基于超聲導(dǎo)波的貯箱絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)研究*

馬云龍,高藝航

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

航天飛行器主體結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用是降低天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸費(fèi)用、提高操作效率的有效途徑，是航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。上世紀(jì)90年代以來(lái)，各國(guó)競(jìng)相提出并發(fā)展了各自的可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)，如：歐洲的空間運(yùn)輸系統(tǒng)TETRA、美國(guó)NASA的X-33、X-34和載人運(yùn)輸飛行器CTV、日本空間發(fā)展署HOPE-X計(jì)劃等。RLV多采用液氧、甲烷、液氫等低溫推進(jìn)劑，其絕熱結(jié)構(gòu)是RLV低溫推進(jìn)劑貯箱的重要組成部分。而滿足可重復(fù)性使用的需求只能通過(guò)增加絕熱結(jié)構(gòu)的耐久性來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)絕熱系統(tǒng)的健康狀況要有足夠的認(rèn)識(shí)。絕熱系統(tǒng)健康狀況的認(rèn)識(shí)主要是通過(guò)傳感設(shè)備和無(wú)損評(píng)價(jià)，以確認(rèn)結(jié)構(gòu)和功能的完整性、以及RLV的飛行和地面健康狀況。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了低頻檢測(cè)法[1-2]、X射線檢測(cè)法[3]、微波檢測(cè)法[4]、激光全息照相[5]、聲發(fā)射法[6]等有關(guān)絕熱結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)技術(shù)?；谏鲜隼碚摰娘w行器集成健康管理技術(shù)廣泛應(yīng)用于美國(guó)國(guó)防部降低系統(tǒng)成本，提高實(shí)用性和安全性的評(píng)估[7]。其中，采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)、大面積板結(jié)構(gòu)和接合部進(jìn)行材料測(cè)定和損傷檢測(cè)發(fā)展已超過(guò)十年，但目前使用導(dǎo)波對(duì)類似絕熱結(jié)構(gòu)這種貼片結(jié)構(gòu)的檢測(cè)還沒(méi)有有效的應(yīng)用?；诔晫?dǎo)波的損傷檢測(cè)方法對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)中的裂紋、脫粘等損傷敏感，且能在貯箱結(jié)構(gòu)中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播，是目前被認(rèn)為比較有效的損傷監(jiān)測(cè)方法。本文提出了一種基于超聲導(dǎo)波對(duì)貼片結(jié)構(gòu)進(jìn)行探傷的方法。研究成果的順利實(shí)施有利于形成一套高效的用于RLV絕熱結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

1 低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)損傷與失效模式

分析可能發(fā)生的失效模式及其可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷是低溫貯箱的健康監(jiān)測(cè)與診斷的首要步驟。在設(shè)計(jì)絕熱結(jié)構(gòu)時(shí), 必須考慮到低溫下的導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)度、絕熱材料與金屬箱體之間的粘接強(qiáng)度, 防止絕熱材料內(nèi)空氣冷凝的表面密封及在高的表面溫度下的燒蝕。絕熱材料直接粘到金屬箱體上的主要困難是由于低溫燃料使箱體收縮，鋁收縮比不銹鋼大1/3倍。為了改善泡沫材料與貯箱壁的粘著力, 需要在鋁材箱壁上涂一層底漆。

低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)一般是由絕熱泡沫材料和粘接劑組成，將片狀泡沫材料粘接在貯箱基體表面，片狀泡沫之間采用粘接劑連接，因此絕熱結(jié)構(gòu)和貯箱箱體構(gòu)成了一種復(fù)雜的片狀粘接結(jié)構(gòu)。可重復(fù)使用的運(yùn)載器金屬貯箱基體選用2219鋁合金，絕熱結(jié)構(gòu)的絕緣材料為聚酰亞胺，絕熱結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺泡沫與鋁板之間的粘結(jié)劑采用航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)粘接用膠水連接。造成低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)損傷的主要因素包括：貯箱箱體承受軸壓和溫度載荷。箱體承受軸壓載荷造成了箱體和絕熱層材料變形，如果二者的變形不一致，則造成箱體和絕熱層發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致了粘接強(qiáng)度降低，同時(shí)軸壓也可能造成絕熱層泡沫發(fā)生斷裂。

