Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Влияние размера частиц наполнителя на отслоение при растяжении смесевого топлива

Полный текст:

Аннотация

В прочноскрепленных зарядах при эксплуатации топливо растягивается, на границе «наполнитель - связующее» возникают отрывные напряжения. В высоконаполненных композициях толщина прослойки связующего между частицами наполнителя минимальна и вероятность достижения критических значений напряжений с отрывом частиц высока. Смоделирована структура полифракционного топлива и проанализировано влияние размера частиц наполнителя на отрывные напряжения при статической растягивающей нагрузке

Для цитирования:


Яковина В.В., Гуляев А.В., Малинин В.И. Влияние размера частиц наполнителя на отслоение при растяжении смесевого топлива. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(3):48-54.

For citation:


Yakovina V.V., Gulyaev A.V., Malinin V.I. The influence of the particle size of the filler on the detachment from the binder under composite fuel tension. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(3):48-54. (In Russ.)

Современные рецептурные композиции смесевых твердых топлив (СТТ) характеризуются высоким коэффициентом наполнения тверды­ми частицами окислителя и энергетических добавок в связи с потребностью в повышен­ных энергетических характеристиках. Объ­емная доля полимерного горючего-связующего (ГСВ), обеспечивающего монолитность структуры топлива и требуемый уровень фи­зико-механических характеристик (ФМХ), не превышает 20 %. В процессе эксплуатации прочноскрепленных зарядов из таких СТТ при изменении температуры окружающей среды топливо подвергается растягивающим нагрузкам ввиду отличающегося на порядок и более коэффициента линейного температур­ного расширения по сравнению с материалом оболочки корпуса. Поскольку модули упруго­сти твердых частиц наполнителя значительно выше вязкоупругого модуля полимерной ма­трицы, поле напряжений в материале является неоднородным и имеет зоны концентрации с высокими отрывными напряжениями на контакте «твердая частица - связующее». Уро­вень этих напряжений и распределение зон концентрации напряжений в объеме СТТ при фиксированных растягивающих деформациях существенно зависят от толщин прослоек связующего между частицами наполнителя, т. е. в целом от коэффициента наполнения СТТ. При некотором значении коэффициента на­полнения (суммарной массовой доли окисли­теля, энергетических добавок и иных твердых компонентов), характеризующем конкретный состав СТТ, толщины прослоек и напряжения на контакте «твердая частица - связующее» при растяжении будут зависеть от морфоло­гических и гранулометрических характери­стик наполнителя (в том числе от плотности упаковки компонентов различной дисперсно­сти в смеси), ФМХ связующего и наполните­ля. Так, для частиц одного и того же типа на­полнителя, например распространенной сфе­рической формы, в полифракционной смеси отрывные напряжения будут различными для крупных и мелких зерен.

Непосредственно отрыв частиц напол­нителя от ГСВ происходит в том случае, когда напряжения достигают критических значе­ний, соизмеримых со значением его адгезии к связующему. Последняя является случайной величиной, имеющей некоторые пределы и подчиняющейся нормальному закону распре­деления [1]. Ее значение может быть оценено теоретически с использованием опытных ди­аграмм растяжения образцов СТТ [2]. Несмо­тря на то, что отрыв частиц наполнителя яв­ляется нежелательным процессом и приводит к увеличению удельной поверхности горения СТТ и росту ожидаемой скорости горения, избежать данного процесса для ряда высоко- наполненных СТТ в полной мере не удается. Этому способствует в целом применение высоконагруженных конструкций зарядов, рабо­тающих в широком температурном диапазоне -50...50 °С, а также использование в составе СТТ компонентов с низкой адгезией к связую­щему, например октогена. Влияние структур­ных изменений, происходящих в топливе при знакопеременных нагрузках, на баллистические и прочностные свойства должно учиты­ваться как при разработке рецептур СТТ, так и при проектировании конструкций зарядов [3, 4]. Акутальна задача понимания и прогно­зирования процесса отслоения наполнителя, а также дальнейшего учета его влияния на скорость горения топлива в изделиях [2, 3]. В этом плане понимание зависимости отрыв­ных напряжений от относительного размера частиц в смеси является шагом на пути к по­строению модели горения широко применяе­мых в практике полифракционных составов СТТ в условиях напряженно-деформирован­ного состояния (НДС).

