固体发动机药柱加压固化残余应力应变产生与释放机制解析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31661

Abstract

Abstract:

To investigate the generation and release mechanism of residual stress and strain in solid rocket motor propellant grain with pressure cure， a theoretical model considering the coupling of thermochemical-mechanical multi physics fields during curing and cooling process was developed based on viscoelastic theory， finite difference method， and incremental method. The composition， distribution and evolution laws of residual stress and strain of grain were revealed. The mapping relationships between temperature， degree of cure， residual stress and strain of grain were obtained. The release path of residual stress and strain of grain was optimized. The results showed that the residual stress and strain of grain were mainly caused by the accumulation of three parts： thermal expansion and cure shrinkage during curing stage， and cooling shrinkage during cooling stage. The residual stress caused by three parts accounted for about 5%， 12% and 83% respectively. The residual strain caused by three parts accounted for about -1%， 24% and 77% respectively. During cooling stage， as the temperature of grain decreases， the residual stress and strain linearly increase. Using the proposed theoretical model， the optimal pressure load of pressure cure technology was calculated， which is linearly related to the circumferential elastic modulus of the case. Compared with the conventional pressure cure technology， the optimized technology based on the composition and evolution laws of response can reduce the maximum residual stress and strain during curing and cooling process by an average of about 65.5%.

Key words: pressure cure, solid rocket motor, thermochemical-mechanical coupling, residual stress and strain, generation and release mechanism

CLC Number:

V435

Jia WEI, Baoshi YU, Dapeng ZHANG, Zhibin SHEN, Yongjun LEI. Generation and release mechanism of residual stress and strain in solid rocket motor propellant grain with pressure cure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(16): 431661.

Figures/Tables 18

Fig.1

Table 1

Table 2

Table 3

Fig.2

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Table 4

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Table 5

Table 6

Fig.12

References 39

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i	∞	1	2	3	4
E_i /MPa	0.891	0.151	0.159	0.108	0.284
τ_i /s		0.013 6	1.141 2	48.529 0	3 012.900 0

参数	数值	参数	数值
ρ/（kg·m^-3）	1 803	H_t/（J·g^-1）	85.91^［28］
C/（J·kg^-1·K^-1）	1 180	v	0.498
λ/（W·K^-1·m^-1）	0.55	α/（10^-5 K^-1）	8.6
ρ_a/（kg·m^-3）	1 300^［36］	V_sh	0.002^［37］
V_a/%	18^［35］	h/（W·m^-2·K^-1）	10^［38］

参数	符号	数值
弹性模量/MPa	E_r	53 304
	E_θ	73 035
	E_z	13 113
热膨胀系数/（10^-5 K^-1）	α_r	2.7
	α_θ	2.5
	α_z	1.1
泊松比	v_rθ	0.197
	v_rz	0.295
	v_θz	0.251
密度/（kg·m^-3）		7 800
比热容/（J·kg^-1·K^-1）		722.8^*［39］
导热系数/（W·K^-1·m^-1）		5.688^*［39］
对流换热系数/（W·m^-2·K^-1）		10^［38］
剪切模量/ MPa	G_rθ	14 690
	G_rz	1 910
	G_θz	1 910

工艺阶段	响应来源	固化残余应力/%		固化残余应变/%
工艺阶段	响应来源	σ_r	σ_θ	ε_r	ε_θ
固化阶段	热膨胀	4.47	4.31	-1.18	-1.29
固化阶段	固化收缩	12.48	12.64	23.72	24.47
降温阶段	冷却收缩	82.43	82.38	76.10	75.34

残余应力	固化降温过程最大值			固化降温结束后
残余应力	加压固化优化前/MPa	加压固化优化后/MPa	降低百分比/%	常压固化/MPa	加压固化优化后/MPa	降低百分比/%
径向应力	0.011 5	0.003 3	71.3	0.025 5	0.001 1	95.7
环向应力	0.025 2	0.008 3	67.1	0.055 3	0.002 3	95.8

Generation and release mechanism of residual stress and strain in solid rocket motor propellant grain with pressure cure

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残余应变	固化降温过程最大值			固化降温结束后
残余应变	加压固化优化前	加压固化优化后	降低百分比/%	常压固化	加压固化优化后	降低百分比/%
径向应变	-0.029 3	-0.013 5	53.9	-0.055 2	-0.009 6	82.6
环向应变	0.020 7	0.006 3	69.6	0.045 9	0	100.00

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