郭興旺，陳 棟

(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)絕熱層脫粘的脈沖熱像檢測(cè)分析

郭興旺，陳 棟

(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)

為了給紅外熱像法在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層檢測(cè)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，用數(shù)值模擬法分析了絕熱層脫粘脈沖熱像檢測(cè)的基本規(guī)律。得到了決策參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的多變量關(guān)系，并對(duì)部分檢測(cè)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最大溫差和最大對(duì)比度與脫粘尺寸之間的關(guān)系，可用分段線(xiàn)性函數(shù)近似描述，隨著脫粘尺寸的增大，最大溫差和最大對(duì)比度都增加；最大溫差和最大對(duì)比度與絕熱層厚度的關(guān)系是非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，隨著絕熱層厚度增加，最大溫差和最大對(duì)比度迅速下降；鋼殼厚度的增加，對(duì)從絕熱層一側(cè)的單面法檢測(cè)有利。所得數(shù)據(jù)和結(jié)論為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層脫粘的脈沖熱像檢測(cè)提供了指導(dǎo)。

紅外無(wú)損檢測(cè)；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；絕熱層；脫粘；脈沖熱像法；數(shù)值模擬

0 引言

固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)是火箭、導(dǎo)彈和宇航飛船等航空航天飛行器的常用動(dòng)力裝置。燃燒室作為SRM的重要組成部分，其絕熱層與殼體的良好粘接是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要條件。在實(shí)際生產(chǎn)中，殼體清洗不干凈、膠接固化控制不佳、運(yùn)輸不當(dāng)?shù)纫蛩?，都有可能引起該粘接結(jié)構(gòu)的脫粘[1]。因此，對(duì)絕熱層的粘接質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)十分必要。目前，采用的檢測(cè)方法主要有目視、敲擊、從金屬殼體外進(jìn)行手動(dòng)超聲掃描。此外，激光全息和工業(yè)CT也有少量的應(yīng)用[2]。近年來(lái)，隨著紅外熱像法的發(fā)展和日趨成熟，SRM裝藥包覆層、絕熱層脫粘的紅外熱像檢測(cè)法受到了一定重視[3-5]。紅外熱像法具有單次成像面積大、非接觸、速度快、對(duì)人體安全等優(yōu)點(diǎn)，近十余年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展，已經(jīng)在航空航天材料和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。然而，在SRM多界面脫粘檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用還基本為空白。在SRM絕熱層脫粘的脈沖熱像(PT，Pulsed Thermography)檢測(cè)研究方面，目前已從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面，證明了檢測(cè)的可行性和可靠性，并提出了用于缺陷增強(qiáng)和尺寸測(cè)量的熱像數(shù)據(jù)處理方法——基于相關(guān)系數(shù)的算法[9]，但就脈沖激勵(lì)條件和試件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)缺陷信號(hào)和檢測(cè)極限的定量影響規(guī)律還不太清楚。

為了彌補(bǔ)當(dāng)前SRM絕熱層脫粘脈沖熱像檢測(cè)研究的不足，建立決策參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，從而推進(jìn)PT技術(shù)在SRM絕熱層脫粘檢測(cè)中的應(yīng)用，本文將對(duì)SRM絕熱層脫粘的脈沖熱像檢測(cè)規(guī)律進(jìn)行研究。首先，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)由鋼板、內(nèi)絕熱層和外熱防護(hù)層組成的三層物理模型，建立脈沖熱像檢測(cè)的三維瞬態(tài)傳熱模型，用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究脫粘缺陷大小、絕熱層厚度、鋼殼厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)缺陷最大溫差、最大對(duì)比度等信息參數(shù)的影響規(guī)律。然后，利用預(yù)置脫粘缺陷的三層結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性。最后，總結(jié)出絕熱層脫粘PT檢測(cè)的基本規(guī)律[10]。

1 絕熱層脫粘脈沖熱像檢測(cè)的有限元仿真

1.1 仿真模型和參數(shù)設(shè)定

假設(shè)SRM殼體由鋼殼體、絕熱層和外熱防護(hù)層構(gòu)成，絕熱層材料為丁腈橡膠?？紤]到試件制作的簡(jiǎn)便性，外熱防護(hù)層也用丁腈橡膠代替。在絕熱層和殼體之間存在脫粘缺陷，脫粘處以空氣隙代替。選脫粘處的局部結(jié)構(gòu)為對(duì)象，忽略殼體結(jié)構(gòu)的弧度，設(shè)脫粘區(qū)為正方形，建立其三維瞬態(tài)傳熱的仿真模型。根據(jù)傳熱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，只需取整體結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行數(shù)值分析，如圖1所示。圖中，xz面和yz面為對(duì)稱(chēng)中心面；模型和脫粘區(qū)在xy面上均為正方形，邊長(zhǎng)分別為D和d；脫粘形成的空氣隙內(nèi)嵌在絕熱層的底部，氣隙厚度為δ。仿真模型的合理性在文獻(xiàn)[9]做了詳細(xì)論證。材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

