固体发动机点火过程的药柱结构完整性一直是固体导弹的设计和使用部门最关心的考核部分。固体推进剂不仅对温度和应变率敏感,也对压力极为敏感,近年来推进剂在常压下进行力学性能试验满足使用要求而在发动机热试或者导弹发射时结构完整性问题频发的现象,已成为推进剂力学性能研究的难点问题。对于贴壁浇注的固体发动机,在点火过程中推进剂处于围压状态。因此,准确评估固体发动机在围压下的力学响应特征将尤为重要。本文以复合推进剂的力学性能为研究对象,开发研制了气压式推进剂围压加载试验系统,通过自研的推进剂围压加载试验系统对推进剂在围压下的力学响应特性进行了深入研究,提出了考虑围压和“脱湿”效应的率相关非线性本构模型,并通过将其三维数值离散,基于商业有限元软件的二次开发用于发动机药柱的结构完整性分析工作。主要的研究内容如下:发现了宽温和宽应变率下推进剂的应力-应变响应规律,揭示了推进剂率相关“脱湿”损伤和“双峰”现象的内在机理。通过推进剂在不同温度和应变率下的单轴定速拉伸试验数据,发现了推进剂在拉伸过程中的率相关“脱湿”损伤规律和特征,特别是在常温和低温下,以较高速率拉伸时出现的“双峰”现象。基于“分子动力学+有限元+内聚力模型”的方法建立了有限元细观计算模型,对推进剂界面的率相关“脱湿”损伤进行了仿真计算,发现损伤界面的数量和界面的损伤程度均会对推进剂的力学响应特征产生影响,基于试验现象和损伤机理预示了推进剂的率相关应力-应变响应规律。提出了推进剂围压加载试验装置的设计方案,发明了“气压式”宽温、宽应变率推进剂围压加载试验系统。通过围压加载试验系统的技术指标估算,提出了“气压式”围压加载试验系统的初步设计方案,并针对系统设计过程中需要解决的关键技术问题,详细阐释了围压试验系统的设计、装配和调试过程。搭建的围压试验系统充分考虑了固体发动机的超常使用环境,以目标环境温度、压强和应变率三要素为主要参数指标,研制的“气压式”宽温、宽应变率围压加载试验系统重复试验一致性好、稳定性高,可以用于粘弹性材料在围压下的力学性能研究。获得了复合推进剂在围压下的力学响应特征和规律,揭示了推进剂在围压下的损伤和破坏机理。通过推进剂在不同围压、温度和应变率下的单轴定速拉伸试验数据,发现围压会抑制推进剂的“脱湿”损伤,应力-应变曲线上没有明显的“脱湿”点。通过基于界面提取的损伤机理分析方法对比常压和围压下推进剂的损伤界面,发现围压下推进剂的损伤界面较常压下明显减少。借助细观力学仿真和电镜扫描试验,发现随着围压的增大,推进剂的细观损伤形式逐渐由以颗粒“脱湿”为主转变为以颗粒破碎为主。在围压下颗粒之间的相互挤压导致粒径较大的颗粒相继破碎,基体和剩下的颗粒因为整体刚度太弱而无法抵抗施加载荷的持续作用,刚度的骤降最终导致推进剂突然断裂。围压下推进剂的力学性能对推进剂细观组分中AP颗粒的大小和总体比例较为敏感。针对围压下推进剂的力学响应特征,建立了考虑围压和“脱湿”效应的推进剂率相关非线性本构模型。基于改进的朱-王-唐非线性粘弹本构方程,建立了考虑围压和“脱湿”效应的率相关非线性本构模型,根据常压和围压下推进剂的单轴拉伸试验数据,引入了基于应力差值的分段拟合方法获取了本构模型的参数,并通过不同围压和应变率下推进剂的单轴拉伸试验数据对本构模型进行了验证。拟合得到的应力-应变曲线规律与试验数据一致性好,可以较为准确的模拟推进剂在不同围压下加载的率相关力学响应特征。基于本构模型的三维数值离散和商业有限元软件二次开发,分析了发动机点火增压过程中药柱的结构完整性。通过将建立的推进剂非线性本构模型进行三维数值离散,借助Abaqus的二次开发功能通过UMAT接口将其与Abaqus的求解器关联,分析了发动机在点火增压过程中的结构完整性。有限元计算结果表明数值离散后的推进剂本构模型很好地体现了推进剂在发动机点火增压过程中的率相关和围压相关力学响应特征,发动机药柱过渡段环向的拉应变很可能是导致点火增压过程中药柱结构完整性破坏的主要原因。从药柱结构完整性的角度来看,建议开发“脱湿”点伸长率较高的推进剂配方使其在围压下达到更高的断裂伸长率。本文的研究成果可为发动机点火过程的结构完整型分析工作提供理论依据和数据支撑,具有重要的科研意义和应用价值。