Un modello costitutivo viscoelastico non lineare con danno e validazione sperimentale per propellente solido composito

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2049 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di un modello costitutivo viscoelastico non lineare del propellente solido composito (CSP) abbinato agli effetti della velocità di deformazione e della pressione di confinamento è essenziale per valutare l'affidabilità dei grani di propellente solido durante il processo di accensione. Nel presente lavoro, è stato inizialmente proposto un modello costitutivo viscoelastico non lineare con un nuovo criterio di inizio del danno basato sull'energia e un modello di evoluzione per descrivere gli effetti accoppiati della pressione di confinamento e della velocità di deformazione sulle risposte meccaniche del CSP. Nel criterio di inizio del danno sviluppato e nel modello di evoluzione, la densità di energia di deformazione viscoelastica lineare è stata introdotta come forza trainante del danno e sono stati presi in considerazione gli effetti accoppiati della velocità di deformazione, della storia del danno e della pressione di confinamento sulla crescita del danno. Quindi, sono state condotte prove di trazione uniassiale da velocità di deformazione basse a velocità di deformazione medie e varie pressioni di confinamento, e prove di rilassamento delle sollecitazioni utilizzando un dispositivo di pressione di confinamento attivo autocostruito. Infine sono state presentate le procedure di identificazione dei parametri del modello e i risultati di validazione del modello costitutivo. Inoltre, la curva principale del parametro di inizio danno è stata costruita attraverso il principio di sovrapposizione tempo-pressione (TPSP). I risultati mostrano che il modello costitutivo non lineare sviluppato è in grado di prevedere le risposte sforzo-deformazione del CSP sotto diverse velocità di deformazione e pressioni di confinamento.

Grazie al vantaggio dell'elevata densità di energia e della facilità di stoccaggio, il propellente solido composito (CSP) è ampiamente utilizzato come fonte propulsiva dei motori a razzo solido (SRM). In generale, il CSP è composto da un sistema legante polimerico viscoelastico in cui sono incorporati un gran numero di particelle solide (ad esempio, perclorato di ammonio, AP, alluminio, Al). Durante la vita utile dei grani CSP, saranno soggetti a vari carichi, come il carico di temperatura derivante dal cambiamento delle condizioni ambientali, il carico di vibrazioni derivante dal trasporto e il carico di pressione derivante dal processo di pressurizzazione dell'accensione. Sotto questi carichi, la microstruttura del CSP cambia, inclusa la dewetting lungo le interfacce tra le particelle di riempitivo e il legante, e la nucleazione e la crescita di micro-vuoti1,2. Di conseguenza, il CSP solitamente mostra comportamenti meccanici non lineari e complessi a livello macroscopico. Le prestazioni di un SRM sono significativamente influenzate dall'integrità strutturale dei grani CSP. Rispetto ad altri carichi, i grani CSP sono più inclini a rompersi durante il processo di pressurizzazione dell'accensione. Sotto carico di pressurizzazione dell'accensione, i grani CSP si trovano in uno stato di sollecitazione di compressione triassiale (stato di pressione di confinamento) da parte del gas e le loro risposte meccaniche sono significativamente diverse da quelle in condizioni ambientali. Essendo un tipico materiale viscoelastico, le risposte meccaniche del CSP dipendono fortemente dalla velocità di deformazione e dalle condizioni di pressione ambientale. Rivela che questi modelli costitutivi convalidati sotto pressione ambiente non possono prevedere con precisione le risposte meccaniche dei grani di propellente durante il processo di accensione3,4,5. Pertanto, è di grande importanza sviluppare un modello costitutivo non lineare che incorpori gli effetti accoppiati della velocità di deformazione e della pressione di confinamento e condurre una corrispondente validazione sperimentale per rivelare queste complesse prestazioni meccaniche e valutare ulteriormente l'affidabilità dei grani CSP durante il processo di accensione.

Negli ultimi decenni, alcuni ricercatori hanno sviluppato alcuni modelli costitutivi del propellente solido considerando l'effetto della pressione di confinamento. Uno dei primi studi disponibili per caratterizzare l'effetto della pressione sui comportamenti stress-deformazione è stato realizzato da Farris6. Ha derivato la funzione sforzo-deformazione per elastomeri altamente riempiti utilizzando un semplice modello termodinamico. Swanson et al.7 hanno indicato l'effetto della pressione sulla funzione di ammorbidimento della deformazione adattando i dati sperimentali. Sulla base di una teoria del potenziale di lavoro e di un modello micromeccanico8, Schapery9,10 ha sviluppato un modello costitutivo per caratterizzare i comportamenti di deformazione elastica non lineare del propellente solido sottoposto a tensione assiale e pressione di confinamento. Successivamente, Park e Schapery11,12 hanno esteso il modello di cui sopra a un modello termo-viscoelastico utilizzando la cosiddetta teoria della pseudo deformazione, il principio di sovrapposizione tempo-temperatura (TTSP) e l'equazione di evoluzione del tipo velocità di due variabili di danno interno, che possono modellare il effetti della velocità di deformazione assiale, della temperatura e della pressione di confinamento sul propellente di polibutadiene idrossi-terminato (HTPB). Inoltre, Ha e Schapery13, e Hinterhoelzl e Schapery14 hanno successivamente esteso la teoria dei modelli di Park e Schapery11,12 a tre dimensioni e l'hanno implementata nel software Abaqus. Ravichandran e Liu15 hanno proposto un semplice modello costitutivo fenomenologico indipendente dalla velocità con due funzioni di danno legate alla degradazione del modulo di volume e di taglio. È stato studiato l'effetto della pressione di confinamento sulla risposta uniassiale e sono state presentate le risposte sforzo-deformazione a varie pressioni (0–2 MPa). Özüpek et al.16,17 hanno sviluppato tre modelli costitutivi isotropi iniziali e hanno introdotto una funzione esponenziale con un termine di pressione nella funzione del tasso di crescita della frazione volumetrica vuota causata dal danno di detwetting all'effetto di soppressione del modello della pressione sulla crescita del danno del polibutadiene-acrilonitrile (PBAN) propellente. I risultati previsti non concordano bene con i dati sperimentali in condizioni di velocità di deformazione elevata a causa del presupposto che il danno è indipendente dalla velocità. Canga et al.18 hanno modificato il modello per consentire un'implementazione numerica efficiente e hanno presentato i confronti tra i risultati dell'analisi degli elementi finiti e i dati dei test.