陶瓷導彈天線罩靜熱試驗失效分析方法

武小峰　宮永輝　胡由宏　王偉　田玉坤

摘要：? ? ? 針對陶瓷導彈天線罩靜熱試驗中失效評估的技術難點， 本文介紹了基于宏觀斷裂形貌分析、 斷裂過程的聲發(fā)射和高速攝像監(jiān)測、 陶瓷罩體表面位移/應變測試， 以及失效形式的仿真分析等多種失效分析方法、 分析流程及其試驗應用案例， 并指出了各種分析技術的發(fā)展方向。

關鍵詞：? ? ?失效分析; 宏觀斷裂形貌; 聲發(fā)射; 高速攝像; 位移/應變; 數值仿真

中圖分類號：? ? ? TJ760; V216.4文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0077-07

0引言

陶瓷導彈天線罩結構通常由陶瓷罩體和膨脹系數接近的連接環(huán)組成， 如圖1所示， 罩體和連接環(huán)之間通過膠接或螺接方式進行連接， 其整體固定于彈體之上。 此外為了防止雨蝕對天線罩性能產生影響， 部分天線罩還帶有雨蝕頭結構。

靜熱試驗是考核評估陶瓷導彈天線罩整體力熱性能的最主要的一種試驗方法， 如圖2所示。 其利用石英燈、 石墨等加熱元件的高溫輻射換熱特性， 對試驗件進行加熱， 并采用伺服油缸等加載設備實現力學載荷的施加。 根據考核目的的不同， 陶瓷天線罩的靜熱試驗分為靜力試驗、 熱沖擊試驗， 以及靜熱聯合試驗三種類型。

失效分析是以失效機理為依據， 通過對試驗過程和結果信息進行監(jiān)測和分析， 全面推斷失效形式， 獲取失效原因。 陶瓷導彈天線罩在地面靜熱試驗中的失效形式主要可以分為陶瓷罩體斷裂失效、 罩體與連接環(huán)之間的脫粘失效兩大類。 其中，? 脫粘失效多由粘結膠層的膠接強度不足或超溫使用所導致， 其機理相對清晰， 現象較為明確; 而陶瓷罩體的斷裂失效機理復雜， 多種因素均會導致斷裂現象的發(fā)生， 包括材料缺陷、 力熱承載性能不足、 熱匹配問題等; 再加上陶瓷斷裂速度較快， 開裂過程難以捕捉， 因此關于陶瓷罩體斷裂的失效分析成為地面試驗結果分析以及結構設計改進的技術難點。 表1列出了陶瓷天線罩典型失效形式、 機理及現象， 從中可以看出， 陶瓷罩體斷裂起始位置的判斷是失效分析的關鍵。

基于大量靜熱試驗的經驗積累， 目前常用于陶瓷罩體斷裂失效及其起始定位的分析方法主要有： 宏觀斷裂形貌分析[1]、 斷裂過程的聲發(fā)射和高速攝像監(jiān)測、 陶瓷罩體表面位移/應變測試， 以及失效形式的仿真分析[2-3]等。 通過這些技術手段， 可以綜合判斷分析陶瓷天線罩的失效起始位置和失效機理， 為故障分析和進一步的設計改進服務。 本文將對上述幾種分析方法、 流程及其試驗應用案例進行介紹， 并指出各種分析技術的發(fā)展方向。

1失效分析方法

1.1宏觀斷裂形貌分析方法

熱沖擊或力載荷較小的靜熱聯合試驗中， 陶瓷罩體斷裂失效多由陶瓷與連接環(huán)或雨蝕頭的熱匹配差異引起， 其斷裂形貌簡單， 如圖3所示， 裂紋通常起源于連接部位， 罩體表面只有少數幾條裂紋， 開裂后的罩體結構完整。

靜力試驗或力載荷較大的靜熱聯合試驗中， 陶瓷罩體在初始失效后， 由于加載系統(tǒng)的慣性作用， 會引發(fā)二次破壞， 導致表面裂紋形貌復雜， 罩體結構破碎。 典型的斷裂形貌如圖4所示。 復雜斷裂形貌阻礙了陶瓷罩體斷裂失效起始位置的判斷， 進而給天線罩的失效分析帶來了困難。

