張 燾,張衛(wèi)平,張 浩,卞賀明,劉 偉

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司六院四十一所，呼和浩特 010010；2.天津大學(xué)，天津 300354；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司九院十三所，北京 100094)

0 引言

藥柱是固體發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期過程中易受到外部環(huán)境影響，是發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的應(yīng)力應(yīng)變是影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)壽命的主要因素[1-3]?，F(xiàn)階段，固體推進(jìn)劑藥柱應(yīng)變變化規(guī)律主要通過藥柱表面應(yīng)變測(cè)量與仿真計(jì)算藥柱內(nèi)部應(yīng)變相結(jié)合的方式獲得，缺少對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變的可靠監(jiān)測(cè)手段。國(guó)外學(xué)者Christos Riziotis、Ludwig Eineder等[4]和國(guó)內(nèi)的陳濤[5]在固體推進(jìn)劑試件內(nèi)部植入聚合物光纖(POF，Polymer Optical Fiber)結(jié)構(gòu)，并開展相應(yīng)的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明固體推進(jìn)劑試件的應(yīng)變與POF的光學(xué)響應(yīng)之間存在一致性[6]，這為固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量提供了一種新的思路。但POF傳感器所測(cè)得的物理量為任意一段光纖傳感器所處位置的平均值，測(cè)量精度較差，而FBG傳感器定位更加精準(zhǔn)、測(cè)量精度更高。

FBG傳感器具有體積小、質(zhì)量小、空間分布簡(jiǎn)單、抗干擾及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)檢測(cè)與損傷診斷中應(yīng)用廣泛，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷與破壞的提前預(yù)警、損傷位置與損傷程度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[8-9]。近年來，F(xiàn)BG傳感器被大量應(yīng)用在橋梁建筑、航空航天、船舶和電力等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)、電力電纜的健康監(jiān)測(cè)和飛機(jī)、船舶結(jié)構(gòu)壓力、溫度、振動(dòng)等信息的監(jiān)測(cè)[10-11]。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，F(xiàn)BG傳感器對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷與缺陷的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度與壓力的測(cè)量等方面已有研究[11-15]；在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量方面，由于FBG傳感器與固體推進(jìn)劑的彈性模量、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能相差巨大，難以直接應(yīng)用[5]。

基于FBG傳感器感知技術(shù)，本文通過開展內(nèi)埋FBG傳感器固體推進(jìn)劑試件拉伸、壓縮試驗(yàn)，獲得內(nèi)埋FBG傳感器固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變變化規(guī)律，驗(yàn)證了FBG傳感器對(duì)固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量的可行性，為FBG傳感器用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)檢測(cè)提供支撐。

1 植入式FBG應(yīng)變傳感器研究

1.1 內(nèi)埋FBG傳感器增敏結(jié)構(gòu)的確定

當(dāng)FBG應(yīng)變傳感器的變形與被測(cè)材料的變形保持一致時(shí)，傳感器的應(yīng)變值才能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)基體的應(yīng)變[15]?，F(xiàn)有的FBG模量較大(一般為50～70 GPa)[16]，而固體推進(jìn)劑模量較小(一般為幾到幾十MPa)，由于模量匹配性不好導(dǎo)致兩者協(xié)調(diào)變形性較差[14]，固體推進(jìn)劑的變形無法100%傳遞給傳感器，傳感器的測(cè)量值不能真實(shí)地反映推進(jìn)劑的真實(shí)應(yīng)變。本文用應(yīng)變傳遞效率(簡(jiǎn)稱“傳遞效率”)來表征應(yīng)變測(cè)量值與被測(cè)對(duì)象真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系，傳遞效率=(測(cè)量值/真實(shí)值)×100%。

為了提高FBG傳感器與固體推進(jìn)技的變形協(xié)調(diào)性，從而提升FBG傳感器對(duì)固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量的傳遞效率和可靠性，需要研究一種增敏方法。根據(jù)FBG傳感器的特性，在FBG傳感器兩端設(shè)計(jì)與之剛性連接的固定小球。通過小球感知基體的位移變化，并將變形量傳遞到傳感器，從而增加對(duì)柔性材料應(yīng)變變化的敏感程度及測(cè)量精度。由于測(cè)量期望獲取的應(yīng)變值為試件中被測(cè)具體位置的應(yīng)變值，因此在增敏小球兩端增加免應(yīng)力套管(φ0.6 mm的聚四氟乙烯套管)，避免試件中沿光纖的材料應(yīng)變對(duì)光纖產(chǎn)生拉伸或壓縮作用，影響測(cè)量精度與效率。FBG傳感器增敏結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FBG應(yīng)變傳感器增敏結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of FBG strain sensor