Для оценки влияния относительного размера частиц полифракционной смеси на­полнителя на уровень отрывных напряжений на границе с ГСВ был смоделирован неболь­шой объем топлива, подверженный одноос­ному деформированию. Отмечается, что рас­смотрение одиночной частицы, окруженной полимером, нецелесообразно, поскольку та­кая модель не имитирует реальное распре­деление напряжений вокруг частицы. Объем представлял собой правильную бездефектную структуру СТТ, в которой все твердые части­цы наполнителя имели гладкую сферическую форму и были расположены в объеме связу­ющего равномерно. Для определенности за­даваемых ФМХ и относительных размеров фракций в качестве материала наполнителя был выбран распространенный вариант окис­лителя - перхлорат аммония с характерным диапазоном размеров частиц 165...700 мкм, соответствующим применяемым на практике средним и крупным фракциям [5]. В качестве ГСВ был выбран полидивинилизопреновый каучук с соответствующими ФМХ. В модели­руемой структуре СТТ расположение частиц наполнителя не хаотичное, а имеет ближний порядок, соответствующий плотной гексаго­нальной упаковке основной фракции напол­нителя [6]. Наиболее крупные зерна диаме­тром 700 мкм образуют трехмерную сетку, а более мелкие частицы с диаметрами 165 и 300 мкм размещены равномерно в свобод­ном объеме между крупными, как показа­но на рис. 1. Соотношение объемных долей крупной и мелкой фракции составило около 5:1. Значения минимальных толщин просло­ек связующего между соседними частицами приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Параметры моделируемой структуры СТТ

Диаметр частиц

D, мкм

Диаметр соседних частиц, мкм

Минимальная толщина Xmin прослойки ГСВ, мкм

Относительная толщина прослойки Xmin/D

700

700

35,0

0,050

300

700

17,5

0,058

165

700

17,5

0,106

 

Рис. 1. Модель полифракционного СТТ, одноосное растяжение вдоль Х

 

Объемная степень наполнения полимер­ной матрицы смоделированной структуры СТТ составила 51 %, что меньше степени напол­нения реального топлива (80-85 %), однако достаточно для решения поставленной задачи получения качественной оценки. Определение конкретных значений контактных напряжений (количественная оценка) для различных фрак­ций наполнителя СТТ не являлось целью дан­ного исследования и не может быть вычислено в применяемой модели.

Смоделированная структура топли­ва представляла собой ячейку размером 2,7x2,8x2,9 мм, вмещающую 167 частиц на­полнителя, в том числе 56 крупных частиц. Для создания одноосного НДС она была раз­мещена в центре полимерной матрицы ГСВ большего размера 10x10x10 мм, растягиваемой по оси Х на 10 % (см. рис. 1). При этом относи­тельная деформация выделенного объема СТТ составила 1,6 %. Задача решалась в статической постановке в комплексе конечно-элементного анализа ANSYS Mechanical. Для расчетной се­точной модели количество элементов составило 1 085 000, количество узлов - 1 705 000.

Результаты расчета максимального растя­гивающего главного напряжения σ1max, действу­ющего на отрыв твердой частицы от связую­щего, для представительной выборки частиц, находящихся в центральной части ячейки то­плива, приведены в табл. 2. Расположенные на периферии частицы наполнителя не учи­тывались.

 

Таблица 2

Результаты расчета напряжений

Обозначение частицы

Диаметр D, мкм

Относительный диаметр (D/D1)

σ1max, МПа

Среднее σ1max, МПа

D1 – 1

700

1,00

1,75

3,49

D1 – 2

2,14

D1 – 3

4,11

D1 – 4

3,84

D1 – 5

3,70

D1 – 6

5,40

D2 - 1

300

0,43

0,47

0,59

D2 - 2

0,84

D2 - 3

0,47

D3 – 1

165

0,24

0,17

 

D3 - 2

0,53

0,42

D3 – 3

0,55

 

На рис. 2 обозначены включенные в ана­лиз частицы и изображено распределение на­пряжений σ1 на сферических поверхностях раздела «наполнитель - ГСВ». Направления векторов главных напряжений на примере крупной частицы D1–1 показаны на рис. 3. Красным цветом обозначены векторы растя­гивающего напряжения σ1.

 

Рис. 2. Контрольная выборка частиц наполнителя, виды по осям X (а) и Z (б)

 

 

Рис. 3. Векторы главных напряжений на границе «наполнитель - ГСВ»

 

Из результатов расчета следует, что ве­личины максимальных напряжений, а так­же их средних значений в зонах концентрации (рис. 4), для смоделированной структуры СТТ существенно зависят от относительного размера частиц в смеси наполнителя.