溫度載荷主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是在發(fā)射前準(zhǔn)備至在軌飛行階段，要求絕熱層泡沫材料能夠保證低溫推進(jìn)劑的品質(zhì)。在此低溫狀態(tài)下，粘接泡沫材料和箱體基體的粘接劑易變?yōu)榇嘈圆牧希涣硪环矫?，在再入大氣層至著陸階段，氣動(dòng)熱導(dǎo)致了絕熱結(jié)構(gòu)一側(cè)處于高溫狀態(tài)，此時(shí)由于氣動(dòng)加熱和內(nèi)部低溫推進(jìn)劑的共同作用，盡管存在熱防護(hù)系統(tǒng)抵御高熱流，但絕熱結(jié)構(gòu)中的溫度梯度能達(dá)到了幾百攝氏度，那么在高溫狀態(tài)下，粘接劑易發(fā)生應(yīng)力松弛和蠕變。綜上所述，絕熱結(jié)構(gòu)在上述載荷作用下，主要發(fā)生的失效模式包括：1)由于粘接劑發(fā)生了性能變化，絕熱結(jié)構(gòu)的泡沫材料和基體產(chǎn)生了脫粘；2)在軸壓載荷作用下，絕熱結(jié)構(gòu)的泡沫材料在片狀粘接結(jié)構(gòu)邊緣會(huì)發(fā)生斷裂。

已有研究表明，脫粘失效是造成絕熱結(jié)構(gòu)完整性破壞的主要形式，是低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)和服役過(guò)程中的重大安全隱患。脫粘主要源于載荷和溫度變化，表現(xiàn)為在兩層界面間出現(xiàn)裂縫。脫粘本質(zhì)上屬于不連續(xù)力學(xué)問(wèn)題。低溫貯箱基體與絕熱層間的界面脫粘可分為鼓包型、層隙型、緊貼型和斑點(diǎn)型四類。其中，鼓包型和斑點(diǎn)型屬于空洞和夾雜，層隙型和緊貼型脫粘相當(dāng)于雙材料界面裂紋。

2 超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)的基本原理

基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)中的裂紋、脫層等小損傷敏感，且能在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播，是目前被認(rèn)為比較有效的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法。常見(jiàn)導(dǎo)波包括Lamb波和圓柱Lamb波兩種，前者適用于板狀結(jié)構(gòu)，后者適用于管狀結(jié)構(gòu)。低溫貯箱圓柱段絕熱結(jié)構(gòu)也屬于薄壁圓管的一種?；诔晫?dǎo)波的損傷檢測(cè)是一種主動(dòng)式監(jiān)測(cè)，它有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是脈沖—回波法(Pulse-Echo)，傳感器既激發(fā)激勵(lì)信號(hào)，又為接收器接收回波信號(hào)，即自發(fā)自收；另一種是Pitch-Catch，一組傳感器只作為驅(qū)動(dòng)器激發(fā)信號(hào)，另外一組傳感器只接受信號(hào)。

對(duì)于粘接在金屬低溫貯箱上的絕熱結(jié)構(gòu)可以視為空心圓形薄壁殼結(jié)構(gòu)，采用Pitch-Catch 實(shí)現(xiàn)方式，即附著在結(jié)構(gòu)上的執(zhí)行器發(fā)生超聲波信號(hào)，由其相鄰傳感器接收信號(hào)。傳感器接收到的信號(hào)包含了結(jié)構(gòu)上從驅(qū)動(dòng)器到傳感器之間的路徑及其周圍區(qū)域所發(fā)生的物理變化。通過(guò)比較損傷發(fā)生前后傳感器信號(hào)的變化，及其他的分析手段可以獲得損傷的位置、大小甚至類型等信息。

在圓柱體中的導(dǎo)波分為軸對(duì)稱縱向模式、軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)模式和非軸對(duì)稱彎曲模式。為了建立導(dǎo)波的傳播方程，需要對(duì)空心圓形薄壁殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的假設(shè)，基本假設(shè)如下：1)假設(shè)空心圓形薄壁殼是軸對(duì)稱且無(wú)限長(zhǎng)的，如圖1所示；2)圓形薄壁殼材料特性是均勻的、橫向各向同性的線彈性體，管軸平行于各向同性軸；3)假設(shè)導(dǎo)波是連續(xù)的、具有實(shí)頻的能量有限信號(hào)。連續(xù)波和實(shí)頻的假設(shè)表明瞬時(shí)效應(yīng)不能包含在模型中；能量有限的假設(shè)意味著外部能量不能附加進(jìn)去，所求出的也只是沿軸向傳播的導(dǎo)波的解；4)假設(shè)圓形薄壁殼的周圍介質(zhì)是真空。在這種情況下，在內(nèi)外表面上沒(méi)有位移限制而法向應(yīng)力和兩個(gè)切向應(yīng)力在界面上變?yōu)榱?。即，在?nèi)半徑為a、外半徑為b的兩個(gè)邊界上，邊界條件為：σrr=σz=σθ=0(r=a，r=b)。

