固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的紅外無損檢測建模方法

張南南，郭興旺

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

?

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的紅外無損檢測建模方法

張南南，郭興旺

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

在制作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層人工脫粘缺陷的試件時(shí)，經(jīng)常采用嵌入聚四氟乙烯插片的方法來模擬脫粘缺陷。多數(shù)情況下，插片很難取出。當(dāng)插片與兩側(cè)材料不完全粘接時(shí)就會(huì)出現(xiàn)空氣隙，且試件的上表面會(huì)有一定程度的凸起。首先證明了某試件中的缺陷是插片和空氣隙組成的混合缺陷，然后進(jìn)一步針對缺陷的組成、位置和凸起的有無建立了多種仿真模型并進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出了一種計(jì)算精度較高、且比較簡單的建模方法。

紅外無損檢測；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；脫粘；插片；仿真模型

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起飛的助推發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由殼體、絕熱層和固體推進(jìn)劑等部分組成。絕熱層的主要作用是防止高溫燃?xì)鉄龎娜紵覛んw，防止過熱降低殼體強(qiáng)度而危及結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)還可以緩沖殼體與推進(jìn)劑藥柱之間的應(yīng)力傳遞[1]。絕熱層粘接在殼體的內(nèi)壁，使用過程中常常會(huì)出現(xiàn)脫粘缺陷，脫粘缺陷的存在會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，甚至導(dǎo)致航天器飛行失敗[2]。為了避免絕熱層脫粘帶來的隱患，在絕熱層粘接完成后、推進(jìn)劑加入前須對其進(jìn)行無損檢測。

帶有自然脫粘缺陷的試件因缺陷參數(shù)的不確定性而不適合作為定量研究的對象，且一般較難獲得，因此常用人工脫粘缺陷試件進(jìn)行試驗(yàn)分析。制作試件時(shí)，常在殼體和絕熱層之間嵌入聚四氟乙烯插片來模擬絕熱層脫粘，但是嵌入的插片很難取出，插片與殼體和絕熱層之間的粘接情況直接決定了缺陷特征，且插片的插入也會(huì)導(dǎo)致試件表面的凸起。缺陷的組成、位置和凸起等會(huì)導(dǎo)致仿真模型的不同。筆者采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，對內(nèi)含插片的絕熱層脫粘試件的建模方法進(jìn)行研究。

脈沖紅外無損檢測法[3-5]具有非接觸、效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測中有著廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。故，筆者對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的脈沖紅外無損檢測進(jìn)行仿真研究。

1　試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1試驗(yàn)試件

為了模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘缺陷，制作了一個(gè)內(nèi)含插片的人工缺陷試件。試件基板為2 mm厚的鋼板，代表發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體;鋼板的內(nèi)側(cè)為1.5 mm厚的丁腈橡膠(nitrile butadiene rubber,NBR)，代表絕熱層；鋼板的外測為1 mm厚的NBR，模擬外熱防護(hù)層;在絕熱層和鋼板間嵌入0.08 mm厚的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)薄膜來模擬絕熱層和殼體間的脫粘，嵌入的PTFE薄膜有方形和圓形兩種形狀，每種形狀具有多種尺寸。試件的形狀尺寸見圖1。值得注意的是，PTFE薄膜片一開始被放置在靠近邊緣的地方，然后向遠(yuǎn)離邊緣的方向進(jìn)行了移動(dòng)，移動(dòng)期間帶走了部分粘接劑。圖1中虛線為移動(dòng)前插片所在的位置，實(shí)線為移動(dòng)后插片所在的位置。

圖1　試件形狀及尺寸

1.2試驗(yàn)過程及結(jié)果

該試件的脈沖紅外無損檢測試驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)紅外熱像無損檢測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)中用兩個(gè)氙氣閃光燈對試件進(jìn)行加熱，用美國FLIR公司生產(chǎn)的熱像儀進(jìn)行圖像采集，熱像儀的空間分辨率為320×240像素，溫度分辨率為0.1 K，且加熱燈和熱像儀均置于試件的絕熱層一側(cè)。

