état de contrainte complexe du moteur au moment de l'allumage. Par conséquent, une méthode d’essai de traction biaxiale à rapport variable doit être développée. De plus, les propriétés mécaniques macroscopiques des propulseurs sont souvent étroitement liées à la structure mésoscopique. Les méthodes de simulation numérique sont largement utilisées dans l’analyse mésoscopique des dommages causés aux propergols solides en raison de leur grande efficacité et de leur faible coût. L'établissement de modèles de simulation mésoscopique repose principalement sur des expériences d'observation de haute précision et des algorithmes de remplissage aléatoire. Les méthodes d'observation couramment utilisées comprennent le microscope optique (OM)14, le microscope électronique à balayage (MEB)15,16 et la tomodensitométrie (CT)17,18. La clé du calcul de simulation numérique réside dans l'acquisition des paramètres des matériaux, dans lesquels les paramètres des propriétés mécaniques de la matrice propulsive et des particules peuvent être obtenus par des expériences, tandis que les paramètres entre les interfaces doivent être introduits dans le modèle de force de cohésion . À l'heure actuelle, les chercheurs ont réalisé un grand nombre d'études de simulation mésoscopique dans des conditions uniaxiales 21,22,23,24, mais les recherches sur les propulseurs dans des conditions biaxiales ne sont pas suffisamment approfondies. Par conséquent, afin d'étudier le processus d'évolution des dommages du propulseur dans des conditions de chargement réelles et d'explorer son mécanisme de méso-endommagement, il est nécessaire d'effectuer le calcul de simulation du propulseur solide dans des conditions de chargement biaxial.