設(shè)試件初始溫度為T(mén)0=0，試件上下表面與環(huán)境有對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為h=10 W/(m2·K)，其他表面絕熱，采用從絕熱層一側(cè)的單面檢測(cè)法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具備的脈沖熱激勵(lì)裝置的能量，設(shè)脈沖激勵(lì)的熱流密度為

(1)

式中 幅值q0=1.9×106W/m2，加熱時(shí)長(zhǎng)th=0.01 s。

利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行傳熱計(jì)算。單元類(lèi)型選用8節(jié)點(diǎn)三維六面體單元 SOLID70；網(wǎng)格劃分兼顧計(jì)算精度和效率，采用映射網(wǎng)格劃分；單元為長(zhǎng)方體，在xy面內(nèi)是邊長(zhǎng)為0.5 mm的正方形，在厚度方向上，將對(duì)缺陷信號(hào)影響較大的操作側(cè)表層單元尺寸設(shè)為0.15 mm，其余各層單元尺寸為0.2 mm；單元總數(shù)為12 000。仿真步長(zhǎng)的設(shè)置是在加熱階段，初始步長(zhǎng)為5×10-5s，最大步長(zhǎng)為5×10-4s；在散熱階段，初始步長(zhǎng)為0.02 s，最大步長(zhǎng)為0.1 s；總仿真時(shí)長(zhǎng)為20 s。

如果沒(méi)有另行說(shuō)明，其他參數(shù)的選取如下：D=20 mm，H=1.55 mm，L=2 mm，L1=1 mm，δ=0.05 mm。數(shù)值計(jì)算結(jié)束后，以模型表面點(diǎn)A和B分別代表缺陷區(qū)和無(wú)缺陷區(qū)溫度，計(jì)算缺陷信息參數(shù)。

缺陷信息參數(shù)主要有溫差ΔT、最大溫差ΔTm、最大溫差時(shí)間tdm、動(dòng)態(tài)對(duì)比度C、最大對(duì)比度Cm、最大對(duì)比度時(shí)間tm和信噪比SNR等[11]。

結(jié)構(gòu)材料密度ρ/(kg/m3)比熱容c/[J/(kg·K)]熱導(dǎo)率λ/[W/(m·K)]絕熱層/外熱防護(hù)層NBR107016940．448殼體Steel790044046脫粘區(qū)Air1．27000．02夾片PTFE1)214010500．24

注：1)PTFE：polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯。

1.2 脫粘大小對(duì)信息參數(shù)的影響

固定絕熱層厚度H=1.55 mm，將脫粘缺陷邊長(zhǎng)作為變化量，取d=2、4、6、8 mm，其余參數(shù)同前述默認(rèn)值。仿真得到的溫差-時(shí)間曲線(xiàn)和對(duì)比度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖2所示。

設(shè)絕熱層厚度H=1.05、1.55、2.05 mm，缺陷邊長(zhǎng)d=1～10 mm，間隔為1 mm，仿真得到的缺陷信息參數(shù)與缺陷大小的關(guān)系如圖3所示。

最大溫差和最大對(duì)比度隨缺陷尺寸的變化規(guī)律可用分段線(xiàn)性函數(shù)近似描述，即分別存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)dΔ和dC，有

(2)

(3)

方程(2)、(3)中的參數(shù)如表2所列，k2總是小于k1。超過(guò)dΔ的缺陷尺寸對(duì)最大溫差的影響減弱，超過(guò)dC的缺陷尺寸對(duì)最大對(duì)比度的影響減弱，即大缺陷的易檢性將不再明顯增加。

最大溫差時(shí)間tdm和最大對(duì)比度時(shí)間tm與缺陷橫向尺寸的關(guān)系近似為線(xiàn)性關(guān)系，尺寸越大，最大溫差時(shí)間tdm和最大對(duì)比度時(shí)間tm也越大。

1.3 絕熱層厚度對(duì)信息參數(shù)的影響

取缺陷大小d=3、6、10 mm，絕熱層厚度H=1.05～5.05 mm，間隔為0.5 mm。仿真得到的缺陷信息參數(shù)與絕熱層厚度的關(guān)系如圖4所示。

ΔTm與H之間、Cm與H之間的關(guān)系，滿(mǎn)足擬合模型公式：

ΔTm=a1e-b1H+a2e-b2H

(4)

Cm=a1e-b1H+a2e-b2H

(5)