設(shè)定幀頻率為15 Hz，在脈沖加熱前采集5幀作為背景幀，脈沖加熱后采集時(shí)間為16 s，共采集245幀。將加熱后采集到的240幀圖像進(jìn)行減背景處理，得到過余溫度圖序列。圖2為檢測效果最好的過余溫度圖(t=5 s)，在該圖中，較清晰的兩排缺陷為嵌入的PTFE所導(dǎo)致；靠近邊界較模糊的兩排缺陷為PTFE移動(dòng)后，該處膠粘劑減少所導(dǎo)致的；邊長L為20，15 mm的兩方形缺陷之間下方的亮斑為某種原因所致的自然缺陷。

圖2　最佳過余溫度圖(t=5 s)

為了更好地評價(jià)紅外無損檢測結(jié)果，在10 mm×10 mm，8 mm×8 mm，6 mm×6 mm，4 mm×4 mm的方形缺陷處各選取3×3像素的缺陷區(qū)和一個(gè)32×23像素的無缺陷區(qū)作為感興趣區(qū)，具體位置見圖3。圖4為所選取區(qū)域的表面溫差(ΔT，ΔT=TD-TND，其中TD為所選缺陷區(qū)域的過余溫度，TND為所選非缺陷區(qū)域的過余溫度)、對比度(C，C=ΔT/TND)隨時(shí)間的變化曲線。需要說明的是，圖中的負(fù)值是由加熱不均引起的。

圖3　選取的感興趣區(qū)域

圖4　所選區(qū)域的缺陷信息隨時(shí)間的變化曲線

2　仿真模型的建立

在實(shí)際研究中，常常需要探討缺陷尺寸參數(shù)和加熱參數(shù)對缺陷信號的影響，而為了避免制作多種試件進(jìn)行多次試驗(yàn)，經(jīng)常采用仿真的方法進(jìn)行分析。仿真的關(guān)鍵問題之一就是建模，模型的正確與否直接關(guān)系著仿真結(jié)果的正確性。

2.1缺陷組成的分析

為了提高仿真的計(jì)算速度，忽略各缺陷之間的相互影響，對每一個(gè)尺寸的缺陷進(jìn)行單獨(dú)建模仿真，這里只取方形缺陷進(jìn)行仿真；由于缺陷形狀為規(guī)則的正方形，所以只研究1/4缺陷即可，仿真模型如圖5所示(忽略膠粘劑)，其中H=0.08 mm為插入的PTFE的厚度，L為正方形缺陷的實(shí)際邊長，點(diǎn)D和ND分別為缺陷區(qū)和非缺陷區(qū)的中心點(diǎn)。用ANSYS 15.0進(jìn)行仿真分析，單元類型為solid70，用映射法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真環(huán)境溫度為0 ℃，在絕熱層一側(cè)施加熱流，熱流密度q為1.8×106W·m-2，熱流持續(xù)時(shí)間為0.01 s，該時(shí)間段內(nèi)仿真計(jì)算的時(shí)間步長為0.000 5 s;加熱結(jié)束后，試件開始散熱，散熱段仿真計(jì)算的時(shí)間步長為0.1 s，散熱時(shí)上下兩個(gè)表面的對流換熱系數(shù)h為10 W·m-2·k-1，其他表面絕熱。模型中材料的熱物性參數(shù)見表1。

圖5　仿真模型示意

表1　材料的熱物性參數(shù)

為了判斷仿真結(jié)果是否正確，最直接的方法是將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。由于試驗(yàn)中并不能確定試件實(shí)際吸收的能量，所以與加熱能量相關(guān)的參數(shù)信息不具有比較意義，但對比度為溫度差與非缺陷區(qū)溫度的比值，與加熱能量無關(guān)，所以可以將仿真與試驗(yàn)的對比度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。很明顯，仿真與試驗(yàn)對比度有較大的差別。

