Un modèle constitutif viscoélastique non linéaire avec endommagement et validation expérimentale pour un propergol solide composite

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2049 (2023) Citer cet article

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Le développement d'un modèle constitutif viscoélastique non linéaire du propergol solide composite (CSP) couplé aux effets de la vitesse de déformation et de la pression de confinement est essentiel pour évaluer la fiabilité des grains de propergol solide pendant le processus d'allumage. Dans le présent travail, un modèle constitutif viscoélastique non linéaire avec un nouveau critère d'initiation des dommages et un modèle d'évolution basés sur l'énergie a été tout d'abord proposé pour décrire les effets couplés de la pression de confinement et de la vitesse de déformation sur les réponses mécaniques du CSP. Dans le critère d'initiation des dommages et le modèle d'évolution développés, la densité d'énergie de déformation viscoélastique linéaire a été introduite comme force motrice des dommages, et les effets couplés de la vitesse de déformation, de l'historique des dommages et de la pression de confinement sur la croissance des dommages ont été pris en compte. Ensuite, des essais de traction uniaxiale allant de faibles vitesses de déformation à des vitesses de déformation moyennes et diverses pressions de confinement, ainsi que des essais de relaxation des contraintes ont été réalisés à l'aide d'un dispositif de pression de confinement actif fabriqué par nos soins. Enfin, les procédures d'identification des paramètres du modèle et les résultats de validation du modèle constitutif ont été présentés. De plus, la courbe maîtresse du paramètre d’initiation des dommages a été construite selon le principe de superposition temps-pression (TPSP). Les résultats montrent que le modèle constitutif non linéaire développé est capable de prédire les réponses contrainte-déformation du CSP sous différentes vitesses de déformation et pressions de confinement.

Étant donné l'avantage d'une densité énergétique élevée et d'un stockage facile, le propergol solide composite (CSP) est largement utilisé comme source de propulsion des moteurs-fusées à poudre (SRM). En général, le CSP est composé d'un système de liant polymère viscoélastique incrusté d'un grand nombre de particules solides (par exemple, perchlorate d'ammonium, AP, aluminium, Al). Au cours de la durée de vie des grains CSP, ils seront soumis à diverses charges, telles que la charge de température due au changement des conditions environnementales, la charge de vibration due au transport et la charge de pression due au processus de pressurisation par allumage. Sous ces charges, la microstructure du CSP change, notamment le démouillage le long des interfaces entre les particules de charge et le liant, ainsi que la nucléation et la croissance de microvides1,2. En conséquence, le CSP présente généralement des comportements mécaniques non linéaires et complexes au niveau macroscopique. Les performances d'un SRM sont considérablement influencées par l'intégrité structurelle des grains CSP. Comparés à d'autres charges, les grains CSP sont plus susceptibles de tomber en panne pendant le processus de pressurisation à l'allumage. Sous une charge de pressurisation d'allumage, les grains CSP sont dans un état de contrainte de compression triaxiale (état de pression de confinement) par le gaz, et leurs réponses mécaniques sont significativement différentes de celles à l'état ambiante. En tant que matériau viscoélastique typique, les réponses mécaniques du CSP dépendent fortement de la vitesse de déformation et des conditions de pression environnementale. Il révèle que ces modèles constitutifs validés sous pression ambiante ne peuvent pas prédire avec précision les réponses mécaniques des grains propulsifs lors du processus d'allumage3,4,5. Par conséquent, il est d'une grande importance de développer un modèle constitutif non linéaire intégrant les effets couplés de la vitesse de déformation et de la pression de confinement, et de procéder à la validation expérimentale correspondante pour révéler ces performances mécaniques complexes et évaluer davantage la fiabilité des grains CSP pendant le processus d'allumage.

Au cours des dernières décennies, quelques chercheurs ont développé quelques modèles constitutifs de propergol solide en considérant l'effet de la pression de confinement. L'un des premiers rapports disponibles caractérisant l'effet de la pression sur les comportements stress-déformation a été réalisé par Farris6. Il a dérivé la fonction contrainte-déformation pour les élastomères hautement chargés à l'aide d'un modèle thermodynamique simple. Swanson et al.7 ont indiqué l'effet de la pression sur la fonction d'adoucissement par déformation en ajustant les données expérimentales. Basé sur une théorie du potentiel de travail et un modèle micromécanique8, Schapery9,10 a développé un modèle constitutif pour caractériser les comportements de déformation élastique non linéaire du propergol solide sous tension axiale et pression de confinement. Plus tard, Park et Schapery11,12 ont étendu le modèle ci-dessus à un modèle thermo-viscoélastique en utilisant la théorie dite de pseudo-déformation, le principe de superposition temps-température (TTSP) et l'équation d'évolution de type taux de deux variables de dommage internes, qui peuvent modéliser l'évolution du type de vitesse. effets de la vitesse de déformation axiale, de la température et de la pression de confinement sur le propulseur en polybutadiène à terminaison hydroxy (HTPB). De plus, Ha et Schapery13, ainsi que Hinterhoelzl et Schapery14 ont successivement étendu la théorie des modèles de Park et Schapery11,12 à trois dimensions et l'ont implémentée dans le logiciel Abaqus. Ravichandran et Liu15 ont proposé un modèle constitutif phénoménologique simple, indépendant du taux, avec deux fonctions d'endommagement liées à la dégradation du volume et au module de cisaillement. L'effet de la pression de confinement sur la réponse uniaxiale a été étudié et les réponses contrainte-déformation sous diverses pressions (0–2 MPa) ont été présentées. Özüpek et al.16,17 ont développé trois modèles constitutifs isotropes initiaux et ont introduit une fonction exponentielle avec un terme de pression dans la fonction du taux de croissance de la fraction volumique des vides provoquée par les dommages liés au démouillage pour modéliser l'effet de suppression de la pression sur la croissance des dommages du polybutadiène-acrylonitrile. (PBAN) propulseur. Les résultats prédits ne concordent pas avec les données expérimentales sous une vitesse de déformation élevée en raison de l'hypothèse selon laquelle les dommages sont indépendants de la vitesse. Canga et al.18 ont modifié le modèle pour permettre une mise en œuvre numérique efficace et ont présenté les comparaisons entre les résultats de l'analyse par éléments finis et les données de test.