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Pruebas de propiedades mecánicas y modelado numérico y simulaciones de una cubierta de boquilla de poliestireno expandido

Jianyong Jiang ¹, Zhixuan Zhang ¹, Jian Zheng ¹

⁰Key Laboratory of Special Engine Technology, Ministry of Education, School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China.

Materials (basel, Switzerland) +

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28 de agosto de 2025

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Resumen

Las cubiertas de boquilla de poliestireno expandible (EPS) ofrecen una alternativa ligera y desmontable al metal. Este estudio optimiza el diseño de la cubierta de la boquilla de EPS, lo que demuestra su excelente capacidad de soporte de presión, que aumenta con el grosor.

Área De La Ciencia

Ciencias de los materiales
Ingeniería mecánica
Ingeniería Aeroespacial

Sus Antecedentes

Las cubiertas de boquillas metálicas tradicionales en motores de cohetes sólidos se enfrentan a limitaciones.
El poliestireno expandible (EPS) ofrece propiedades mecánicas superiores, diseño ligero y resistencia a la ablación.
Las cubiertas de boquillas de EPS requieren un diseño de ingeniería sistemático y una optimización del rendimiento para aplicaciones de motores de cohetes sólidos.

Objetivo Del Estudio

Establecer una base teórica para el diseño de ingeniería y la optimización del rendimiento de las cubiertas de boquillas de EPS.
Para investigar la capacidad de resistencia a la presión de las cubiertas de boquilla de EPS con diferentes espesores bajo carga lineal.
Validar los diseños de las cubiertas de boquillas de EPS en función de las condiciones prácticas.

Principales Métodos

Se realizaron pruebas de tracción, compresión y corte casi estáticas en los materiales de EPS para obtener curvas de tensión-deformación, módulo elástico y resistencia al rendimiento.
Se ajustó y modificó un modelo constitutivo para el material EPS basado en datos experimentales.
El análisis de elementos finitos utilizando ABAQUS, con una subrutina VUMAT para las propiedades del material, se empleó para simular el comportamiento mecánico.

Principales Resultados

Los diseños de cubiertas de boquillas de EPS basados en dos esquemas de asignación de modelos de materiales demostraron una mejor alineación con las condiciones prácticas.
La aplicabilidad de la teoría del corte de placas circulares de paredes delgadas está limitada para las cubiertas de boquillas de EPS de más de 3 mm de espesor.
Las cubiertas de boquilla de EPS exhiben una capacidad de soporte de presión significativa, correlacionada positivamente con el grosor del extremo, que alcanza 7,58 MPa con un grosor de 9 mm bajo presión interna.

Conclusiones

Las cubiertas de boquilla de EPS proporcionan una excelente capacidad de soporte de presión y rendimiento, adecuadas para aplicaciones de motores de cohetes sólidos.
La optimización del diseño debe tener en cuenta la correlación positiva entre el grosor del extremo y la capacidad de soporte de presión.
La resistencia a la presión interna de las cubiertas de boquilla de EPS es sustancialmente mayor que la resistencia a la presión externa, especialmente con un mayor espesor.

Palabras clave:

El subprograma VUMAT Modelo de constitución Polistireno expandible (EPS) Propiedades mecánicas cubierta de la boquilla Simulación numérica

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