考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建及有限元应用方法

本发明涉及含能材料本构模型，尤其涉及一种考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建及有限元应用方法。

背景技术：

1、固体推进剂药柱从浇铸完成到其结束燃烧任务为止，药柱结构需要经受一连串引起应力和应变的环境；重力、推进剂固化降温、温度交变、长期贮存、车载运输和艇态运输造成的冲击与振动以及点火、发射及飞行过程中的压力载荷和加速度载荷。这些负载可以引起药柱的温度、位移、应变和应力的变化。在一定条件下，可能会导致发动机装药结构产生界面脱粘，药柱蠕变、脱湿、破碎等问题，破坏发动机装药结构完整性，使发动机无法正常工作甚至引发严重灾难。当发动机处于贮存状态时，药柱主要受固化降温载荷和重力载荷。由于固体推进剂的粘弹性特性，在自重载荷的作用下，药柱将产生蠕变变形，端口变形并下沉，影响燃气的排出过程，甚至阻塞发动机喷管。此外发动机的贮存时间可长达几十年，药柱内部的微小结构损伤将在载荷作用下不断削弱其承载能力，破坏其结构完整性。

2、推进剂蠕变是一个低应力水平长期的过程，一些学者引入了损伤来描述这个过程。例如，采用累积损伤理论分析了环境因素对固体发动机装药寿命的影响，或者，通过大量推进剂试件实验在不同但恒定应力水平下评估了线性累积损伤规律。但这些分析中未考虑损伤对推进剂力学性能的影响，又例如，采用一种考虑了损伤的改进模型来描述不同应力水平下推进剂蠕变的全过程，但该模型参数具有应力敏感性，这为将其应用于计算机数值分析问题带来困难。

3、公开号为cn114462147a的专利公开了一种含损伤的推进剂蠕变型本构模型的构建与有限元应用方法，虽实现药柱结构在贮存阶段的蠕变损伤行为的精细化建模，但未考虑到推进剂在损伤状态下发生软化的力学行为，对推进剂蠕变的过程的描述并不准确。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建及有限元应用方法，用于解决现有技术中对推进剂蠕变的过程的描述并不准确的问题。

2、为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提出一种考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建方法，包括：

3、获取针对待测量推进剂在静态载荷作用下的蠕变实验数据，所述蠕变实验数据包括推进剂加载应力、加载时间与损伤数据；

4、基于所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤参数和蠕变柔量参数，并根据积累损伤理论和所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤演化函数；

5、根据所述损伤参数与所述蠕变柔量参数确定所述待测量推进剂的软化函数；

6、基于所述损伤参数、所述蠕变柔量参数、所述损伤演化函数和所述软化函数构建针对所述待测量推进剂的考虑损伤软化效应的固体推进剂蠕变型本构模型。

7、可选地，所述获取针对待测量推进剂在静态载荷作用下的蠕变实验数据，所述蠕变实验数据包括推进剂加载应力、加载时间与损伤数据的步骤，包括：

8、获取所述待测量推进剂在不同静态载荷作用下的平均蠕变曲线，所述静态载荷包括低应力水平和高应力水平；

9、基于所述平均蠕变曲线获取针对待测量推进剂在静态载荷作用下的蠕变实验数据，所述蠕变实验数据包括推进剂加载应力、加载时间与损伤数据。

10、可选地，所述基于所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤参数和蠕变柔量参数，并根据积累损伤理论和所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤演化函数的步骤，包括：

11、通过所述积累损伤理论中的推进剂损伤演化模型确定所述推进剂加载应力、所述加载时间与所述损伤数据针对所述待测量推进剂的损伤演化函数；

12、基于所述损伤演化函数确定当所述损伤数据代表推进剂破坏失效时，所述推进剂加载应力与所述加载时间的函数关系；

13、根据所述函数关系通过最小二乘法对所述蠕变实验数据进行拟合，得到所述待测量推进剂的损伤参数；

14、基于所述损伤参数确定所述待测量推进剂在同一推进剂加载应力作用下的时间应变曲线，并利用所述时间应变曲线对所述待测量推进剂的蠕变柔量进行拟合，得到所述蠕变柔量参数，其中，所述蠕变柔量通过所述待测量推进剂的蠕变柔量函数获取。

