복합 고체 추진제에 대한 손상 및 실험적 검증이 포함된 비선형 점탄성 구성 모델

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2049(2023) 이 기사 인용

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변형율과 구속 압력의 영향을 결합한 복합 고체 추진제(CSP)의 비선형 점탄성 구성 모델의 개발은 점화 작동 과정에서 고체 추진제 입자의 신뢰성을 평가하는 데 필수적입니다. 본 연구에서는 CSP의 기계적 반응에 대한 압력 및 변형률 제한의 결합 효과를 설명하기 위해 새로운 에너지 기반 손상 시작 기준 및 진화 모델을 갖춘 비선형 점탄성 구성 모델이 처음으로 제안되었습니다. 개발된 손상 개시 기준 및 진화 모델에서는 선형 점탄성 변형 에너지 밀도가 손상 추진력으로 도입되었으며 변형률, 손상 이력 및 손상 성장에 대한 구속 압력의 결합 효과가 고려되었습니다. 이후 자체제작한 능동형 구속압력장치를 이용하여 저변형률부터 중변형률까지 다양한 구속압력에 대한 일축인장시험과 응력이완시험을 실시하였다. 마지막으로 모델 매개변수의 식별 절차와 구성모델의 검증 결과를 제시하였다. 또한, 시간-압력 중첩 원리(TPSP)를 통해 손상 시작 매개변수의 마스터 곡선을 구성했습니다. 결과는 개발된 비선형 구성 모델이 다양한 변형률 및 구속 압력 하에서 CSP의 응력-변형률 반응을 예측할 수 있음을 보여줍니다.

높은 에너지 밀도와 쉬운 저장이라는 장점 때문에 복합 고체 추진제(CSP)는 고체 로켓 모터(SRM)의 추진원으로 널리 사용됩니다. 일반적으로 CSP는 다수의 고체 입자(예: 과염소산암모늄, AP, 알루미늄, Al)가 내장된 점탄성 폴리머 바인더 시스템으로 구성됩니다. CSP 입자의 수명 동안 환경 조건 변화에 따른 온도 하중, 운송에 따른 진동 하중, 점화 가압 과정에 따른 압력 하중 등 다양한 하중을 받게 됩니다. 이러한 하중 하에서 필러 입자와 바인더 사이의 계면을 따른 디웨팅, 미세 공극의 핵 생성 및 성장을 포함하여 CSP의 미세 구조가 변경됩니다1,2. 결과적으로 CSP는 일반적으로 거시적 수준에서 비선형적이고 복잡한 기계적 동작을 나타냅니다. SRM의 성능은 CSP 입자의 구조적 무결성에 의해 크게 영향을 받습니다. 다른 부하와 비교하여 CSP 그레인은 점화 가압 과정에서 파손되기 가장 쉽습니다. 점화 가압 하중 하에서 CSP 입자는 가스에 의해 3축 압축 응력 상태(제한 압력 상태)에 있으며 기계적 응답은 실내 조건과 크게 다릅니다. 전형적인 점탄성 재료로서 CSP의 기계적 반응은 변형률 및 환경 압력 조건에 크게 의존합니다. 이는 실내 압력 하에서 검증된 이러한 구성 모델이 점화 과정 중 추진제 입자의 기계적 반응을 정확하게 예측할 수 없음을 보여줍니다3,4,5. 따라서 변형 속도와 구속 압력의 결합 효과를 통합한 비선형 구성 모델을 개발하고 해당 실험 검증을 수행하여 이러한 복잡한 기계적 성능을 밝히고 점화 작업 과정에서 CSP 입자의 신뢰성을 추가로 평가하는 것이 매우 중요합니다.

지난 수십 년 동안 몇몇 연구자들은 압력 제한의 효과를 고려하여 고체 추진제의 몇 가지 구성 모델을 개발했습니다. 응력-변형 거동에 대한 압력의 영향을 특성화하는 가장 초기의 보고서 중 하나는 Farris6에 의해 수행되었습니다. 그는 간단한 열역학 모델을 사용하여 고충전 탄성체의 응력-변형 함수를 도출했습니다. Swanson et al.7은 실험 데이터를 피팅하여 변형 연화 기능에 대한 압력의 영향을 나타냈습니다. 작업 전위 이론과 미세 기계 모델8을 기반으로 Schapery9,10은 축 장력 및 구속 압력 하에서 고체 추진제의 비선형 탄성 변형 거동을 특성화하는 구성 모델을 개발했습니다. 나중에 Park and Schapery11,12는 유사 변형 이론, 시간-온도 중첩 원리(TTSP) 및 두 내부 손상 변수의 속도 유형 진화 방정식을 사용하여 위 모델을 열점탄성 모델로 확장했습니다. HTPB(Hydroxy-Terminating Polybutadiene) 추진제에 대한 축 변형률, 온도 및 구속 압력의 영향. 또한 Ha와 Schapery13, Hinterhoelzl과 Schapery14는 Park과 Schapery11,12의 모델 이론을 연속적으로 3차원으로 확장하여 Abaqus 소프트웨어에 구현했습니다. Ravichandran과 Liu15는 벌크 및 전단 계수 저하와 관련된 두 가지 손상 함수를 갖춘 간단한 속도 독립적 현상학적 구성 모델을 제안했습니다. 일축 응답에 대한 제한 압력의 효과가 조사되었으며 다양한 압력(0-2 MPa) 하에서 응력-변형률 응답이 제시되었습니다. Özüpek et al.16,17은 세 가지 초기 등방성 구성 모델을 개발하고, 폴리부타디엔-아크릴로니트릴의 손상 성장에 대한 압력의 억제 효과에 대한 디웨팅 손상으로 인한 공극 부피 분율의 성장률 함수에 압력 항을 갖는 지수 함수를 도입했습니다. (PBAN) 추진제. 손상이 속도에 독립적이라는 가정으로 인해 예측 결과는 높은 변형률에서 실험 데이터와 잘 일치하지 않습니다. Canga et al.18은 효율적인 수치 구현이 가능하도록 모델을 수정하고 유한 요소 해석 결과와 테스트 데이터 간의 비교를 제시했습니다.