其中，H的單位為mm。對(duì)不同缺陷尺寸d，求得的待定參數(shù)見(jiàn)表3。

由圖4(a)、(b)可知，ΔTm和Cm隨著絕熱層的增厚急劇變小，并逐漸趨近于0。

在脈沖總能量、缺陷大小和實(shí)測(cè)溫度噪聲閾值(用標(biāo)準(zhǔn)差表示)一定時(shí)，可利用最大溫差與絕熱層厚度的關(guān)系(圖4(a))，確定極限檢測(cè)厚度。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)熱像(圖9)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，非缺陷區(qū)溫度方差的最大值σm=0.1 K。在圖4(a)中，當(dāng)d=3 mm、H=2.5 mm時(shí)，ΔTm=0.16℃；d=6 mm、H=3.5 mm時(shí)，ΔTm=0.169 ℃；d=10 mm，H=4.5 mm時(shí)，ΔTm=0.142℃。由于ΔTm>σm，故脫粘尺寸d=3、6、10 mm的缺陷分別在絕熱層厚度H≤2.5、3.5、4.5 mm的范圍內(nèi)能被檢測(cè)到(SNR>1)。因此，根據(jù)擬合公式，可預(yù)測(cè)在相應(yīng)條件下，檢測(cè)一定大小的缺陷時(shí)，所允許的絕熱層最大厚度。

方程d/mma1b1a2b2Eq．(4)32．1561．09630．812．72863．6980．881219．392．155104．2050．749818．872．315Eq．(5)313．333．4351．121．11169．9212．7981．9580．8544109．9062．8942．140．6883

tdm與H之間、tm與H之間的關(guān)系，分別滿(mǎn)足擬合模型公式：

tdm=a·eb·H+c

(6)

tm=a·eb·H+c

(7)

其中，H的單位為mm。

對(duì)不同大小缺陷的擬合參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 最大溫差時(shí)間和最大對(duì)比度時(shí)間與絕熱層厚度關(guān)系的擬合曲線(xiàn)方程(6)、(7)的參數(shù)值

1.4 鋼殼厚度對(duì)溫差和對(duì)比度的影響

取脫粘氣隙厚度δ=0.05 mm，邊長(zhǎng)d=6 mm，絕熱層厚度H=1.55 mm，鋼殼厚度L=3、4 mm，得到仿真結(jié)果與L=2 mm時(shí)的對(duì)比如圖5所示。隨著鋼殼厚度的增加，最大溫差和最大對(duì)比度變大。因此，對(duì)從絕熱層一側(cè)的單面檢測(cè)法而言，鋼殼厚度增大，有利于檢測(cè)。

2 脈沖熱像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的脈沖紅外熱像檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閃光燈、紅外熱像儀、控制器、計(jì)算機(jī)及紅外NDT應(yīng)用軟件組成，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。2個(gè)閃光燈的總能量為6 kJ；熱像儀的像素分辨率為320×240，最高幀頻為60 Hz，熱靈敏度為0.1 K(在30 ℃時(shí))。采用從絕熱層一側(cè)檢測(cè)的單面檢測(cè)法。試件結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖中尺寸單位為mm。

殼體材料為鋼，絕熱層為丁晴橡膠，為了制作方便外熱防護(hù)層也用丁晴橡膠制作。在絕熱層與鋼殼體之間，預(yù)設(shè)了2排尺寸不同的圓形和方形脫粘缺陷，以0.08 mm厚的PTFE夾片模擬脫粘，夾片與絕熱層之間無(wú)膠粘劑。由于真實(shí)的脫粘難以定量制作，實(shí)踐中常用PTFE夾片來(lái)模擬脫粘。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，2個(gè)閃光燈布置在試件的左右兩側(cè)，照射角(光入射角)約為45°，閃光燈距離試件中心約0.18 m，熱像儀與試件的距離約為 0.54 m，熱像采集頻率設(shè)定為15 Hz，采集240幀，信號(hào)記錄時(shí)長(zhǎng)為16 s。在閃光開(kāi)始前，采集5幀熱像，以其平均值作為試件表面初始溫度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

典型的過(guò)余溫度圖如圖8所示，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，可顯示出所有缺陷，在t=3.067 s時(shí)，缺陷的對(duì)比度較高。試件制作過(guò)程中，PTFE片有挪動(dòng)，在一次位置，由于部分膠粘劑被帶走，產(chǎn)生了形似夾片形狀的弱粘接缺陷，此處有少量空氣，而在PTFE與絕熱層之間，存在更多空氣。

