[发明专利]一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法

权利要求书

1.一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：依据复合固体推进剂配方，获得推进剂填料粒度级配中各级填料颗粒的粒径及体积分数，计算单位体积推进剂中各级填料颗粒的数量；定义推进剂填料堆积结构特征单元为：含周期性边界的正方体，特征单元中各级填料颗粒粒径等于复合固体推进剂中各级填料颗粒粒径、各级填料颗粒数量等于单位体积复合固体推进剂中各级填料颗粒的最小整数数量集；

S2：在特征单元平均密度等于复合固体推进剂密度的前提下，确定特征单元体积及边长；

S3：综合考虑特征单元中各级填料颗粒的粒径和数量，选取某一粒径值为分界点，将填料颗粒分为粗颗粒和细颗粒两类；

S4：针对粗颗粒填料，采用遗传算法，在特征单元内搜索互不相交且均匀分散的粗颗粒填料堆积结构，即获得所有粗颗粒的坐标位置；

S5：针对细颗粒填料，采用L-S算法，将细颗粒填充至步骤S4确定的粗颗粒填料堆积结构的间隙，构建复合固体推进剂填料堆积结构特征单元。

2.如权利要求1所述的一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：设各级填料为球形颗粒，依据复合固体推进剂配方中各级填料颗粒的粒径及其在复合固体推进剂中的体积分数，计算得到单位体积复合固体推进剂内各级填料颗粒的数量；

S12：将单位体积复合固体推进剂内各级填料颗粒的数量值依次除以其中数量最少一级颗粒的数量值，取整，得到单位体积复合固体推进剂内各级颗粒的最小整数数量集，所述最小整数数量集内数量最少颗粒的数量值为1；

S13：取特征单元内各级填料颗粒的粒径为复合固体推进剂配方中填料颗粒粒径，取各级填料颗粒的数量集为S12得到的最小整数数量集。

3.如权利要求1所述的一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

基于S11～S13获得的特征单元中各级填料颗粒的粒径及数量，取特征单元中非填料部分为基体，以特征单元平均密度等于复合固体推进剂平均密度为条件，计算获得正方体特征单元的边长L和体积。

4.如权利要求1所述的一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：针对数量为1的粗颗粒，固定其球心位置于特征单元几何中心(0，0，0)；其余粗颗粒的球心位置在x、y、z三个方向的坐标分别取为[-L/2,L/2]间的随机数；任一组粗颗粒的粒径及球心位置组合唯一地对应一种粗颗粒堆积结构；

S42：基于步骤S41随机生成的粗颗粒堆积结构，检测粗颗粒间是否满足两两互不相交；

S43：基于步骤S41随机生成的粗颗粒堆积结构，结合步骤S42获得的颗粒相交性判定结果，以粗颗粒粒径R、粗颗粒球心位置、特征单元边长L为自变量，构建评价颗粒分布离散程度和相交性的函数F：

式中，Nc为粗颗粒总数；i和j分别指任意两个不同粗颗粒；R为粗颗粒粒径；△x_i,j,△y_i,j和△z_i,j分别为在x、y、z三个方向，粗颗粒i和粗颗粒j的球心距；L为特征单元边长；PV为对于颗粒间存在相交堆积结构的惩罚函数；

S44：采用遗传算法，以若干组随机生成的粗颗粒堆积结构为初始解，搜索所有可能的粗颗粒堆积结构中，颗粒最均匀分散且颗粒间互不相交的一种粗颗粒堆积结构，获得此时特征单元中各个粗颗粒的球心坐标位置。

5.如权利要求1所述的一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

S51：基于步骤S4确定的粗颗粒位置，将细颗粒初始化为半径为零的几何点，细颗粒初始位置取为在特征单元内未被粗颗粒占据的随机位置，细颗粒初始速度取为[-L/2,L/2]之间的随机值，粗颗粒速度恒为零；

S52：在粗颗粒堆积结构间隙，细颗粒以给定的速度直线运动；运动过程中，若发生细颗粒间碰撞，则依据动量守恒和能量守恒，更新碰撞后两个细颗粒的速度；若发生粗-细颗粒间的碰撞，则依据细颗粒在粗颗粒表面被反弹，粗颗粒始终静止，更新细颗粒运动速度；

S53：在颗粒运动和碰撞过程中，全部细颗粒半径随时间同步增加，各个细颗粒的半径增长速度之比与其各自在复合固体推进剂配方中的半径之比相等；当特征单元中全部颗粒的体积分数总和达到复合固体推进剂配方中的颗粒体积分数时，完成填料堆积结构特征单元的构建。