振動(dòng)載荷對(duì)推進(jìn)劑/襯層粘接界面力學(xué)性能影響?

劉 磊 李金飛 王 鑫 譚 潔

（1.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺(tái) 264001）（2.92635部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

推進(jìn)劑/襯層粘接界面作為兩種復(fù)合材料的黏結(jié)相界面，其力學(xué)性能的好壞直接決定了固體發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命長(zhǎng)短。對(duì)于海上值班的固體發(fā)動(dòng)機(jī)而言，持續(xù)的波浪載荷導(dǎo)致推進(jìn)劑/襯層界面產(chǎn)生交變的應(yīng)力載荷，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了挑戰(zhàn)。張波[1]等對(duì)艦載值班的固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面性能損傷進(jìn)行了研究，認(rèn)為連續(xù)值班一年造成的損傷至少為15.4%。

當(dāng)前，針對(duì)推進(jìn)劑/襯層粘接界面力學(xué)性能的研究方法主要有試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法[2～6]。姜愛民[7]開展了推進(jìn)劑/襯層試件單向拉伸試驗(yàn)，并用數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）進(jìn)行了模擬，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)試件變形的定量分析；楊明[8]開展了推進(jìn)劑/襯層微型試件的原位拉伸試驗(yàn)，從細(xì)觀層面分析了界面失效機(jī)理；宋先邨[9]開展了粘接界面的加速老化試驗(yàn)，探究了預(yù)扯離強(qiáng)度和倉庫溫度與貯存壽命的關(guān)系。

本文開展了推進(jìn)劑/襯層粘接試件振動(dòng)加速試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的件進(jìn)行了單向拉伸性能測(cè)試，探究了固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面振動(dòng)損傷規(guī)律。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 推進(jìn)劑/襯層粘接試件制備

參考航天工業(yè)標(biāo)QJ2038.2-91《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室界面粘接強(qiáng)度測(cè)定方法》[10]有關(guān)要求，設(shè)計(jì)推進(jìn)劑/襯層粘接試件。試件的尺寸圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示，該粘接試件主要有三部分組成：兩端的金屬件、中間的推進(jìn)劑以及二者間的粘接層?？紤]到試驗(yàn)成本，兩端的金屬件使用普通鋼材料。

圖1 粘接試件尺寸

圖2 粘接試件實(shí)物圖

由于試件制作工藝和貯存問題，進(jìn)行試驗(yàn)之前，需要對(duì)試件表面進(jìn)行處理，刮除試件表面及兩端螺紋處的殘留物，使試件能夠緊密地安裝在振動(dòng)夾具上，避免因試件安裝不牢造成試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備共有兩個(gè)：ES-10-240/Amber振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和CMT6203電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

1）ES-10-240/Amber振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用途：粘接試件振動(dòng)加速試驗(yàn)

性能參數(shù)：溫度范圍：0℃～40℃（風(fēng)冷），5℃～40℃（水冷）；濕度范圍：0%～90%，不結(jié)霜。

2）CMT6203電子萬能試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)用途：?jiǎn)蜗蚶欤瑴y(cè)試振動(dòng)后粘接試件的應(yīng)力強(qiáng)度。

性能參數(shù)：溫度范圍：25±2℃；濕度范圍：0%～70%；橫梁速度調(diào)節(jié)范圍：0.001mm/min～500mm/min。

3 振動(dòng)試驗(yàn)方案

在前期的研究中，根據(jù)固體發(fā)動(dòng)機(jī)海上實(shí)測(cè)振動(dòng)載荷進(jìn)行了應(yīng)力仿真，通過應(yīng)力等效轉(zhuǎn)化公式得到了實(shí)驗(yàn)室條件下施加于粘接試件的加速度譜，如圖4所示。

圖4 施加于試件的加速度譜

隨機(jī)振動(dòng)是在某一給定時(shí)刻無法預(yù)知瞬時(shí)值的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在工程技術(shù)中一般通過頻率域來描述隨機(jī)過程的特征[11]。在Amber控制系統(tǒng)中設(shè)置隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)時(shí)，要求輸入的載荷為功率譜密度（PSD）。功率譜密度代表了隨機(jī)信號(hào)在單位頻帶內(nèi)的功率，平穩(wěn)隨機(jī)過程X(t)的功率譜密度定義為[12]

式中：RX(τ)為自相關(guān)函數(shù)。

將時(shí)域數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算，得到的功率譜密度結(jié)果是一條譜密度值-頻率關(guān)系曲線。將圖4中的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PSD譜形式，如圖5所示，圖像縱坐標(biāo)單位為g2Hz。