15、可选地，所述根据所述损伤参数与所述蠕变柔量参数确定所述待测量推进剂的软化函数的步骤，包括：

16、将所述损伤参数与所述蠕变柔量参数输入预设函数，得到所述待测量推进剂的损伤值和初始软化函数之间的对应关系，所述预设函数用于通过损伤因子描述所述待测量推进剂的非线性粘弹性；

17、基于所述对应关系获取不同静态载荷作用下，所述初始软化函数关于损伤的变化曲线；

18、根据所述变化曲线对所述初始软化函数进行参数拟合，得到拟合参数，并根据所述拟合参数确定所述软化函数。

19、可选地，所述基于所述损伤参数、所述蠕变柔量参数、所述损伤演化函数和所述软化函数构建针对所述待测量推进剂的考虑损伤软化效应的固体推进剂蠕变型本构模型，所述考虑损伤软化效应的固体推进剂蠕变型本构模型具体为：

20、

21、

22、其中，eij和为偏应变张量和球应变张量，sij和σkk为偏应力张量和球应力张量，ξ为折算时间，ν为推进剂泊松比，d为损伤参数，c(d)为所述软化函数,j为蠕变柔量参数。

23、另一方面，一种考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的有限元应用方法，包括：

24、分解上述构建的考虑损伤软化的推进剂蠕变损伤本构模型，获得偏应变张量和球应变张量；

25、分别离散偏应变张量和球应变张量，并根据离散后的偏应变张量和离散后的球应变张量确定考虑损伤软化的推进剂蠕变本构模型的增量形式；

26、根据所述增量形式的推进剂蠕变本构模型，推导考虑损伤软化的推进剂蠕变本构模型的切线刚度矩阵；

27、将增量形式的推进剂蠕变本构模型和所述切线刚度矩阵编程，获得子程序，并采用有限元软件调用所述子程序。

28、可选地，所述分别离散偏应变张量和球应变张量，并根据离散后的偏应变张量和离散后的球应变张量确定考虑损伤软化的推进剂蠕变本构模型的增量形式的步骤，包括：

29、采用积分算法分别对所述偏应变张量和所述球应变张量进行数值离散，得到所述偏应变张量和所述球应变张量的初始增量形式；

30、分别将所述偏应变张量和所述球应变张量的初始增量形式改写为递推形式，得到离散后的偏应变张量和离散后的目标球应变张量；

31、根据离散后的偏应变张量和离散后的球应变张量确定考虑损伤软化的推进剂蠕变本构模型的增量形式。

32、另一方面，本技术实施例提供了一种考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建装置，所述装置，包括：

33、数据采集模块，用于获取针对待测量推进剂在静态载荷作用下的蠕变实验数据，所述蠕变实验数据包括推进剂加载应力、加载时间与损伤数据；

34、计算模块，用于基于所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤参数和蠕变柔量参数，并根据积累损伤理论和所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤演化函数；

35、推导模块，用于根据所述损伤参数与所述蠕变柔量参数确定所述待测量推进剂的软化函数；

36、构建模块，用于基于所述损伤参数、所述蠕变柔量参数、所述损伤演化函数和所述软化函数构建针对所述待测量推进剂的考虑损伤软化效应的固体推进剂蠕变型本构模型。

37、另一方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述的考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建方法的步骤。

38、另一方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述的考虑损伤软化的推进剂蠕变本构的构建方法的步骤。

39、实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

40、通过获取针对待测量推进剂在静态载荷作用下的蠕变实验数据，所述蠕变实验数据包括推进剂加载应力、加载时间与损伤数据；基于所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤参数和蠕变柔量参数，并根据积累损伤理论和所述蠕变实验数据确定所述待测量推进剂的损伤演化函数；根据所述损伤参数与所述蠕变柔量参数确定所述待测量推进剂的软化函数；基于所述损伤参数、所述蠕变柔量参数、所述损伤演化函数和所述软化函数构建针对所述待测量推进剂的考虑损伤软化效应的固体推进剂蠕变型本构模型。考虑了推进剂在损伤状态下发生软化的力学行为，能够更好地描述推进剂的蠕变过程，同时，能够根据推进剂在损伤状态下发生软化的力学行为对推进剂蠕变破坏时间进行预测，能够更好地对推进剂进行存储管理。