[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

说明书

本发明公开一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法。以特征单元密度与推进剂密度相等为前提，特征单元特点为：单元中各级填料数量比与实际推进剂中各级填料数量比相同、且最少一级填料数量为1。构建方法为：S1根据单位体积推进剂中填料构成，确定特征单元中各级填料的粒径和数量；S2由特征单元密度与推进剂密度相等的条件，确定特征单元体积；S3取某一粒径为分界点，将填料颗粒分为粗颗粒和细颗粒两类；S4在特征单元内，搜索互不相交且均匀分散的粗颗粒堆积结构；S5将细颗粒填充至粗颗粒形成的堆积结构间隙，构建填料堆积结构特征单元。本发明可反映实际推进剂粒度级配和密度，且颗粒分布较均匀、适用的填料体积分数范围较宽。

技术领域

本发明涉及颗粒增强复合材料性能数值模拟技术领域，尤其是一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法。

背景技术

复合固体推进剂是一种颗粒填充的聚合物基复合材料。为提高推进剂颗粒填充密度、优化推进剂制备工艺性能、达到一定的燃速指标，复合固体推进剂填料通常采用由多粒度级配的氧化剂(通常为高氯酸铵，AP)和一定粒度金属燃料(通常为铝粉，Al)构成的多粒度组合。经过填料与基体充分混合、推进剂固化成型等工艺流程，在固化后的推进剂基体中，填料颗粒呈现为宏观均匀分布、微观随机堆积的堆积结构。填料颗粒粒度级配及颗粒堆积结构直接影响推进剂的燃面结构及应力分布状态，进而影响推进剂燃烧性能及力学性能。

采用数值模拟方法预估上述推进剂性能时，建立可反映真实推进剂中填料堆积结构的特征单元是首要前提。在填料各级粒径、数量与真实推进剂一致的前提下，填料堆积结构特征单元是真实推进剂中所有可能填料随机堆积结构的一种，但特征单元的体积平均性质(例如特征单元平均密度)与宏观推进剂一致。

通常推进剂用AP颗粒的平均粒径约为250～425μm(Ⅰ类AP)、180～250μm(Ⅱ类AP)、106～150μm(Ⅲ类AP)，而铝粉颗粒的平均粒径仅为12μm左右，超细AP粒径更是在10μm以下。真实推进剂配方中，各级颗粒数量差异最大可达到4个量级。

在特征单元密度与真实推进剂密度相等的前提下，随计算单元扩大，单元中颗粒数量总量陡增。因此，构建的填料堆积结构特征单元还应兼顾计算平台处理能力，控制计算规模在合理范围。对于给定的推进剂配方，即在填料粒度级配中各级颗粒粒径及体积分数确定的前提下，各级颗粒的数量比大致确定。在保持填料各级颗粒数量比不变的前提下，当特征单元中数量最少的颗粒(在AP/Al/HTPB推进剂中通常为粒径最大的颗粒)数量为1时，特征单元内的颗粒总量最少。

目前，传统的复合固体推进剂填料堆积结构单元构建方法中，填料堆积微结构通常仅作示意性建模。为减小计算量，细小且大量的细AP或铝粉颗粒被视为与基体均质，但细粒度填料(尤其是超细AP)对推进剂燃速影响很大。因此，传统的复合固体推进剂填料堆积结构单元既没有反映推进剂的真实粒度级配，也会使推进剂燃烧性能和力学性能预估带来较大的偏差。

此外，传统的复合固体推进剂填料堆积结构单元构建方法中，全部颗粒的最终位置均无差别地由随机初始状态决定。对于本发明提出的特征单元，由于特征单元中大颗粒数量较少，采用传统算法生成填料堆积结构时，数量较少的大颗粒极可能出现一定程度的集聚或分散，与填料在基体中均匀分散的实际情况存在偏差。

发明内容

本发明提供一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，用于克服现有技术中将细小且大量的超细AP或铝粉颗粒视为基体，导致填料堆积结构与实际推进剂存在较大偏差的缺陷，构建了与实际推进剂密度相等、各级填料的粒径与真实推进剂各级填料的粒径一致且体积分数接近、计算规模较小、在单元中填料随机均匀分布的推进剂填料堆积结构特征单元。

为实现上述目的，本发明提出一种复合固体推进剂填料堆积结构特征单元的构建方法，包括以下步骤：