本研究采用的FBG應(yīng)變測(cè)量傳感器及解調(diào)儀由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第十三研究所提供，傳感器的工作溫度為-60～100 ℃，解調(diào)儀為采樣率100 Hz的4通道低頻光纖光柵解調(diào)儀。

1.2 增敏小球尺寸確定

開展數(shù)值分析為FBG傳感器結(jié)構(gòu)及試件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考，并初步探索不同尺寸增敏小球的增敏效果。本文采用ANSYS Mechanical軟件對(duì)植入FBG應(yīng)變傳感器的固體推進(jìn)劑試件拉伸及壓縮試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得無增敏球和帶有φ2.0 mm、φ3.0 mm、φ4.0 mm增敏小球的FBG應(yīng)變傳感器在拉伸和壓縮狀態(tài)下的傳遞效率，見表1。數(shù)值分析采用子模型法，采用8節(jié)點(diǎn)SOLID186單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，建立全模型和子模型，先對(duì)全模型進(jìn)行分析，再將全模型的計(jì)算結(jié)果插值到子模型的切割邊界，最后計(jì)算子模型。子模型中最小網(wǎng)格尺寸0.02 mm。增敏小球和光纖光柵傳感器采用線彈性模型，固體推進(jìn)劑采用基于應(yīng)力松弛模量主曲線測(cè)試擬合后獲得的Prony級(jí)數(shù)模型來表征其粘彈性。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隨著增敏小球直徑的增大，試件受力拉伸變形和壓縮變形時(shí)的傳遞效率越高。結(jié)合固體推進(jìn)劑的力學(xué)特性及數(shù)值仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了4種傳感器結(jié)構(gòu)，分別是無增敏球和帶有φ2.0 mm、φ3.0 mm、φ4.0 mm增敏球的FBG應(yīng)變測(cè)量傳感器，用于植入固體推進(jìn)劑試件實(shí)物內(nèi)部。

表1 不同增敏尺寸拉伸、壓縮狀態(tài)傳遞效率仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of transfer efficiency in tensile state and compression state with different sensitizing sizes

2 內(nèi)埋FBG傳感器固體推進(jìn)劑試驗(yàn)

試驗(yàn)分為拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)。在不破壞光纖傳感器的情況下，針對(duì)4種傳感器結(jié)構(gòu)開展不同加載速率(2.0 mm/min和20.0 mm/min)的拉伸和壓縮試驗(yàn)，獲取不同增敏尺寸光纖傳感器的應(yīng)變測(cè)量性能。共進(jìn)行了8組試驗(yàn)，每組有4個(gè)平行試樣。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用WDW-10微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，見圖2。該型試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)力范圍0.04～10 kN，位移分辨率0.001 mm，位移加載速率0.005～500 mm/min，工作溫度10～35 ℃，濕度20%～80%。

(a)Universal testing machine

(b)Tooling for tensile test (c)Tooling for compression test圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test equipment

2.2 固體推進(jìn)劑試件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照GJB 770B—2005《火藥試驗(yàn)方法》并結(jié)合傳感器埋設(shè)的要求，設(shè)計(jì)內(nèi)埋FBG傳感器的丁羥三組元固體推進(jìn)劑拉伸和壓縮試件。拉伸試件形狀為啞鈴狀，尺寸為370 mm×110 mm×70 mm；壓縮試件為110 mm×110 mm×110 mm的正方體。在試件內(nèi)部中間位置沿軸向布設(shè)FBG傳感器，并從試件兩端引出，試件形狀、尺寸示意圖見圖3所示。

2.3 拉伸試驗(yàn)

2.3.1 慢速拉伸加載

在拉伸件慢速加載試驗(yàn)中(2.0 mm/min)，如圖4(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時(shí)刻應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變值越大。隨著增敏小球直徑增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率逐漸增加，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏結(jié)構(gòu)傳遞效率最佳，如圖4(b)所示。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖4 不同增敏尺寸慢速拉伸試驗(yàn)曲線Fig.4 Curves of slower speed tensile test of the specimen with different sensitizing sizes

2.3.2 快速拉伸加載

在拉伸件快速加載試驗(yàn)中(20.0 mm/min)，如圖5(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時(shí)刻傳感器測(cè)得的應(yīng)變絕對(duì)值越大。隨著增敏小球直徑的增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖5(b)所示，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏結(jié)構(gòu)傳遞效率最佳。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖5 不同增敏尺寸快速拉伸試驗(yàn)曲線Fig.5 Curves of faster speed tensile test of the specimen with different sensitizing sizes

