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1、第24卷第5期计算机仿真2007年5月 文意编号:16俨9348(2007)05-，21 -04 复合固体推进剂细观力学模型研究 史佩李高春李某2 ( 1海雪在航空工程学院训练部，山东烟台264001;2海率航空工程学院飞行苦苦工程系，山东烟台2641) 摘要:为了建立复合阁体推进剂的细观力学模型，首f婆的问题是建立一个能够真实描述推进剂细观形态结构的颗粒填充模 裂。文中将推进剂辛苦作是颗粒j在体组成的复合材料，详细地给出了应用分子动力学生成推进剂果真较填充模型的方法，得 到了推进剂颗粒在基体小随机分布的颗粒填充模型。在此基础上，采用细观有限元方法进行了分析，获得了推进剂颗粒与 主主体内的应力
2、分布情况。研究表明:分子动力学方法可以有效地处成推进剂的细观颗粒填充模裂，在此葱础上进行的细观 力学分析可以有效地考虑回体推进剂细观结构对其力学性能的影响。 关键诩:复合闭体推进翔U;分子动力学方法;细观形态;数值模拟 中图分3挂号:TJ765.4+3 文献栋识码:日 Micromechanical Models for Composite Propellant SHI Pei1 ,LI Gao -chun2 ,LI Hao2 (1. Training Department of NA凹，Yantai Shandong 264001 ,Chna; 2. Department of Aircra
3、ft Engineering, NAEI, Yantai Shandong却4001 , Chna ) ABSTRACT: ln order to develop the micromechanical model of propellant, characteristics of the heterogeneous mi翩 crostructure are very important. 11 this paper the random distribution packing models of filler in the binder of compos- ite propellant
4、were generated by regarding the propellanl as a composite offiller and binder.le generation pr制!essis based on the Molecular Dynamics (MD) method. The generated packing models were then analyzed by finite element method and the stress distribution in different constituents of composite propellant wa
5、s obtained. The results showed that the MD method can generate the microstructure of propellant effectively and the micromechanical analysis can consider the effect of micTOi电tructureon the mechanical properties of propeUant. KEYWORDS: Composte propellant; Molecular dynamics method; Micromechanical
6、morphology; Numerical simula- tlOn 1号l曹 推进剂作为一种工程材料，在航空航天中得到广眨的应 用。以往有关推进剂的研究大多基于对推进剂材料宏观性 能的认识，其主要特点是将推进刑理想化为均脆的粘弹性材 料123这种简化尽管在一定程度上满足工程结构分析的 需要，但难以用这种方法分析推进剂细观组成对推进剂力学 性能的影响。实际上，推进剂的力学性能与推进剂的细观形 态结构有非常密切的联系，推进剂颗粒的大小、形状对推进 剂力学性能有很大的影响。目前，国外已经开始注意到从推 进剂细观居吹出发研究推进刑力学性能的许多特点，并进行 了些探索列问678J 为了分析推进剂细观结
7、构对推进剂力学性能的影响，首 要的问题是建立一个能够真实描述推进剂形态结构的颗粒， 收稿日朔:须知6-03 -28 修回日期:2006-04 -10 填充模型。由于推进剂内部细观结构难以通过常规试验方 法观测，通常借用数值方法进行模拟。目前，常用两类颗粒 填充算法方法生成颗粒填充模珉，一是分子动力学模拟方 法，二是Monte-carlo方法。分子动力学方法自Lubachev sky9刚首先提出以后，由于其适用性比较强，得到迅速发 展。KnotIIJ成功地将这一方法m.用到复合阳体推进剂系统 中，建立了四体推进剂的颗粒填充模型。Kochevets川在此 基础上进行了优化。本文借用上述分子动力学方