圖5 PSD曲線

由圖5所示的PSD曲線可知，加速度信號(hào)功率主要集中在0.32Hz～0.40Hz之間，其他頻率的功率譜密度值極小。因而在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)可忽略能量較小的頻率范圍，僅保留0.32Hz～0.40Hz范圍內(nèi)的PSD數(shù)據(jù)。

計(jì)劃模擬固體發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)值班180天（d）的界面振動(dòng)情況，每天振動(dòng)24小時(shí)（h），對(duì)應(yīng)的理論振動(dòng)總時(shí)間t總為180d×24h=4320h。由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)連續(xù)工作時(shí)間的限制，每天進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)2h，不同倍頻下對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)天數(shù)如下：

式中：ti表示不同倍頻試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，d；Δf表示一倍頻的頻率范圍，Hz；Δfi表示多倍頻對(duì)應(yīng)的頻率范圍，Hz。

設(shè)計(jì)振動(dòng)時(shí)間為30d，由式（2）計(jì)算可得，需對(duì)圖5中的PSD頻率成分提高72倍。根據(jù)試驗(yàn)需要，準(zhǔn)備12個(gè)試件，分為3組，每組4個(gè)，每組不同的試件分別對(duì)應(yīng)理論振動(dòng)45天、90天、135天、180天，按照72倍頻進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。每隔相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)間，取下3個(gè)試件，進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)束后記錄結(jié)果，比較各組試件的粘接強(qiáng)度，總結(jié)振動(dòng)載荷對(duì)試件粘接界面性能的影響規(guī)律。

圖6 試驗(yàn)過程

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7給出了兩組試件的單向拉伸結(jié)果，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可總結(jié)出如下規(guī)律：

1）單向拉伸時(shí)，隨著應(yīng)變?cè)黾?，界面?yīng)力先上升，達(dá)到最大應(yīng)力強(qiáng)度值時(shí)應(yīng)力下降，下降到某一數(shù)值時(shí)試件斷裂。

2）隨著振動(dòng)時(shí)間增加，試件最大應(yīng)力強(qiáng)度逐漸減小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也逐漸減小。整個(gè)試驗(yàn)過程中，粘接試件的最大應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值在15%-35%范圍內(nèi)，變化范圍較大，可見振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)界面的應(yīng)變特性影響較大。

3）當(dāng)拉伸試件達(dá)到其可承受的最大載荷后，繼續(xù)施加載荷，振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)的試件，越快斷裂。分析認(rèn)為，可能的原因是界面附近推進(jìn)劑一側(cè)的顆粒和基體在振動(dòng)過程中發(fā)生了“脫濕”，導(dǎo)致界面粘接作用減弱。

4）對(duì)拉斷后的試件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)所有試件的斷裂面均在粘接界面的推進(jìn)劑一側(cè)，即粘接界面處承受應(yīng)力載荷時(shí)，受到損壞較嚴(yán)重的主要是界面附近的固體推進(jìn)劑。

圖7 固化降溫過程的應(yīng)力分布

試驗(yàn)中記錄的試件最大應(yīng)力數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同振動(dòng)時(shí)間下試件的粘接強(qiáng)度

根據(jù)表1繪制試件粘接強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間的變化曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯S著試件振動(dòng)時(shí)間增加，單向拉伸時(shí)試件所能承受的最大應(yīng)力逐漸減小，即試件粘接強(qiáng)度逐漸下降。

圖8 粘接試件粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖8所示的試件粘接強(qiáng)度平均值變化情況，可以大致擬合出試件粘接強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間變化的公式：

式中：σmax為最大應(yīng)力強(qiáng)度，KPa；t為時(shí)間，d。

5 結(jié)語

通過本文的研究，得到如下結(jié)論：

1）對(duì)粘接試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)時(shí)，隨著應(yīng)變?cè)黾?，界面?yīng)力先上升后下降，在某一數(shù)值時(shí)試件斷裂；隨著振動(dòng)時(shí)間增加，試件最大應(yīng)力強(qiáng)度減小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也逐漸減小，振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)界面的應(yīng)變特性影響較大；當(dāng)拉伸試件達(dá)到其可承受的最大載荷后，繼續(xù)施加載荷，振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)的試件斷裂越快。

2）振動(dòng)后，粘接試件的斷裂面均在粘接界面的推進(jìn)劑一側(cè)，粘接界面在承受應(yīng)力載荷時(shí)，受到損傷較嚴(yán)重的主要是界面附近的固體推進(jìn)劑。

3）粘接試件的粘接強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律可由公式σmax=677.2-0.23t表征。