Analysis of structural deformation and damage in accelerated aging NEPE propellant grain

NING Yuhao; LI Yonghua; QIAN Gui’an; LIU Xiaohan; SUN Jianjun; WU Guoqing; SUN Jingyu

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.008

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Analysis of structural deformation and damage in accelerated aging NEPE propellant grain

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Analysis of structural deformation and damage in accelerated aging NEPE propellant grain
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 67-74(2026)
- 作者机构：
  
  1.大连交通大学詹天佑学院（中车学院），大连 116028］
  2.中国科学院力学研究所，北京 100190
  3.内蒙合成化工研究所，呼和浩特 010010
- 作者简介：
  
  NING Yuhao, E-mail: yuhaoning0907@163.com
- 基金信息：
  
  Transverse Project of Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences (Research on Simulation of Cumulation of Cumulative Damage Behavior Mechanism of Propellant and Interface Under Typical Load and Establishment of Constitutive Model)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.008
  CLC： V512
- Received：13 October 2024，
  
  Revised：2025-01-14，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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宁玉豪，李永华，钱桂安，等. 加速老化NEPE推进剂药柱结构变形损伤分析［J］. 机械强度，2026，48（7）：67-74.

Ning Yuhao，Li Yonghua，Qian Gui’an，et al. Analysis of structural deformation and damage in accelerated aging NEPE propellant grain［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：67-74.
宁玉豪，李永华，钱桂安，等. 加速老化NEPE推进剂药柱结构变形损伤分析［J］. 机械强度，2026，48（7）：67-74. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.008.

Ning Yuhao，Li Yonghua，Qian Gui’an，et al. Analysis of structural deformation and damage in accelerated aging NEPE propellant grain［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：67-74. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.008.

摘要

目的

针对硝酸酯增塑的聚醚聚氨酯（Nitrate Ester Plasticized Polyether

NEPE）推进剂药柱在长期贮存及点火载荷作用下易受老化状态、温度环境和几何结构参数共同影响的问题，研究热加速老化及药柱几何结构对贮存与点火工况下NEPE推进剂药柱力学响应的影响规律。

方法

首先，采用恒温箱对NEPE推进剂开展25天热加速老化试验，并在-40、23、70 ℃下进行单轴拉伸试验；然后，基于Wiechert黏弹性本构模型对不同老化状态和温度条件下的材料参数进行标定，分析热老化对推进剂力学性能的影响。最后，开发典型药柱结构参数化建模插件，建立药柱有限元模型，开展老化前、后药柱在贮存及点火工况下的仿真计算，进一步分析星角数、星尖圆弧半径和角分数等几何参数对药柱应变分布的影响。

结果

试验结果表明，热老化会导致NEPE推进剂抗拉强度、弹性模量降低，应变率敏感性减弱。仿真结果表明，贮存工况下老化后药柱应变主要集中于顶部星尖圆弧区域，增加星角数可改善药柱应变分布；点火工况下，与未老化药柱相比，老化后药柱在-40、23、70 ℃下最大应变分别升高20.33%、137.50%、162.13%。星尖圆弧半径由2 mm增加至5 mm时，不同老化状态药柱在各温度下的最大应变平均降低31.53%、26.05%、24.57%；角分数由0.70增加至0.95时，不同老化状态药柱在各温度下的最大应变平均提高36.21%、46.51%、48.05%，研究为NEPE推进剂药柱结构设计、贮存安全评估及点火工况变形损伤分析提供参考。

Abstract

Objective

To investigate the effects of accelerated thermal aging and grain geometry on the mechanical response of nitrate ester plasticized polyether (NEPE) propellant grains under storage and ignition conditions

the influences of aging state

temperature

and structural parameters on the strain behavior of NEPE propellant grains were studied.

Methods

NEPE propellant was subjected to accelerated aging in a constant-temperature chamber for 25 days

and uniaxial tensile tests were conducted at -40

and 70 ℃. Based on the Wiechert viscoelastic constitutive model

material parameters under different aging states and temperature conditions were calibrated using experimental data

and the effects of thermal aging on the mechanical properties of NEPE propellant were analyzed. Furthermore

a parametric modeling plug-in for typical grain structures was developed

and finite element models of grains were established. Numerical simulations were performed for the grains before and after aging under storage and ignition conditions. The effects of the number of star points

star-tip fillet radius

and angle fraction on the strain distribution of the grains were investigated.

Results

The results show that thermal aging reduces the tensile strength and elastic modulus of NEPE propellant and weakens its strain-rate sensitivity. Under storage conditions

the strain of the aged grain is mainly concentrated in the top star-tip fillet region

and increasing the number of star points can improve the strain distribution. Under ignition conditions

compared with the unaged grain

the maximum strain of the aged grain increases by approximately 20.33%

137.50%

and 162.13% at -40

and 70 ℃

respectively. When the star-tip fillet radius increases from 2 mm to 5 mm

the average maximum strain of grains with different aging states decreases by 31.53%

26.05%

and 24.57%

respectively. When the angle fraction increases from 0.70 to 0.95

the corresponding average maximum strain increases by 36.21%

46.51%

and 48.05%

respectively. The results provide a reference for structural design

storage safety assessment

and deformation-damage analysis of NEPE propellant grains under ignition conditions.

关键词

Keywords

references

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