8、法生成了 不同体积分散的颗粒填充模型，并在此基础上进行了细观有 限元方法分析，给出了推进剂的细观结构以及数值模拟结 果。 2 基*原理 分子动力学算法的葱本思想是:首先，采用了Monte 口arlo方措将固体推进荆的颗粒随机地分布在计算区域中，建 立任意分布的推进荆细观初始构型。然后，赋予颗粒叫个随 21 机的速度，采用碰撞算法进行分子动力学模拟。分子在运动 过程巾，颗粒的直径速渐增大，并发生碰攘，这过程一直进 行，直到最后颗粒的填充体积分数等于所要求的体积分数， 如阁l所示。 图1采用分子动力模拟建立颗糙填充方法 为此，首先需要给出每个颗粒的初始位置、大小和速 度。考虑到推进剂颗粒在慕体内随
9、机分布，颗粒的初始位景 和初始速度由伪随机发生器随机产生。这样，每一个颗粒都 有其状态变量: 5(t) := (Ri(t)，以t) i:= 1,N (1) 这里Ri(t)，vi(t)分别是t时刻颗粒的中心位置和运动 速度。 为了使初始时刻颗粒不产生重盘，假定颗粒的初始直径 为0，每个颗粒i被指定一个与其最终直径di成正比的钱。性 增长率。A。这样，颗粒在t时刻的直枉为di(t) = aJo 3 碰撞时间计算12 -1王建立颗粒填充材料的初始构型，由于体系内的颗粒 随机运动，就可能发生碰撞，碰撞后，颗粒的速度将发生变 化，在分子动力学计算市，下个步骤就是找出这些颗粒将 发生碰撞的最短时间。 对于
10、体系中的两个颗粒i山其直径为d，时，鸽口时， 位置分别为代和尺，速度为飞和飞。 在t+ L1t时刻，如果颗粒状态变道满足方程(2)，则两颗 粒发生碰撞: 1 Ri +飞L1t-Rj叫飞L1t1 士ai (t叶t)+ aj (t + L1t) (2) 上式可以简化为: r (ai + ai) , ., 1 R + VL1tJ 2叫一王(t+ L1t) I ( 3 ) 这果:R= R-Rj和V;:Vi 飞分别是颗粒i与颗粒j;之 间的相对位置和速度。由(3)式得到关于血的一元二次函 数: AL1t2 + 2BL1t + C = 0 ( 4 ) 这里: 2(咛fI ;: (V V)叩a 2 (ai
11、+ 口1 、(d; + dJ B = (R V)叩l一i jl H iLL) = (R V) -ad, 22 C =1 R 12 (R R) (2 -2 当B: (R V)击时0时，说明两个颗粒7I相远离，不 叮能发生碰攘。这样，只有B 1. 0，一2.0，如果;6. 190 - 223 8 J S W Park. F racture Toughness F or Micr，配rackingin a Viscoeastic- Particuate Composite J J. lournal of Engineering Mechanics 1999. 722 -725. 1995.1942
12、-1948 2 李智，郑晓.粒子群算法在农业工程优化设计中的应用J. 农业工程学报，24，20(3):15 -18 3 H F哈尔姆斯，张其善译.序率理论基础与应用M.北京:人 民邮电出版社，1980. 4 玉能超.Walsh函数的演化生成J.中国图像图形学报， 1996,1(3) :231. 5 冯春，谢进，李柏林，陈永.混沌优化算法的研究J.机械设 计与研究.24,20( 1) :304 - 306. 6 张琳，王建华，朱志宇.一种混沌遗传混合算法及其在机动多 目标数据关联中的应用J.华东船舶工业学院学报(自然科 学版)，25，19(1): 50-53. 7 吕振肃，志荣.自适应变异的粒子
13、群优化算法1.电子学报， 2间，32(3):16 -420. 8 单梁，强浩，李军，王执锥.于Tent映射的混沌优化算法1. 制与决策，25，20(2):79 -182. 9 杨俊杰，周建中，喻普，吴琦.基于混沌搜索的粒子群优化算法 1.计算机工程与应用，25，16:69-71. 作者简介 李海楠(1979.8斗，女汉族)，山西朔州人，在读 硕士研究生，研究方向:人工智能; 张学良(1964.3-)，男(汉族)，山西新络人，博士 生导师，教授，研究方向:人工智能，结合面，有限元 等; 温淑花(1972.6-)，女(汉族)，山西新络人，教授，研究方向:人工 智能，数控机床，机制工艺等。 9J B
14、 D L血chevsky.Geome回cProperties of Random Disk Pickings J. Joun凶。，fStatistical Physics vo.(6/5) 1990. 561 - 583. 10 J B D Luhachevsky. Disks vs. Spheres: Contrasting Properti四of Random Packing J. Iournal of Statistical Physics vol. 64 1991. 501 -624. 11 G M Knot, et al. Random Packi吨r 川J川.AIAA Journa
15、l, 2侧，39(4):678 -686. 12 S V Kochevets. Random Sphere Packing Mode of Heterogeneous PropeUants D . D盹m时11刊ne阳es盹Un加Jni圳川.i忖阳v阳e臼rsit可yof Illinois at Urbana - Champaign, 2)2. 作者简介 史佩(l971-)，男(汉族).甘肃兰州人，讲师，硕 士.主要研究方向:复合固体推进剂损伤和断裂; 李商奏(1978斗，男(汉族)，浙江临海人，博士生， 唱主要研究方向固体推进剂多尺度模型; 李臭(1978呵)，男(汉族)，安徽安庆人，博士生， 主要研究方向推进剂损伤。 一161一