圖1 無(wú)限長(zhǎng)無(wú)應(yīng)力圓形薄壁殼Fig.1 Infinite circular thin-walled shell without stress

由彈性力學(xué)可知，在圓形薄壁殼內(nèi)導(dǎo)波的傳播，其質(zhì)點(diǎn)的位移必須滿足Navier位移平衡方程。利用Helmholtz分解定理，Gazis[8-9]給出了質(zhì)點(diǎn)位移分量的精確解，表示為：

(1)

應(yīng)力波在空心圓柱殼中傳播時(shí)，包括三種不同的傳播模態(tài)：縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)。考慮所有沿軸方向傳播的模態(tài)，縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)是軸對(duì)稱模態(tài)，而彎曲模態(tài)是非軸對(duì)稱模態(tài)。在位移分量表達(dá)式中，n=0對(duì)應(yīng)軸對(duì)稱模態(tài)的位移；n=1，2，3……對(duì)應(yīng)彎曲模態(tài)的位移，此位移中含有自變量為nθ的正弦函數(shù)，用Silk和Bainton[10]采用的符號(hào)，表示為：

1)縱向模態(tài)：L(0，m)(軸對(duì)稱模態(tài))；

2)扭轉(zhuǎn)模態(tài)：T(0，m)(軸對(duì)稱模態(tài))；

3)彎曲模態(tài)：F(n，m)(非軸對(duì)稱模態(tài))。

周向階次n=1，2，3……，反映該模態(tài)繞管壁螺旋式傳播形態(tài)；模數(shù)m=1，2，3……，反映該模態(tài)在壁厚方向上的振動(dòng)形態(tài)。當(dāng)n=0時(shí)，有無(wú)限多個(gè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)和無(wú)限多個(gè)縱向模態(tài)。當(dāng)n=1，2，3……時(shí)，對(duì)于每個(gè)n將有無(wú)限多個(gè)模態(tài)。對(duì)于給定的第n階模態(tài)，可以做出m個(gè)模態(tài)的頻散曲線。圖2是縱波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波在圓管中的傳播示意圖。圖中，縱波和扭轉(zhuǎn)波在圓管中的傳播過(guò)程中是軸對(duì)稱的，而彎曲波在圓管中的傳播情況比較復(fù)雜。

3 絕熱層結(jié)構(gòu)脫粘檢測(cè)試驗(yàn)方案

3.1 絕熱結(jié)構(gòu)檢測(cè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用超聲導(dǎo)波(Lamb波)技術(shù)對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)的脫粘進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。首先是設(shè)計(jì)絕熱結(jié)構(gòu)脫粘檢測(cè)的原理性試驗(yàn)方案，來(lái)驗(yàn)證Lamb檢測(cè)在脫粘缺陷檢測(cè)中的技術(shù)可行性。然后在絕熱結(jié)構(gòu)試件的溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行脫粘檢測(cè)試驗(yàn)。

建立有效可行的低溫貯箱絕熱結(jié)構(gòu)脫粘檢測(cè)系統(tǒng)需要以下幾個(gè)步驟：

1)確定需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部位以及其載荷環(huán)境、失效模式；

2)選擇合適的待測(cè)量；

3)針對(duì)目前應(yīng)用成熟的傳感器進(jìn)行分析權(quán)衡，選擇合適的傳感器；

4)確定傳感信號(hào)的傳輸方案、控制方法、識(shí)別途徑；

5)研究失效模式的診斷方法，開(kāi)發(fā)出合理的失效模式識(shí)別系統(tǒng)。

圖2 導(dǎo)波在空心圓柱殼中的三種模態(tài)Fig.2 Three modes of guided wave in hollow cylindrical shell

圖3 絕熱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)邏輯流程圖Fig.3 Logic flow chart of insulation structure monitoring and detection

