伍鵬， 李高春， 韓永恒， 趙汝巖， 譚潔， 劉著卿

(1.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264001; 2. 92635部隊(duì), 山東 青島 266102; 3. 91458部隊(duì), 海南 三亞 572001)

0 引言

粘接界面是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)完整性將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，研究表明約1/3的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障由粘接界面失效引發(fā)[1-2]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置處粘接界面受到的載荷大小與方向不同，導(dǎo)致其產(chǎn)生的變形也不同。對(duì)其開展多角度拉伸試驗(yàn)，研究其在不同拉伸角度下的變形與破壞過程，可以為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面結(jié)構(gòu)完整性提供參考。Choupani[3]對(duì)粘接試件進(jìn)行了多角度拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其斷裂韌性受拉伸角度影響較大。邱欣等[4]對(duì)矩形粘接試件進(jìn)行了多角度拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨拉伸角度的增加，試件上側(cè)推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面最大主應(yīng)力集中系數(shù)上升，下側(cè)推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面最大主應(yīng)力集中系數(shù)變化不大。數(shù)值模擬可以較好地還原粘接試件的損傷過程，通過在推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面處設(shè)置界面單元，采用相應(yīng)的界面本構(gòu)，可以較好地模擬粘接試件在載荷作用下的變形損傷特點(diǎn)，但是界面的相關(guān)參數(shù)不易獲取[5-7]。數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)[8]作為一種非接觸光學(xué)測量方法，能夠直接獲得物體表面的位移與應(yīng)變等信息，近年來發(fā)展迅速，在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[9-10]，取得了較好的效果。國內(nèi)外學(xué)者開始將其應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[11]采用DIC方法分析了復(fù)合固體推進(jìn)劑裂紋尖端附近應(yīng)變場的特點(diǎn)。姜愛民等[12]將DIC方法應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)矩形粘接試件單向拉伸試驗(yàn)過程位移與應(yīng)變的測量，發(fā)現(xiàn)DIC方法能夠較好地反映粘接試件在拉伸載荷作用下的變形過程。

綜上所述，本文針對(duì)DIC測量物體變形場的優(yōu)點(diǎn)，將其用于粘接試件多角度拉伸過程變形場測量的研究。揭示多角度拉伸過程粘接試件表面變形場的演化規(guī)律，為研究粘接試件在不同拉伸角度下的損傷機(jī)理提供參考。

1 矩形粘接試件多角度拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

按照航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 2038.1A—2004[13]制作了矩形粘接試件。該試件包括某型端羥基聚丁二烯(HTPB)推進(jìn)劑、襯層、絕熱層、鋼件。為了緩解兩端邊緣處的應(yīng)力集中，在試件下側(cè)兩端絕熱層與鋼件之間分別預(yù)制一個(gè)長度為20 mm的裂紋，即人工脫粘層。矩形粘接試件的形狀與尺寸如圖1所示。

圖1 粘接試件尺寸參數(shù)Fig.1 Parameters of adhesive specimen

試驗(yàn)采用的多角度拉伸夾具與文獻(xiàn)[4]中的夾具相同，通過調(diào)整插銷與夾具邊緣孔的配合位置，可以實(shí)現(xiàn)多種拉伸角度自由轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)時(shí)將夾具固定于拉伸機(jī)兩端，將試件放置于夾具中。用螺釘將其與夾具固定，防止拉伸過程中夾具與試件之間的松動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。拉伸機(jī)采用美國SANS公司的CMT6203型萬能材料試驗(yàn)機(jī)。采用高速圖像采集系統(tǒng)對(duì)拉伸過程進(jìn)行拍攝，調(diào)整攝像頭的位置，使粘接試件位于屏幕中央。試驗(yàn)在室溫條件下，以垂直于界面方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，拉伸方向與該方向夾角為拉伸角度，分別進(jìn)行拉伸角度為0°、22.5°、45.0°、67.5°、90.0°拉伸試驗(yàn)。不同拉伸角度下夾具與試件的安裝如圖2所示，圖2中虛線為垂直于界面方向，黃色箭頭為拉伸方向。從圖2中可以看出：0°拉伸時(shí)，推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面受到的法向作用最大，剪切作用最小；90°拉伸時(shí)，界面受到的剪切作用最大，法向作用最小。采用位移加載控制方式，為方便拍攝拉伸過程試件變形情況，設(shè)定拉伸速率為2 mm/min，拉伸至試件破壞時(shí)停止。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