宏觀裂紋形貌分析是判定初始裂紋源位置最基礎、 最簡便的一種方法。 將陶瓷罩體碎片進行拼合后， 可以依照T形法和分叉法[4]進行裂紋先后順序及走向分析， 進而判斷裂紋源的位置。 T形法是指當試件表面的裂紋構成T形關系時， 可以根據裂紋的相對位置來確定主裂紋， 即裂紋的先后順序。 如圖5（a）所示， 由于裂紋A阻止了裂紋B， C的穿過， 因此A裂紋形成在前， 為主裂紋， B， C裂紋在后， 為次裂紋。 分叉法是指裂紋在擴展過程中， 往往會引生出多條分支裂紋或分叉裂紋。 由于分支裂紋或分叉裂紋是從主裂紋引生的， 因此裂紋的擴展方向為從主裂紋向分叉或分支裂紋方向， 分叉或分支裂紋匯集的裂紋為主裂紋。

另外， 根據陶瓷罩體的斷口人字紋路也可以輔助判斷裂紋走向[5-6]。 人字紋路是脆性斷裂的顯著宏觀特征， 如圖6所示， 這種特征一方面表征裂紋在該區(qū)的擴展是不穩(wěn)定的、 快速的; 另一方面， 沿著放射方向的逆向或人字紋尖頂可以追溯到裂紋源所在位置。

通過上述宏觀斷裂形貌分析方法， 可以初步確定靜熱試驗中斷裂失效的起始區(qū)域， 這為失效形式的進一步分析和判定提供了事實依據。 盡管如此， 該方法對分析人員的經驗要求較高， 分析結果受主觀因素影響較大; 另外該方法對于特別復雜的斷裂形貌的失效位置判斷仍存在一定困難。 因此， 借助其他測試分析手段來對宏觀斷裂形貌分析結果進行驗證， 將主觀經驗提煉為客觀規(guī)律， 并建立相關分析比對數據庫， 是未來該項技術手段的主要發(fā)展方向。

1.2聲發(fā)射監(jiān)測分析方法

聲發(fā)射是指材料或結構內部發(fā)生變形或斷裂時， 以彈性波的形式釋放應變能的現象[4]。 彈性波形式的聲信號攜帶有大量有價值的缺陷信息， 通過壓電陶瓷等材料制成的信號接收設備， 對聲信號進行捕捉分析， 可以獲取材料或結構的損傷狀態(tài)。 聲發(fā)射檢測技術具有動態(tài)、 實時的特點， 能夠連續(xù)監(jiān)控結構內部損傷演化的全過程。

陶瓷材料由于斷裂時的聲發(fā)射信號幅值較高， 因此用聲發(fā)射手段來研究陶瓷材料的斷裂失效過程是非常有效的[7-10]。 根據斷裂聲信號傳播距離引起的時間差異， 可以利用多個聲發(fā)射傳感器， 布置在陶瓷天線罩表面的不同位置， 進而通過信號分析確定失效發(fā)生的位置。 常溫靜力試驗中， 聲發(fā)射傳感器一般布置在陶瓷罩體表面， 如圖7（a）所示; 高溫熱沖擊試驗或靜熱聯合試驗中， 由于陶瓷表面溫度較高， 可能超過傳感器的耐溫范圍， 因此通常將傳感器布置在連接工裝上， 如圖7（b）所示， 并采用隔熱材料進行熱防護。 需要指出的是， 陶瓷天線罩與轉接工裝之間的連接狀態(tài)會影響到高溫試驗中聲信號的傳播路徑， 因此通過對連接表面進行處理， 保證連接狀態(tài)的一致性是十分必要的。

圖8為某陶瓷基復合材料天線罩靜力試驗聲發(fā)射測試結果， 可以看出位于不同位置的傳感器接收到的聲發(fā)射信號的幅值及時刻不同; 信號幅值由通道6， 5， 2， 1依次降低， 同時信號到達各個傳感器的時刻依次增加， 因此可以確定信號源發(fā)生在通道6傳感器附近。