首先，在絕熱結(jié)構(gòu)材料選材和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，確定出絕熱結(jié)構(gòu)的載荷環(huán)境條件以及可能出現(xiàn)的缺陷。一般是采用諸如FMECA(failure modes effects and criticality analysis)分析法定義和確定潛在結(jié)構(gòu)缺陷和失效模式，進(jìn)而檢查所有能想到的失效及其對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)的影響。

其次，權(quán)衡候選傳感器的靈敏度和應(yīng)用范圍，選擇出檢測(cè)參數(shù)。分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)只有在其檢測(cè)范圍內(nèi)才能夠傳遞正確的信號(hào)，監(jiān)測(cè)絕熱結(jié)構(gòu)狀態(tài)和載荷環(huán)境參數(shù)。針對(duì)某種失效模式，在一定的檢測(cè)范圍內(nèi)，可供選擇的監(jiān)測(cè)參數(shù)很多，選擇測(cè)量參數(shù)的基本原則有：1)所選的參數(shù)能夠反映絕熱結(jié)構(gòu)某種狀態(tài)，且參數(shù)變化和絕熱結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化之間有定量關(guān)系； 2)所選的參數(shù)應(yīng)易于被測(cè)量，且在絕熱結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期中，參數(shù)的變化在所選擇的傳感器測(cè)量范圍以內(nèi)；3)參數(shù)的測(cè)量抗干擾能力強(qiáng)。研究傳感器的特性是研制健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要方面，如評(píng)價(jià)傳感器的性能、測(cè)量范圍；確定傳感器的集成適應(yīng)性和界面特性等。

第三，研制傳感數(shù)據(jù)解調(diào)和評(píng)價(jià)方案、主控制系統(tǒng)、失效模式識(shí)別等關(guān)鍵子系統(tǒng)。這些邏輯系統(tǒng)通過(guò)獲得并分析傳感數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)分析絕熱結(jié)構(gòu)的缺陷、損傷程度等完成對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)。

一般的，目前具有應(yīng)用前景的健康評(píng)估與損傷診斷方式包括：1)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)間隔或者連續(xù)性的監(jiān)測(cè)，獲取結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的應(yīng)變、溫度等信息，間接的獲取載荷與環(huán)境條件，再利用通過(guò)基礎(chǔ)試驗(yàn)獲得的材料性能退化數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的健康狀況；或者是利用在同等載荷水平下結(jié)構(gòu)應(yīng)變量的變化來(lái)獲取結(jié)構(gòu)剛度變化的信息，據(jù)此推斷結(jié)構(gòu)的剛度衰減程度，用以表征結(jié)構(gòu)損傷/性能退化程度。2)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)，獲取結(jié)構(gòu)模態(tài)的變化；結(jié)合結(jié)構(gòu)模型，對(duì)損傷/性能退化區(qū)域進(jìn)行定位，并對(duì)損傷/性能退化程度進(jìn)行定量表征。3)利用具有驅(qū)動(dòng)功能(能夠激發(fā)診斷信號(hào))的傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用主動(dòng)方法在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷/性能退化進(jìn)行定位與定量化評(píng)估。

3.2 絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)原理性試驗(yàn)方案

絕熱層脫粘型損傷檢測(cè)原理性試驗(yàn)是在常溫和無(wú)加載狀態(tài)下的脫粘檢測(cè)試驗(yàn)。脫粘型損傷檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)置如圖4所示。試驗(yàn)用模擬貯箱基體的鋁合金板尺寸為100 cm×100 cm，厚度為0.3 cm，模擬絕熱層絕緣材料為聚酰亞胺，其尺寸為6 cm×6 cm，厚度為2.5 cm，絕熱層聚酰亞胺泡沫同鋁板之間的粘接劑采用航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)粘接用膠水連接，目的是為了便于設(shè)置不同的脫粘情況，主要有：a)模擬無(wú)脫粘情況，通過(guò)去除絕熱層片下面的雙面膠帶得到；b)模擬脫粘情況，矩形脫粘區(qū)域尺寸分別為6 cm×6 cm 和 2 cm×6 cm。在聚酰亞胺絕熱結(jié)構(gòu)兩端分別粘接11個(gè)圓片壓電傳感器。

圖4 絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)原理性試驗(yàn)布置圖Fig.4 Schematic test layout of insulation structure damage detection

