引言
固体火箭发动机因其结构简单、可靠性高、快速响应操作，在运载火箭及其他航空航天推进系统中得到广泛应用[1], [2], [3], [4]。推进剂药柱的结构完整性对发动机稳定运行、推进可靠性和任务安全至关重要。在药柱制造过程中，反应放热、热传递不均匀、化学收缩、热收缩、粘弹性松弛以及发动机壳体约束同时发生作用，产生复杂且空间非均匀的残余应力[5], [6]。在大推力固体火箭发动机中，药柱尺寸增大和强烈的壳体-药柱约束会进一步加剧固化、冷却和泄压过程中残余应力的积累和重新分布。过大的残余应力可能在发动机投入使用前促进局部应力集中、界面脱粘、孔隙生长和裂纹萌生，从而降低其贮存可靠性和使用安全性。因此，理解并控制固化诱导的残余应力对于提高大型固体火箭发动机药柱的制造质量和结构可靠性至关重要。
加压固化是一种有效的制造工艺，可提高推进剂药柱的致密度、增强界面粘接并减少残余应力[7]。在此过程中，对未固化的推进剂浆料施加压力，导致发动机壳体产生弹性膨胀[8]。固化后，进行受控冷却和泄压，在此过程中壳体的弹性回复可部分补偿推进剂的化学收缩和热收缩[9], [10], [11], [12], [13]。这种补偿效应有助于减少拉应力集中并改善壳体、绝缘层、内衬和推进剂之间的粘接状态。与常压固化相比，加压固化可缓解热应力集中和界面脱粘，从而提高药柱的结构完整性和使用寿命[14], [15], [16], [17], [18]。然而，最终的残余应力状态不仅取决于施加的压力本身，还取决于固化、冷却和泄压全过程中温度、压力、收缩和壳体变形的协同演变。
关于固体推进剂药柱加压固化和残余应力控制的研究已逐步从本构建模发展到变形预测和多物理场耦合仿真。早期研究建立了压力固化推进剂的粘弹性本构描述，并证明了有限元分析在固体推进剂药柱成型行为研究中的适用性[19]。在此基础上，发展了基于连续介质力学的应变预测方法，用于描述压力固化过程中药柱的变形并支持对固化压力效应的分析[20]。随着对固化引起的热效应和化学效应关注度的提高，后续研究将固化反应动力学、热传导、固化收缩和粘弹性力学行为纳入耦合数值框架，实现了固化及冷却过程中温度演变、固化度分布和残余应力形成的更详细模拟[21], [22]。这些研究共同为理解残余应力形成和提高固体推进剂药柱的制造质量奠定了重要的理论和方法论基础[23], [24]。
然而，仍有若干关键问题尚未解决。首先，现有许多研究集中在HTPB推进剂或一般固体推进剂系统，而硝化酯增塑聚醚（NEPE）推进剂具有独特的固化行为、热响应和力学特性[25], [26]。因此，NEPE推进剂药柱在加压固化下的残余应力演变机制仍需进一步研究。其次，以往的优化研究往往只考虑单因素效应或有限的工艺参数组合，如固化压力、冷却速率或壳体厚度[27], [28], [29]。然而，在实际加压固化中，残余应力受固化温度、固化压力、冷却速率和泄压速率的综合作用控制[30], [31], [32], [33]。温度与压力的相互作用尤为重要，因为它同时影响固化动力学、反应热积累、体积收缩、壳体变形和应力松弛[34], [35], [36], [37], [38], [39]。第三，尽管数值模型已被广泛应用，但其工程可靠性仍依赖于多层面的充分验证，包括壳体变形、固化演变和最终药柱几何形状[40], [41], [42]。
为弥补上述不足，本研究开发了一种用于NEPE推进剂药柱加压固化的全耦合热-化学-粘弹性有限元模型。该模型纳入了固化反应动力学、反应放热、热传导、固化收缩、温度依赖的力学响应和压力引起的壳体变形。为提高仿真方法的可信度，通过压力引起的壳体变形测量、储能模量和固化度对比以及Φ480 mm发动机药柱内孔直径测量对模型进行了验证。基于验证后的模型，利用Box-Behnken设计与响应面法（RSM）系统地研究了固化温度、固化压力、冷却速率和泄压速率对残余应力演变的影响。本研究的目标为：(1) 阐明NEPE推进剂药柱中控制残余应力演变的温度-压力耦合机制；(2) 确定主导工艺参数及其交互效应；(3) 获得优化的加压固化参数组合，以降低残余应力并提高NEPE推进剂药柱的结构可靠性。