另外， 試驗前通過對小試樣進行不同加載模式下的聲發(fā)射監(jiān)測， 并與正式試驗聲發(fā)射信號對比， 可進一步獲取天線罩的破壞模式。 圖9為小試樣在拉伸和三點彎曲破壞情況下的典型聲發(fā)射信號， 其中拉伸情況下， 破壞特征為多個連續(xù)的脈沖信號， 且衰減過程持續(xù)較長的時間; 三點彎曲情況下， 破壞特征同樣為多個連續(xù)的脈沖信號， 但衰減過程較快。 與圖8結果對比， 可知天線罩的信號特征與小試樣三點彎曲聲發(fā)射信號特征一致， 其破壞模式近似于三點彎曲破壞。

聲發(fā)射監(jiān)測方法靈敏度高、 失效定位準確， 已成為當前陶瓷天線罩靜熱試驗中破壞監(jiān)測的一種重要技術手段。 盡管如此， 聲發(fā)射技術后續(xù)仍需解決傳感器耐高溫、 安裝界面聲信號傳遞， 以及破壞特征的信號處理和識別分析等問題， 以進一步提高測試的準確性和有效性。

1.3高速攝像監(jiān)測分析方法

除聲發(fā)射監(jiān)測方式外， 高速攝像是監(jiān)測斷裂過程最直觀的技術手段。 陶瓷材料裂紋失穩(wěn)擴展的速度極限低于聲速的38%[11]， 因此采用百萬幀/秒的高速攝像設備， 足以滿足陶瓷材料和結構厘米量級斷裂觀測的需要。

針對陶瓷材料或結構在力熱載荷作用下斷裂過程的高速攝像， 已有大量的研究報道[10，12-16]。 但在天線罩靜熱聯合試驗中的應用仍存在一定的困難。 首先， 加熱器反射板的存在， 使得高速相機無法拍攝到天線罩的全貌， 局部斷裂過程只能通過預制的窗口進行觀測; 另外， 為了保證存儲效率， 高速相機的分辨率普遍較低（一百萬像素左右）， 再加上石英燈的輻射加熱和強光干擾， 使得高速相機只能放置于安全距離（0.5 m）以外， 并需要采取相應的濾光措施（如帶通鏡片）， 這大大降低了拍攝的清晰度。 圖10為高速攝像在天線罩靜熱聯合試驗中的探索應用， 通過對比連續(xù)3幀的圖像可以看出， 高速攝像捕捉到了裂紋從無到有， 由左至右的擴展過程。

1.4表面位移/應變測試分析方法

表面位移和應變是結構在力熱載荷作用下的重要力學響應參數， 其測試方法及數據分析成為陶瓷天線罩失效評估的重要技術途徑。 目前靜熱試驗中表面位移和應變測試手段主要包括頂桿式位移計、 激光位移計、 靜態(tài)電阻應變計、 光纖應變傳感器， 以及數字圖像相關（DIC）設備等。

傳統(tǒng)位移測試方法通過接觸（頂桿式）或非接觸（激光）手段， 獲取試驗件法線方向位移， 它具有形式簡單、 可靠性高、 數據準確等特點。 在陶瓷天線罩靜熱試驗中， 為了綜合分析天線罩結構的變形情況， 通常在陶瓷天線罩頂端、 根部、 連接鋼環(huán)及底座位置布置相應傳感器， 如圖11所示。 高溫試驗環(huán)境下， 為了保護傳感器， 同時不影響位移測試精度， 傳感器前端加裝低熱膨脹系數的石英玻璃桿來傳遞位移。

獲取位移數據后， 通過與加載數據對比， 可以較為明顯地分析出天線罩結構的承載模式變化， 進而為失效分析提供數據支持。 圖12為某天線罩靜力試驗的位移與加載曲線， 可以看出位移曲線的變化趨勢與加載曲線一致; 100 s左右載荷基本回零時， 連接環(huán)與底座位移回零， 而陶瓷罩體頂端與根部位移未回零， 說明罩體根部與連接環(huán)之間的連接膠層狀態(tài)發(fā)生變化， 陶瓷罩體有輕微拔出現象; 330 s左右， 試驗件發(fā)生斷裂破壞， 各個傳感器的位移數據均發(fā)生不同程度的階躍變化; 此外， 由圖12（b）可知， 整個試驗過程中， 頂端位移與根部位移的比例基本保持不變， 體現了陶瓷罩體的剛性特征， 而根部位移與連接環(huán)位移之比隨載荷的變化而改變， 說明了連接膠層在試驗過程中連接狀態(tài)的非線性。

