题目：固体推进剂细观力学性能、热物理性质及燃烧数值仿真研究

固体火箭发动机的工作性能在很大程度上取决于固体推进剂的装药结构、力学性能及燃烧性质等。在固体火箭发动机的整个设计阶段，发动机的设计与推进剂配方的调整或研制是平行进行的，需要进行多次的协调，最后才能够设计出满足要求、性能良好的固体火箭发动机。发动机的研制从设计到定型需要大量的试验研究，往往耗资较多而且设计周期较长。因此，从细观尺度出发，通过建立反映固体推进剂真实微结构特征的细观模型，结合数值仿真技术较准确地预测固体推进剂的力学性能、热物理性质及燃烧性能，将对固体火箭发动机的研制有较大的理论意义及工程价值。论文以此为出发点，主要开展了以下工作：基于拉丁超立方抽样方法和分子动力学方法，给出了颗粒增强复合材料细观颗粒夹杂模型的计算流程，结合对CAE建模软件的二次开发，实现了颗粒增强复合材料二维和三维颗粒夹杂几何模型的建立。通过和文献中的颗粒堆积试验数据及仿真结果进行对比，验证了本文所采用的建模方法的合理性。基于有限元计算方法、细观均匀化方法和广义胡克定律，发展了一种可以有效预测颗粒增强复合材料等效弹性模量的计算方法。根据该方法分别对颗粒增强复合材料的三维和二维颗粒夹杂模型进行了计算。由于三维颗粒夹杂模型可以更真实的反映材料的微结构特征，因此预测结果与试验结果吻合良好；二维颗粒夹杂模型在计算时由于被假定为横向各向同性材料，忽略了纵向颗粒之间的相互影响，其预测结果明显小于试验结果。考虑到复合材料三维颗粒夹杂模型建模复杂，计算量大的原因，以颗粒夹杂和纤维夹杂单胞体预测结果的比值为修正系数，对二维颗粒夹杂模型的预测结果进行修正，修正结果与试验结果吻合良好。根据该修正方法对复合固体推进剂的松弛模量进行了预测，并讨论了颗粒填充体积分数的影响。计算结果表明：复合固体推进剂的粘弹性特性主要受基体材料的影响，颗粒的增强作用主要体现在瞬时模量E0上。对复合固体推进剂颗粒夹杂模型的损伤过程及其对复合固体推进剂宏观力学性能的影响进行了研究。通过对双悬臂梁模型开裂过程的计算，对比了基于表面粘接损伤的计算方法和基于粘结损伤单元的计算方法，说明可采用基于表面粘接损伤方法替代粘结损伤单元方法对复合固体推进剂损伤过程进行模拟。通过与文献中复合固体推进剂试件的拉伸试验结果进行对比，验证了基于表面粘接损伤方法的可行性。通过对Abaqus软件的二次开发，实现了颗粒夹杂模型中颗粒与基体之间界面损伤的批处理定义，并在此基础上对复合固体推进剂颗粒夹杂模型损伤的产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程进行了计算。结果表明：界面损伤参数及颗粒填充体积分数对复合固体推进剂的损伤过程及宏观力学性能都有较大的影响。基于对颗粒夹杂模型稳态和瞬态传热过程的有限元计算结果，结合细观均匀化理论和一维稳态、瞬态热传导理论，对颗粒增强复合材料的热物理性质进行有效预测。分别根据复合固体推进剂三维颗粒夹杂模型和二维颗粒夹杂模型的稳态热传导计算结果及一维稳态热传导理论，预测了AP (高氯酸铵)颗粒填充体积分数不同时复合固体推进剂的导热系数。计算结果表明：由于在颗粒夹杂模型的传热过程中，纵向颗粒之间的相互影响对整个计算模型的平均温度和平均热流密度的影响比较小，因此二维颗粒夹杂模型的预测结果与三维颗粒夹杂的预测结果非常接近。采用基于二维颗粒夹杂模型瞬态热传导过程的计算方法有效预测了AP颗粒体积分数不同时复合固体推进剂的导热系数和比热。将本文预测的复合固体推进剂导热系数与伊利诺斯大学自主开发的软件MUDPACK的计算结果进行比较，发现结果吻合良好，说明了本文所采用的计算方法的合理性。采用基于二维颗粒夹杂模型瞬态热传导过程的计算方法，对三相(AP/Al/HTPB)复合固体推进剂的导热系数及比热进行计算及分析，并讨论Al(铝)颗粒体积分数的影响。基于BDP多火焰燃烧模型，采用简化的化学反应动力学机制，通过修改气相控制方程的源项，并结合固相导热及界面退移的相关理论，实现细观尺度上复合固体推进剂三明治夹杂模型稳态燃烧的计算过程；讨论了两步化学反应和三步化学反应对复合固体推进剂三明治夹杂模型稳态燃烧过程的影响以及环境压强的影响。结果表明：由于初扩散火焰化学反应放热量大，而且紧贴在AP固相表面，因此对表面退移速率影响较大，使得AP燃面形状与两步化学反应的计算结果差别较大；压强的改变直接影响了化学反应速率，因此对化学反应区域及固相表面退移速率影响都比较大。