HTPB 추진제의 이축 인장 시험 및 메조 손상 수치 시뮬레이션

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17635(2022) 이 기사 인용

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복잡한 응력 조건에서 고체 추진제의 기계적 성질에 대한 현재 연구의 단점을 목표로 본 논문에서는 효과적인 십자형 시험편 구성과 가변 규모 이축 인장 시험 방법을 설계하고 추진제의 메조 시뮬레이션 모델을 설계했습니다. Micro-CT 테스트와 Random Filling 알고리즘으로 구성되었습니다. 그런 다음 Hook-Jeeves 방법과 응집력 모델을 기반으로 각 메조스코픽 구성요소의 기계적 성능 매개변수를 구하고 최종적으로 추진제의 손상 진화 과정을 수치적으로 시뮬레이션했습니다. 결과는 이축 하중을 받는 추진제의 응력-변형률 곡선이 단축 연신의 곡선과 유사하고 속도 의존성과 응력 상태 의존성이 명백하다는 것을 보여줍니다. 이축 인장 하중을 받는 추진제의 기계적 특성은 단축 연신의 기계적 특성보다 현저히 낮으며, 최대 연신율은 단축 연신의 기계적 특성의 45~85%에 불과합니다. 추진제의 파괴과정은 초기선형단계, 손상진행단계, 파괴단계로 나눌 수 있다. 디웨팅 현상은 일반적으로 대형 AP 입자와 매트릭스 사이의 경계면에서 발생합니다. 하중이 가해짐에 따라 디웨팅과 매트릭스 찢어짐에 의해 형성된 기공은 계속해서 균열로 수렴하고 합력에 수직인 방향으로 확장되어 최종적으로 파손됩니다. 추진제는 높은 변형률 하중 하에서 더 쉽게 제습되지만, 동일한 변형률에 도달하면 탈수 정도가 더 낮습니다.

고체 추진제는 고체 로켓 모터(SRM)의 동력원이며, 그 기계적 특성은 SRM1의 운반 능력에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 고체 추진제의 기계적 성질에 관한 대부분의 연구는 단축 인장 시험을 기반으로 하고 있습니다. 그러나 SRM 입자의 전체 수명주기에서 단순한 일축 힘 상태뿐만 아니라 이축 인장, 이축 압축, 이축 인장 및 압축과 같은 복잡한 응력 상태가 나타납니다2. 따라서 1차원 응력 상태에서 고체 추진제의 기계적 거동은 SRM3의 구조적 완전성을 효과적으로 검증할 수 없으며, 복잡한 응력 상태에서 고체 추진제의 기계적 특성에 대한 연구가 필요합니다. 연구4,5에 따르면 결정립의 파손 및 불안정성이 가장 발생하기 쉬운 곳은 정상적인 상황에서 내부 구멍 표면인 것으로 나타났습니다. 특히 SRM 점화 순간 외부 환경 및 내부 압력과 같은 중첩 하중이 곡물 기둥의 내부 구멍 표면에 영향을 미칠 수 있으며 이는 이축 인장 하중6에 가깝습니다.

이축 인장 하중 하에서 고체 추진제의 기계적 거동을 연구하기 위해 Bills7, Wang8은 스트립 모양의 시험편을 사용하여 고체 추진제의 이축 인장 기계적 성능 테스트를 수행하고 문제 해결 시 해당 데이터를 엔진에 적용했습니다. Liu C9와 Zhao W C10은 Wang8의 연구를 기반으로 스트립 모양 시편을 사용하여 열 노화 후 추진제의 이축 인장 기계적 특성을 연구했습니다. 또한, 십자형 시험체는 추진체의 이축력 상태를 보다 정확하게 모사할 수 있기 때문에 최근에는 널리 사용되고 있다. Qiang H F11은 이축 시험기를 통해 중앙 감육 욕조 모양의 시험편을 기반으로 HTPB 추진제의 이축 인장 시험을 수행했습니다. Jia Y G12는 또한 ANASYS 시뮬레이션을 기반으로 사각형 박화 십자형 테스트를 계산하고 복합 고체 추진제의 이축 인장 테스트를 수행했습니다. Jalocha13은 표본의 벽에 홈을 파고 중앙 영역을 얇게 만드는 방법은 추진제의 이축 특성을 효과적으로 특성화할 수 없다고 믿었습니다. 이를 위해 벽에 아크 전이가 있는 비슬롯 시험편을 사용하여 복합 고체 추진제의 이축 인장 시험을 수행했습니다. 그러나 위의 테스트 방법은 단일 부하 비율로만 이축 장력을 달성할 수 있으며 점화 순간 엔진의 복잡한 응력 상태를 완전히 시뮬레이션할 수 없습니다. 따라서 가변비 이축 인장시험 방법의 개발이 필요하다. 또한, 추진제의 거시적 기계적 특성은 메소스코픽 구조와 밀접한 관련이 있는 경우가 많습니다. 수치 시뮬레이션 방법은 높은 효율성과 저렴한 비용으로 인해 고체 추진제의 mesoscopic 손상 분석에 널리 사용됩니다. Mesoscopic 시뮬레이션 모델의 확립은 주로 고정밀 관찰 실험과 무작위 채우기 알고리즘에 의존합니다. 일반적으로 사용되는 관찰 방법으로는 광학현미경(OM)14, 주사전자현미경(SEM)15,16 및 컴퓨터 단층촬영(CT)17,18이 있습니다. 수치 시뮬레이션 계산의 핵심은 재료 매개변수를 획득하는 데 있습니다. 여기서 추진제 매트릭스와 입자의 기계적 특성 매개변수는 실험을 통해 얻을 수 있으며, 인터페이스 간의 매개변수는 응집력 모델에 도입되어야 합니다. 현재 연구자들은 단축 조건에서 수많은 메조스코픽 시뮬레이션 연구를 수행했지만21,22,23,24, 이축 조건에서 추진제에 대한 연구는 충분히 깊이 있지 않습니다. 따라서 실제 하중 조건에서 추진제의 손상 전개 과정을 연구하고 중간 손상 메커니즘을 탐색하기 위해서는 이축 하중 조건에서 고체 추진제의 시뮬레이션 계산을 수행할 필요가 있습니다.