目前常用于陶瓷天線罩表面應變測試的技術手段是靜態(tài)電阻應變計。 在陶瓷天線罩靜力試驗中， 通常采用常溫電阻應變計， 分別通過粘貼和焊接方式， 將應變計安裝于陶瓷罩體和殷鋼環(huán)（也可粘貼）表面重點關注的位置， 例如受拉面或受壓面根部區(qū)域， 如圖13（a）所示。 在熱沖擊試驗和靜熱聯合試驗中， 由于陶瓷罩體外表面溫度較高， 需要采用高溫電阻應變計。 在實際應用中， 考慮到使用成本以及測試可靠性問題， 高溫情況下， 陶瓷罩體外表面一般不進行應變測量， 只在溫度較低的罩體內表面或殷鋼環(huán)表面開展應變測試， 如圖13（b）所示。

圖14為某天線罩靜熱聯合試驗中陶瓷罩體內壁軸向應變以及相應加載和溫度曲線。 由圖可知， 在30 s以內， 陶瓷罩體內壁溫度較低， 各個位置的應變曲線與加載曲線的變化規(guī)律一致， 受拉側應變（E_A， E_C）為正， 受壓側應變（E_B）為負， 應變數據能夠真實反映結構的力學響應; 30 s后， 罩體溫度逐漸升高， 引起的熱應變逐漸增大， 導致機械應變無法正常識別， 因此在高溫環(huán)境下， 需要考慮應變計與被測材料的熱匹配性， 開展熱輸出標定試驗來對應變數據進行修正。 盡管如此， 由于高溫環(huán)境下熱應變在總應變中的占比較大， 對于熱輸出標定的誤差分析成為機械應變識別和提取的關鍵和攻關方向。

此外， 光纖應變傳感器和數字圖像相關（DIC）測試方法也逐漸應用在陶瓷天線罩靜熱試驗中。 其中光纖應變傳感器（如圖15所示）的使用溫度可以超過1 000 ℃[17]， 在高溫試驗中具有很廣闊的應用前景; 而數字圖像相關方法具有全場和非接觸測量的優(yōu)點， 但在高溫試驗中仍需克服強光線、 煙霧的干擾， 以及加熱器遮擋的影響。

1.5數值仿真分析方法

理論解析、 試驗驗證和數值仿真是當前結構設計的三種最主要的途徑。 對于陶瓷天線罩， 數值仿真分析方法克服了理論解析模型過于簡化， 以及試驗驗證成本高昂等缺點， 成為其中最高效的技術手段， 并廣泛應用于天線罩的設計改進[18-21]和失效分析[2-3]中。

[19] 劉鋒， 許斌. 導彈天線罩參數化有限元建模和熱可靠性分析[J]. 計算機輔助工程， 2013， 22（S1）： 337-341.

Liu Feng， Xu Bin. Parameterization Finite Element Modeling and Thermal Reliability Analysis on Missile Radome[J]. Computer Aided Engineering， 2013， 22（S1）： 337-341. （in Chinese）

[20] 李建華， 郭常寧， 許泉， 等. 紅外空空導彈頭罩熱應力分析[J]. 強度與環(huán)境， 2012， 39（2）： 46-52.

Li Jianhua， Guo Changning， Xu Quan， et al. Thermal Stress Analysis for the Dome of the Infrared AirtoAir Missile [J]. Structure & Environment Engineering， 2012， 39（2）： 46-52. （in Chinese）

[21] 趙文鵬. 高超音速導彈天線罩理論設計及有限元分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2007.

Zhao Wenpeng. FEM Modeling Simulation and Theoretical Design of Hypersonic Missile Radome [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2007. （in Chinese）

Abstract： Aiming at the technical difficulties of the failure evaluation for ceramic radome in thermal-mechanical test， the failure analysis methods， procedure， and application case based on macroscopic cracking morphology analysis， acoustic emission and high speed camera monitoring of cracking process， the surface displacement and strain test of ceramic radome， and numerical simulation of the failure mode are introduced in this paper， and the development directions of various analysis technologies are given.

Key words： failure analysis; macroscopic cracking morphology; acoustic emission; high speed camera; displacement/strain; numerical simulation