3.3 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)方案

為了模擬絕熱結(jié)構(gòu)的實(shí)際飛行環(huán)境，設(shè)計(jì)了絕熱結(jié)構(gòu)試片，并將試片級(jí)安裝在載荷-溫度聯(lián)合加載試驗(yàn)機(jī)上，其中載荷是為施加在沿著絕熱層試片軸向方向上的壓力，質(zhì)量為3.6噸，而溫度則是施加在絕熱層上，通過(guò)電熱管和熱電偶對(duì)絕熱層加熱到150° 。基板使用0.3 cm厚的鋁合金板，尺寸為45 cm×65 cm。模板上粘接有一塊尺寸為32 cm×32 cm的絕熱層片，材料為聚酰亞胺，所選用的粘接劑為聚氨酯膠。絕熱層板中心預(yù)先設(shè)置了一直徑為5 cm的圓形脫粘區(qū)域，如圖5所示，絕熱層粘接在曲率半徑144.4 cm的鋁板上。

圖5 絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)布置圖Fig.5 Layout of temperature-load combined test for damage detection of insulation structure

傳感器的布設(shè)方案是用快速粘接劑將圓片傳感器粘接在經(jīng)過(guò)砂紙打磨過(guò)的鋁板上，兩列傳感器等間距平行布置在絕熱層的兩側(cè)，包括兩個(gè)連接傳感器的接線盒、激勵(lì)和接收信號(hào)的ScanGenie、筆記本電腦。在進(jìn)行溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)前，對(duì)該模板進(jìn)行檢測(cè)，在鋁板周向方向上分別布置兩列傳感器，每列傳感器數(shù)量為20個(gè)，間距為2 cm。絕熱結(jié)構(gòu)在進(jìn)行溫度-載荷聯(lián)和加載之前的檢測(cè)數(shù)據(jù)可作為加載過(guò)程和加載后檢測(cè)數(shù)據(jù)成像的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 絕熱結(jié)構(gòu)檢測(cè)原理試驗(yàn)的結(jié)果

前人在基于超聲導(dǎo)波的損傷成像領(lǐng)域做了大量的研究工作[11-13]，在無(wú)脫粘檢測(cè)試驗(yàn)中，首先在沒(méi)有粘接絕熱層的鋁板上進(jìn)行檢測(cè)，采集到的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于比較絕熱層片對(duì)信號(hào)的影響，而后將3塊6 cm×6 cm絕熱層片布置在兩列傳感器陣列的中間，每片絕熱層間距1 cm，絕熱層布置傳感器陣列的距離為15 cm，布置如圖6(a)所示。其中，底部的一列傳感器從右到左標(biāo)號(hào)為1-11，作為激勵(lì)端。采用Pitch-Catch多路徑檢測(cè)方式，測(cè)得各路徑的數(shù)據(jù)，通過(guò)各路徑能量成像技術(shù)，就能得到反映該區(qū)域粘接情況的視圖，如圖6(a)。

圖6 絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)原理性試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Principle test results of damage detection for insulation structure

該檢測(cè)圖是由對(duì)無(wú)絕熱層鋁板測(cè)得的基準(zhǔn)信號(hào)與粘接了3塊絕熱層片的結(jié)果進(jìn)行差值，再將差值作為權(quán)值考慮路徑的影響后得出，紅色區(qū)域表示信號(hào)發(fā)生明顯變化的區(qū)域，該區(qū)域同布置的絕熱層片的位置基本吻合，但由于絕熱層片的間隔同檢測(cè)路徑垂直，間隔未能在檢測(cè)圖中表現(xiàn)出來(lái)。該試驗(yàn)表明絕熱層粘接在鋁板上對(duì)鋁板上的超聲導(dǎo)波有較大影響，可以利用這一點(diǎn)對(duì)絕熱層的粘接情況進(jìn)行檢測(cè)，而導(dǎo)波對(duì)區(qū)別有絕熱層區(qū)域與沒(méi)有絕熱層的自由區(qū)域非常有效。

圖6(b)為脫粘檢測(cè)原理試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)此方法，來(lái)驗(yàn)證超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)絕熱層區(qū)域中的較大面積脫粘損傷的檢測(cè)能力。該圖像同樣是通過(guò)當(dāng)前檢測(cè)信號(hào)同基準(zhǔn)信號(hào)比對(duì)得出，顯然右側(cè)2塊完好粘接的絕熱層片對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像變化較大，而左側(cè)有脫粘的區(qū)域變化較小，絕熱層片之間的1cm間隔在檢測(cè)結(jié)果圖中也可清晰地看到。該試驗(yàn)表明絕熱層片對(duì)超聲導(dǎo)波的影響同絕熱層片與鋁板的粘接區(qū)域大小成正比關(guān)系，超聲導(dǎo)波對(duì)較大面積的絕熱層脫粘具有較好的檢測(cè)效果。