圖6　仿真與試驗(yàn)對比度比較曲線

仿真與試驗(yàn)對比度出現(xiàn)較大差別的原因可能是：PTFE插片與殼體或者絕熱層之間沒有完全粘接，存在空氣隙[9]。圖7(a)～(d)為存在空氣隙時(shí)缺陷組成示意圖，圖7(a)為0.08 mm厚PTFE上下兩側(cè)都有0.023 mm厚的空氣隙，圖7(b)為0.08 mm厚PTFE下側(cè)有0.047 mm厚空氣隙，圖7(c)為0.08 mm厚PTFE上側(cè)有0.045 mm厚空氣隙，圖7(d)為只有0.05 mm厚的空氣隙。針對這些模型進(jìn)行仿真，仿真條件均與只有0.08 mm厚的PTFE插片時(shí)相同，仿真結(jié)果見表2。

圖7　缺陷組成示意

表2　不同缺陷組成時(shí)的仿真結(jié)果

比較表2中1與其他各組的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PTFE與基體材料之間存在空氣隙時(shí)，無論空氣隙存在于PTFE上側(cè)、下側(cè)還是上下兩側(cè)，溫度差和對比度數(shù)值都會(huì)顯著增大，這說明仿真建模時(shí)空氣隙不可忽略。比較2、3、4、5組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，四組數(shù)據(jù)十分接近，所以在不確定空氣隙的具體位置時(shí)，可以用其中任意一組數(shù)據(jù)對應(yīng)的缺陷模型進(jìn)行等效計(jì)算；但值得注意的是，在進(jìn)行仿真時(shí)應(yīng)在保證精度的情況下，選擇最簡單的模型，所以圖7(d)的模型d最具應(yīng)用價(jià)值。

圖8為模型d在缺陷邊長為4，10 mm時(shí)試驗(yàn)和仿真的對比度比較曲線。由圖中可以看到：缺陷邊長為10 mm時(shí)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，這說明在該缺陷尺寸下模型d可以模擬真實(shí)的試驗(yàn)試件；但缺陷邊長為4 mm時(shí)，試驗(yàn)和仿真對比度曲線會(huì)在10 s后出現(xiàn)稍大的偏差，這是因?yàn)檫呴L4 mm的缺陷內(nèi)部的空氣隙與邊長10 mm的不同，不能用0.05 mm厚的空氣隙代替，仿真中可以通過調(diào)整空氣隙的厚度來使邊長4 mm缺陷的試驗(yàn)和仿真對比度較好地吻合。

圖8　空氣隙厚0.05 mm時(shí),仿真與試驗(yàn)的對比度比較曲線

2.2缺陷部位表面凸起的模擬

觀察實(shí)際試件，可以發(fā)現(xiàn)與缺陷區(qū)相對應(yīng)的上表面有明顯的凸起，所以仿真建模時(shí)為了更好地模擬真實(shí)試件，在上表面加一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)的尺寸與缺陷的尺寸相同，邊長L=10 mm，厚度H=0.05 mm，如圖9(a)所示。為了尋找更簡單的模型，對圖9(a)中的模型進(jìn)行簡化，如圖9(b)和圖9(c)所示：圖9(b)中去掉凸臺(tái)，并將缺陷移動(dòng)至鋼殼體中，此時(shí)的缺陷深度和圖9(a)中的缺陷深度相同；圖9(c)中的模型是直接去掉凸臺(tái)，其余與模型9(a)完全相同。

圖9　建模時(shí)的各仿真模型

對圖9中的三種模型進(jìn)行仿真，仿真條件與2.1節(jié)相同，模型a，b，c(分別對應(yīng)圖9(a),(b),(c))的仿真結(jié)果及模型b，c與模型a的比較結(jié)果如表3所示。由表3可看到，三種模型的仿真結(jié)果非常相近，相對誤差均在1%以內(nèi)，所以，對于此試件而言，三種建模方法均可。

表4為將缺陷和凸臺(tái)的厚度均增大為0.2 mm時(shí)三種模型在上述相同仿真條件下的仿真結(jié)果。由比較結(jié)果可看到：a、b兩種模型的相對誤差仍在3%以內(nèi)，而a、c兩種模型的相對誤差已經(jīng)超過11%，即當(dāng)缺陷較厚時(shí)模型c會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。所以考慮模型的簡潔和仿真的精度兩方面因素，當(dāng)缺陷厚度較小時(shí)，b、c兩種建模方法均可接受；當(dāng)缺陷厚度較大時(shí)，模型b為最佳模型。