 

Рис. 4. Распределение напряжений σ1max на границе «наполнитель - ГСВ»

 

По мере удаления рассматриваемой ча­стицы от центра выделенного объема СТТ к периферии уровень напряжений для частиц всех размеров возрастает, однако тенденция зависимости от относительных размеров сохра­няется. Можно сделать вывод, что при условии постоянства уровня адгезии между наполните­лем и связующим более крупные частицы сме­си будут отслаиваться от полимерного связую­щего при меньших значениях растягивающих деформаций СТТ. Однако для многообразия составов СТТ с различным соотношением и размером фракций наполнителя структура то­плива и поле напряжений будут отличаться от смоделированной. Например, для описанной выше модели с уменьшением объемной доли крупной фракции D1 (от 40 % и ниже) части­цы последней нельзя считать упакованными плотно. В этом случае роль определяющей максимальные отрывные напряжения может занять более мелкая, но плотно упакованная фракция. Если объемное содержание ни одной из фракций смеси не обеспечивает ее плот­ную упаковку (не высоконаполненные СТТ), без проведения соответствующих расчетов некорректно считать отрывные напряжения для самой крупной фракции превышающими таковые для мелких фракций. Возвращаясь к модели с максимально плотной упаковкой крупной фракции, необходимо отметить, что с увеличением объемной доли мелких частиц D2, D3 (от 10 % и выше) их плотность упаковки, очевидно, будет возрастать, как и контактные напряжения на границе с ГСВ. Однако в силу особенностей предельного наполнения СТТ [5] можно утверждать, что относительная толщина прослойки связующего (отношение ее абсолют­ной толщины к диаметру частицы) останет­ся выше значения, характерного для крупной фракции, а отрывные напряжения - ниже. 

При построении модели горения топли­ва, отражающей повышение скорости горения в условиях НДС изделия из высоконаполнен- ного СТТ, для частиц одного типа (химического состава) наполнителя в первую очередь следует учитывать увеличение удельной по­верхности горения за счет отслоения наиболее крупной фракции смеси, объемное содержание которой соответствует плотной упаковке. Ана­логично, в случае наличия в СТТ полидисперсных наполнителей разных типов с существен­но отличающейся адгезией к ГСВ, по каждому из них нужно учитывать возможное отслоение наиболее крупной фракции, содержащейся в количестве, обеспечивающем плотную упа­ковку частиц.

Список литературы

1. Langhenry M.T. The direct effects of strain on burning rates of composite solid propellants // AIAA 20th joint propulsion conference. June 11-13, 1984. Cincinnati, Ohio. URL: https:// doi.org/10.2514/6.1984-1436 (дата обращения 20.02.2018).

2. Рашковский С.А., Милёхин Ю.М., Ключников А.Н., Федорычев А.В. Влияние растяжения смесевого топлива на скорость его горения // Физика горения и взрыва. 2009. Т. 45. № 6. С. 48-56.

3. Яковина В.В., Малинин В.И. Учет деформации заряда твердого топлива при расчете внутрибаллистических параметров // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Аэрокосмическая техника. 2017. № 48. С. 16-25.

4. Кочнева Н.М., Гуляев А.В. Особенности прогнозирования прочностных свойств наполненных полимерных материалов // Вестник Нижегород. ун-та им. Н. И. Лобачевского. 2011. № 4. С. 1463-1465.

5. Ермилов А.С. Механика смесевых твердых ракетных топлив. Пермь: ПГТУ, 2005. 101 с.

6. Решетников С.М., Фролов В.М. Современные подходы к моделированию процесса горения смесевого твердого топлива // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 30. № 6. С. 1-25.


Об авторах

В. В. Яковина
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт полимерных материалов»
Россия


А. В. Гуляев
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт полимерных материалов»
Россия


В. И. Малинин
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия


Для цитирования:


Яковина В.В., Гуляев А.В., Малинин В.И. Влияние размера частиц наполнителя на отслоение при растяжении смесевого топлива. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(3):48-54.

For citation:


Yakovina V.V., Gulyaev A.V., Malinin V.I. The influence of the particle size of the filler on the detachment from the binder under composite fuel tension. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(3):48-54. (In Russ.)

Просмотров: 35


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)