在邊長(zhǎng)d=10、8、6、4 mm的4個(gè)方形缺陷的中心，分別取3×3像素為缺陷區(qū)；在附近無(wú)缺陷的地方，取一個(gè)33×26 像素的矩形區(qū)域作為無(wú)缺陷區(qū)，如圖9所示。

相應(yīng)的實(shí)測(cè)溫差和對(duì)比度與仿真結(jié)果(設(shè)缺陷為空氣隙，H=1.50 mm，h=0.05 mm，d=10、8、6、4 mm，q0=1.9×106W/m2，th=0.01 s)的對(duì)比如圖10所示，對(duì)應(yīng)的信號(hào)曲線(xiàn)基本相近。

實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果之間的誤差來(lái)源主要有熱擴(kuò)散系數(shù)的誤差，混合缺陷與純空氣隙的等價(jià)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性[12-13]，試件實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差，熱激勵(lì)函數(shù)的差別等。

實(shí)驗(yàn)與仿真獲得的缺陷信息參數(shù)的對(duì)比如表5所列，表中相對(duì)誤差的計(jì)算以理論值為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表5 實(shí)驗(yàn)與理論缺陷信息參數(shù)的對(duì)比

由表5可知，多數(shù)信息參數(shù)的實(shí)測(cè)值與理論值基本相符，只有最大溫差時(shí)間誤差偏大，在20%以上?？赡艿脑蛴欣碚撚?jì)算時(shí)熱擴(kuò)散系數(shù)和絕熱層厚度的取值與實(shí)際值有偏差；熱像采集頻率設(shè)定為15 Hz時(shí)，采樣間隔為0.067 s，時(shí)間零點(diǎn)的定位有1個(gè)采樣間隔的誤差；實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的噪聲對(duì)極值點(diǎn)的準(zhǔn)確定位有影響。

3 結(jié)論

(1)脫粘尺寸對(duì)缺陷信息參數(shù)的影響規(guī)律是最大溫差和最大對(duì)比度與脫粘尺寸之間的關(guān)系可用分段線(xiàn)性函數(shù)近似描述，隨著脫粘尺寸的增大，最大溫差和最大對(duì)比度都增加；最大溫差時(shí)間和最大對(duì)比度時(shí)間與脫粘尺寸的關(guān)系近似為線(xiàn)性關(guān)系，隨著脫粘尺寸的增大，最大溫差時(shí)間和最大對(duì)比度時(shí)間都單調(diào)增大。

(2)絕熱層厚度對(duì)缺陷信息參數(shù)的影響規(guī)律是最大溫差和最大對(duì)比度與絕熱層厚度的關(guān)系是非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系(參見(jiàn)式(4)、式(5))；最大溫差時(shí)間和最大對(duì)比度時(shí)間與絕熱層厚度的關(guān)系也是非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系(參見(jiàn)式(6)、式(7))。即隨著絕熱層厚度的增加，最大溫差和最大對(duì)比度迅速下降，最大溫差時(shí)間和最大對(duì)比度時(shí)間單調(diào)變大。

(3)鋼殼厚度對(duì)缺陷信息參數(shù)的影響規(guī)律是隨著鋼殼厚度的增加，最大溫差和最大對(duì)比度都增加，即鋼殼厚度的增加，對(duì)從絕熱層一側(cè)的單面法檢測(cè)有利。

以上結(jié)論為SRM絕熱層脫粘的PT檢測(cè)提供了定量的科學(xué)依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

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(編輯：崔賢彬)

Analysis on pulsed thermography of disbonds in insulator of solid rocket motors

GUO Xing-wang，CHEN Dong

(School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China)

In order to provide a scientific basis for the application of infrared thermography in the testing of insulators in solid rocket motors(SRMs),the basic laws of pulsed infrared thermography(PIRT)of disbonds in insulators were analyzed by using numerical simulation.The multi-parametric relationships between decision-making parameters and structure parameters were obtained,and a part of the testing laws was proved experimentally.The relations between the maximum temperature difference,the maximum contrast and the defect size can be described approximately by piecewise linear functions of the defect size,and both the maximum temperature difference and the maximum contrast increase with the increasing defect size.Both the maximum temperature difference and the maximum contrast are a non-linear function of the insulator thickness,and they decrease rapidly with the increasing insulator thickness.The obtained data and conclusions constitute a guideline for the PIRT of disbonds in the insulator of SRMs.

infrared non-destructive testing；solid rocket motor；insulator；disbonds；pulsed thermography；numerical simulation

2016-04-06；

2016-10-14。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61571028；U1433122)。

郭興旺(1964—)，男，博士/副教授，研究方向?yàn)榧t外無(wú)損檢測(cè)。E-mail：xingwangguo@buaa.edu.cn

V435；TG115.28

A

1006-2793(2017)02-0169-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.02.007