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于試件表面存在缺陷，加載初期試件不能與試驗(yàn)系統(tǒng)的加載工裝均勻、緊密配合，導(dǎo)致試驗(yàn)過程前段傳遞效率波動(dòng)較大，故在拉伸試驗(yàn)慢速加載中計(jì)算傳遞效率時(shí)，以40 s后趨于穩(wěn)定的各傳感器的傳遞效率求平均值；在拉伸試驗(yàn)快速加載中計(jì)算傳遞效率時(shí)，拉伸件以10 s后趨于穩(wěn)定的各傳感器傳遞效率求平均值，不同傳感器類型的拉伸試件傳遞效率平均值如表2所示。

表2 拉伸試件應(yīng)變傳感器傳遞效率平均值Table 2 Average transfer efficiency of strain sensor for tensile specimen

通過分析拉伸試驗(yàn)的結(jié)果可知：隨著增敏小球直徑的增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率增加，本研究選取的傳感器方案中，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏小球FBG傳感器傳遞效率曲線穩(wěn)定性非常好。

2.4 壓縮試驗(yàn)

2.4.1 慢速壓縮加載

在壓縮件慢速加載試驗(yàn)中(2.0 mm/min)，如圖6(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時(shí)刻，應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變值絕對(duì)值越大，且隨著增敏小球直徑增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖6(b)所示。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖6 不同增敏尺寸慢速壓縮試驗(yàn)曲線Fig.6 Curves of slower speed compression test of the specimen with different sensitizing sizes

2.4.2 快速壓縮加載

在壓縮件快速加載試驗(yàn)中(20.0 mm/min)，如圖7(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時(shí)刻傳感器測(cè)得的應(yīng)變絕對(duì)值越大。隨著增敏小球直徑的增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖7(b)所示。對(duì)比圖6(b)和圖7(b)可知,快速加載時(shí)傳遞效率曲線的收斂性相比慢速加載時(shí)較差。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖7 不同增敏尺寸快速壓縮試驗(yàn)曲線Fig.7 Curves of faster speed compression test of the specimen with different sensitizing sizes

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于試件表面存在缺陷，壓縮試驗(yàn)加載初期試件不能與試驗(yàn)系統(tǒng)的加載工裝均勻、緊密配合，導(dǎo)致試驗(yàn)過程前段傳遞效率波動(dòng)較大，故在壓縮試驗(yàn)慢速加載中計(jì)算傳遞效率時(shí)，以30 s后趨于穩(wěn)定時(shí)的各支傳感器傳遞效率求平均值；在壓縮試驗(yàn)快速加載中計(jì)算傳遞效率時(shí)，以5 s的趨于穩(wěn)定的各支傳感器傳遞效率求平均值，不同傳感器類型的壓縮試件傳遞效率平均值如表3所示。

通過分析拉伸試驗(yàn)的結(jié)果可知：隨著增敏小球直徑的不斷增加，F(xiàn)BG傳感器的傳遞效率不斷增加，本研究選取的傳感器方案中，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏小球FBG傳感器傳遞效率曲線穩(wěn)定性非常好。

3 結(jié)論

本文開展了FBG傳感器在固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用研究，對(duì)預(yù)埋FBG應(yīng)變傳感器固體推進(jìn)劑試件拉伸和壓縮試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：

(1)采用增敏小球結(jié)構(gòu)可以有效地解決FBG應(yīng)變傳感器與固體推進(jìn)劑的變形協(xié)調(diào)性問題，從而大幅提升應(yīng)變測(cè)量的靈敏度和傳遞效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量；

(2)FBG應(yīng)變傳感器在固體推進(jìn)劑中的傳遞效率與加載方式、加載速率相關(guān)。

本文的研究過程和結(jié)論可為FBG應(yīng)變傳感器在固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用提供參考，但要實(shí)現(xiàn)FBG應(yīng)變傳感器在固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變測(cè)量的大規(guī)模工程應(yīng)用，尚有很多關(guān)鍵性難題需要解決，如FBG應(yīng)變傳感器在測(cè)量固體推進(jìn)劑內(nèi)部應(yīng)變時(shí)的量程。同時(shí)，在固體推進(jìn)劑內(nèi)部植入應(yīng)變測(cè)量結(jié)構(gòu)不可避免地對(duì)推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)的完整性造成負(fù)面影響，因此結(jié)合推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性要求確定增敏小球的最佳尺寸也是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。