表3　缺陷厚度為0.05 mm時(shí)不同缺陷位置的仿真結(jié)果

表4　缺陷厚度為0.2 mm時(shí)不同缺陷位置的仿真結(jié)果

3　結(jié)論

用聚四氟乙烯插片模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘缺陷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)空氣隙，且無論空氣隙存在于何處，都會(huì)產(chǎn)生較大的缺陷信號(溫差和對比度)。仿真建模時(shí)這種人工缺陷的具體組成及參數(shù)很難確定，但是可以用一定厚度的純空氣隙進(jìn)行等效計(jì)算。

通過嵌入插片模擬絕熱層脫粘時(shí)，由于絕熱層是一種預(yù)制的等厚材料，與缺陷相對應(yīng)的上表面會(huì)有一定程度的凸起，所以最精確的仿真模型為帶凸臺(tái)的仿真模型。但是為了簡化建模計(jì)算，當(dāng)缺陷很薄時(shí)，如0.05 mm厚的空氣隙，可以忽略凸臺(tái)，且缺陷位于絕熱層或鋼殼體中均可；當(dāng)缺陷較厚時(shí)，如0.2 mm厚的空氣隙，也可以忽略凸臺(tái)，但是此時(shí)缺陷應(yīng)置于鋼殼體中才能獲得較高的仿真精度。

[1]王錚. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層分析和設(shè)計(jì)[J]. 推進(jìn)技術(shù),1985,6(1):41-46.

[2]唐慶明,張明. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥缺陷及檢測方法[J]. 飛航導(dǎo)彈,2006(7):52-54.

[3]王迅,金萬平,張存林,等. 紅外熱波無損檢測技術(shù)及其進(jìn)展[J]. 無損檢測,2004,26(10):497-501.

[4]VAVILOV V P,BURLEIGH D D. Review of pulsed thermal NDT: Physical principles,theory and data processing[J]. NDT&E International,2015,73:28-52.

[5]李曉麗,金萬平,張存林,等. 紅外熱波無損檢測技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展[J]. 無損檢測,2015,37(6):19-23.

[6]蔣淑芳,郭興旺,沈京玲,等. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的紅外熱波無損檢測[J]. 激光與紅外,2005,35(8):584-586.

[7]ZHANG W,SONG Y,YANG Z,et al. Infrared thermal wave nondestructive technology on the defect in the shell of solid rocket motor[C]∥5th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies. Dalian: International Society for Optical Engineering,2010:76590V-76590V-6.

[8]GUO X,VAVILOV V. Pulsed thermographic evaluation of disbonds in the insulation of solid rocket motors made of elastomers[J]. Polymer Testing,2015,45: 31-40.

[9]VAVILOV V P,BURLEIGH D D,KLIMOV A G. Advanced modeling of thermal NDT problems: from buried landmines to defects in composites[J]. Proc Spie,2002,4710:507-521.

Infrared NDT Modeling of Disbonds in the Insulator of Solid Rocket Motors

ZHANG Nan-nan,GUO Xing-wang

(School of Mechanical Engineering &Automation,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Polytetrafluoroethylene(PTFE) inserts are usually used as artificial disbond defects when making reference samples containing disbonds in the insulator of solid rocket motors. It is hard to take out the inserts in most cases. There will be air gaps once the poor bonding between the insert and the host material appears，in addition,the upper surface of the sample will bulge. In this paper,first,it is proven that the PTFE insert leads to a hybrid defect which consists of the insert and air gaps;then a variety of models are established for the different composition,position and bulge of the defect,and the corresponding numerical simulation is conducted;at last,a precise and simple modeling method is presented by comparing and analyzing the simulation results of these models.

Infrared NDT;Solid rocket motor;Disbond;Insert;Modeling

2016-03-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571028,U143310165)

張南南(1990-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)榧t外熱像無損檢測理論和技術(shù)。

張南南，E-mail: 1415816738@qq.com。

10.11973/wsjc201608001

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0001-05