Um modelo constitutivo viscoelástico não linear com danos e validação experimental para propelente sólido compósito

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2049 (2023) Citar este artigo

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O desenvolvimento de um modelo constitutivo viscoelástico não linear de propelente sólido compósito (CSP) juntamente com os efeitos da taxa de deformação e pressão confinante é essencial para avaliar a confiabilidade dos grãos propelentes sólidos durante o processo de operação de ignição. No presente trabalho, um modelo constitutivo viscoelástico não linear com novos critérios de iniciação de dano baseados em energia e modelo de evolução foi proposto pela primeira vez para descrever os efeitos acoplados da pressão confinante e da taxa de deformação nas respostas mecânicas do CSP. No critério de iniciação de dano desenvolvido e no modelo de evolução, a densidade de energia de deformação viscoelástica linear foi introduzida como a força motriz do dano, e os efeitos acoplados da taxa de deformação, histórico de dano e pressão confinante no crescimento do dano foram levados em consideração. Em seguida, testes de tração uniaxial de taxas de deformação baixas a taxas de deformação médias e várias pressões de confinamento, e testes de relaxamento de tensão foram conduzidos usando um dispositivo de pressão de confinamento ativo feito pelo próprio. Por fim, foram apresentados os procedimentos de identificação dos parâmetros do modelo e resultados de validação do modelo constitutivo. Além disso, a curva mestre do parâmetro de iniciação do dano foi construída através do princípio de superposição tempo-pressão (TPSP). Os resultados mostram que o modelo constitutivo não linear desenvolvido é capaz de prever as respostas tensão-deformação do CSP sob diferentes taxas de deformação e pressões confinantes.

Devido à vantagem de alta densidade de energia e fácil armazenamento, o propulsor sólido composto (CSP) é amplamente utilizado para ser a fonte propulsora de motores de foguete sólidos (SRMs). Em geral, o CSP é composto por um sistema ligante polimérico viscoelástico incorporado com um grande número de partículas sólidas (por exemplo, perclorato de amônio, AP, alumínio, Al). Durante a vida útil dos grãos CSP, eles estarão sujeitos a diversas cargas, como carga de temperatura devido à mudança das condições ambientais, carga de vibração do transporte e carga de pressão do processo de pressurização de ignição. Sob essas cargas, a microestrutura do CSP muda, incluindo a desidratação ao longo das interfaces entre as partículas de enchimento e o ligante, e a nucleação e o crescimento de micro-vazios . Como resultado, o CSP geralmente exibe comportamentos mecânicos não lineares e complexos em nível macroscópico. O desempenho de um SRM é significativamente influenciado pela integridade estrutural dos grãos CSP. Em comparação com outras cargas, os grãos CSP são mais propensos a falhar durante o processo de pressurização de ignição. Sob carga de pressurização de ignição, os grãos CSP estão em um estado de tensão de compressão triaxial (estado de pressão confinante) pelo gás, e suas respostas mecânicas são significativamente diferentes daquelas na condição ambiente. Como um material viscoelástico típico, as respostas mecânicas do CSP são fortemente dependentes da taxa de deformação e das condições de pressão ambiental. Revela que estes modelos constitutivos validados sob pressão ambiente não podem prever com precisão as respostas mecânicas dos grãos propulsores durante o processo de ignição . Portanto, é de grande importância desenvolver um modelo constitutivo não linear que incorpore os efeitos acoplados da taxa de deformação e da pressão confinante, e conduzir a validação experimental correspondente para revelar esses desempenhos mecânicos complexos e avaliar ainda mais a confiabilidade dos grãos CSP durante o processo de operação de ignição.

Nas últimas décadas, alguns pesquisadores desenvolveram alguns modelos constitutivos de propulsores sólidos considerando o efeito da pressão confinante. Um dos primeiros relatórios disponíveis para caracterizar o efeito da pressão nos comportamentos de estresse-tensão foi feito por Farris6. Ele derivou a função tensão-deformação para elastômeros altamente preenchidos usando um modelo termodinâmico simples. Swanson et al.7 indicaram o efeito da pressão na função de suavização de deformação ajustando dados experimentais. Baseado em uma teoria do potencial de trabalho e em um modelo micromecânico8, Schapery9,10 desenvolveu um modelo constitutivo para caracterizar os comportamentos de deformação elástica não linear do propelente sólido sob tensão axial e pressão confinante. Mais tarde, Park e Schapery11,12 estenderam o modelo acima para um modelo termo-viscoelástico usando a chamada teoria de pseudo deformação, princípio de superposição tempo-temperatura (TTSP) e equação de evolução do tipo taxa de duas variáveis ​​​​de dano interno, que pode modelar o efeitos da taxa de deformação axial, temperatura e pressão confinante no propelente de polibutadieno terminado em hidroxi (HTPB). Além disso, Ha e Schapery13, e Hinterhoelzl e Schapery14 estenderam sucessivamente a teoria do modelo de Park e Schapery11,12 para três dimensões e a implementaram no software Abaqus. Ravichandran e Liu15 propuseram um modelo constitutivo fenomenológico simples, independente da taxa, com duas funções de dano relacionadas à degradação do volume e do módulo de cisalhamento. O efeito da pressão confinante na resposta uniaxial foi investigado e as respostas tensão-deformação sob várias pressões (0–2 MPa) foram apresentadas. Özüpek et al.16,17 desenvolveram três modelos constitutivos isotrópicos iniciais e introduziram uma função exponencial com um termo de pressão na função da taxa de crescimento da fração de volume de vazios causada por danos de detwettação para modelar o efeito de supressão da pressão no crescimento de danos de Polibutadieno-Acrilonitrila (PBAN) propelente. Os resultados previstos não concordam com os dados experimentais sob alta taxa de deformação devido à suposição de que o dano é independente da taxa. Canga et al.18 modificaram o modelo para permitir uma implementação numérica eficiente e apresentaram as comparações entre os resultados da análise de elementos finitos e os dados de teste.