圖6(c)為絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部脫粘檢測(cè)原理試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)此方法，來(lái)驗(yàn)證超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)區(qū)域中的較小面積脫粘損傷的檢測(cè)能力。圖中右側(cè)完好粘接的絕熱層片對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像變化較大，而左側(cè)有脫粘損傷的區(qū)域變化較小，絕熱層片之間的1 cm間隔在檢測(cè)結(jié)果圖中也清晰可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明2 cm×6 cm的脫粘損傷同樣能被檢測(cè)出。

4.2 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)果

溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)同之前的原理性試驗(yàn)條件有很大不同，特別是溫度的不同，原理性試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，而溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)中，絕熱層一面為零上150 ℃，而另一面為零下150 ℃，而環(huán)境的溫度和濕度對(duì)壓電式傳感器的工作性能有影響，主要影響壓電材料的特性參數(shù)、某些壓電材料的熱釋電效應(yīng)、傳感器結(jié)構(gòu)三個(gè)因素。

傳感器陣列溫度和濕度的變化使得在溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)中檢測(cè)的各路徑的數(shù)據(jù)，同常溫下測(cè)得的試驗(yàn)前的數(shù)據(jù)不易對(duì)比，所以以試驗(yàn)開(kāi)始測(cè)得的第一組數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，之后測(cè)得的數(shù)據(jù)與其對(duì)比，如圖7所示。綠色便是溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，紅色表示常溫下測(cè)得的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)值，圖中所示信號(hào)的激勵(lì)中心頻率為100 kHz。

圖7 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of temperature-load combined test

從圖8可以看出，隨著加載時(shí)間的增加，絕熱層中心區(qū)域信號(hào)發(fā)生明顯變化；在絕熱層中心預(yù)制的脫粘區(qū)域逐漸擴(kuò)展，信號(hào)的變化表明超聲導(dǎo)波可以實(shí)現(xiàn)絕熱結(jié)構(gòu)在檢測(cè)過(guò)程中的脫粘擴(kuò)展監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)脫粘擴(kuò)展與演化辨識(shí)。

在試驗(yàn)前后使用激光錯(cuò)位散斑測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示。試驗(yàn)件泡沫尺寸為32 cm×32 cm×2 cm，試驗(yàn)前預(yù)制缺陷直徑為10 cm左右，與測(cè)試結(jié)果吻合；試驗(yàn)后缺陷增大到15 cm左右。由于試驗(yàn)后缺陷區(qū)域擴(kuò)大，使用原頻率聲源檢測(cè)的缺陷區(qū)域不明顯，所以在檢測(cè)時(shí)使用

圖8 溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)不同時(shí)刻中心區(qū)域Fig.8 Central area of temperature-load combined test at different times

圖9 試驗(yàn)前、后絕熱層脫粘對(duì)比Fig.9 Comparison of before and after the test of insulation structure debonding

不同頻率的聲源。從圖像上看，兩次檢測(cè)的缺陷顯示顏色不同。據(jù)此，驗(yàn)證了基于超聲導(dǎo)波的絕熱結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的正確性。

5 結(jié) 論

1)脫粘失效是影響絕熱結(jié)構(gòu)完整性的主要形式，超聲導(dǎo)波可以對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)，是RLV貯箱絕熱結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的一種手段。

2)基于超聲導(dǎo)波的絕熱層脫粘檢測(cè)原理試驗(yàn)和溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)，驗(yàn)證了導(dǎo)波對(duì)于區(qū)別有絕熱層覆蓋區(qū)域和自由區(qū)域的有效性。在有基準(zhǔn)信號(hào)情況下，能對(duì)2 cm×6 cm的脫粘區(qū)域進(jìn)行有效檢測(cè)，對(duì)1 cm脫粘區(qū)域能夠識(shí)別。

3)溫度-載荷聯(lián)合試驗(yàn)中，隨著拉伸載荷的增大，中心區(qū)域的信號(hào)變化逐漸劇烈。信號(hào)分析顯示，絕熱結(jié)構(gòu)中心區(qū)域的脫粘失效與信號(hào)一致，導(dǎo)波對(duì)絕熱結(jié)構(gòu)的脫粘失效監(jiān)測(cè)是有效的。