定義拉伸位移與試件寬度(50 mm)之比為拉伸應(yīng)變，拉伸力與試件底面面積(2 000 mm2)之比為拉伸應(yīng)力。不同拉伸角度下拉伸應(yīng)變與拉伸應(yīng)力曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨拉伸應(yīng)變的增加，粘接試件的應(yīng)力表現(xiàn)為先線性增大，達(dá)到峰值后，開始下降。不同拉伸角度下，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥乃俾什煌?，?yīng)力峰值也不同。0°拉伸時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥乃俾首羁欤瑧?yīng)力峰值最大；90°拉伸時(shí)，增速最慢，應(yīng)力峰值最小。粘接試件的應(yīng)力與應(yīng)變曲線表明其在不同的拉伸角度下具有不同的變形與破壞模式。

圖2 不同拉伸角度夾具及試件的安裝Fig.2 Installation of fixture and specimen at different tensile angles

圖3 不同拉伸角度下應(yīng)力與拉伸應(yīng)變曲線Fig.3 Stress vs. external tensile strain at different tensile angles

不同拉伸角度下粘接試件的力學(xué)性能如表1所示。從表1中可以看出，不同的拉伸角度下粘接試件的力學(xué)性能差異較大。拉伸角度從0°增加至90°，界面受到的法向作用逐漸減小，剪切作用逐漸增大。從不同拉伸角度下試件的力學(xué)性能來看：0°拉伸時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度最大，約為0.39 MPa，表明在0°拉伸情況下，粘接試件能夠承受最大的應(yīng)力；而在90.0°拉伸時(shí)，試件的伸長率最大，約為47%，表明在90.0°拉伸情況下，粘接試件可以承受最大的變形。

表1 不同拉伸角度下試件的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of specimen at differenttensile angles

以45.0°拉伸為例，分析粘接試件的變形過程與破壞模式。45.0°拉伸時(shí)拉伸應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系如圖4所示，分別選取粘接試件拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線上的5個(gè)特征點(diǎn)A、B、C、D、E點(diǎn)。這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘接試件形貌代表了粘接試件的不同拉伸階段，能夠充分揭示其變形特點(diǎn)與破壞模式。

圖4 45.0°拉伸時(shí)應(yīng)力與拉伸應(yīng)變曲線Fig.4 Stress vs. external tensile strain at 45.0°

圖5 不同拉伸應(yīng)變時(shí)試件變形情況Fig.5 Deformations of specimens under different external tensile strains

特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘接試件形貌如圖5所示。由圖5可知，由A點(diǎn)至B點(diǎn)，隨著拉伸應(yīng)變的增大，左下側(cè)人工脫粘層裂紋張開角度變大。拉伸應(yīng)變小于B點(diǎn)時(shí)，推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面未見明顯損傷，如圖5(a)和圖5(b)所示，應(yīng)力隨拉伸應(yīng)變的增大幾乎呈線性增大。初始拉伸段(拉伸應(yīng)變<0.05)，由于試件與夾具之間松動(dòng)的原因，導(dǎo)致應(yīng)力與應(yīng)變曲線存在一定的非線性，但是對(duì)總體的影響較小；拉伸應(yīng)變達(dá)到B點(diǎn)之后，推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面內(nèi)部開始損傷，界面粘接能力減弱，應(yīng)力增加的速率開始減慢；當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，粘接試件應(yīng)力達(dá)到峰值，試件左下側(cè)人工脫粘層尖端推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面處開始發(fā)生脫粘現(xiàn)象，可以看到因?yàn)槊撜承纬傻牧芽p，如圖5(c)所示；拉伸應(yīng)變從C增加至D，該裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，應(yīng)力隨拉伸應(yīng)變的增大而開始減小，如圖5(d)所示；繼續(xù)增加拉伸位移，試件右上側(cè)邊緣處推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面也開始發(fā)生脫粘，如圖5(e)所示；粘接試件應(yīng)力繼續(xù)減小，同時(shí)應(yīng)力減小的速率增大，拉伸應(yīng)變繼續(xù)增大，試件最終斷裂。

對(duì)不同拉伸角度下粘接試件的破壞模式進(jìn)行分析。為方便描述，將推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面簡稱為界面。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，左下側(cè)人工脫粘層附近界面處與右上側(cè)端點(diǎn)界面處是脫粘的關(guān)鍵位置。參照文獻(xiàn)[4]的方法，將試件左下側(cè)人工脫粘層附近界面稱為Flap位置，該處界面脫粘稱為Flap起裂；將試件右上側(cè)邊緣處界面稱為Edge位置，該處界面脫粘稱為Edge起裂。不同拉伸角度下，試件的起裂位置如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)拉伸角度小于45.0°時(shí)，試件的起裂為Flap起裂，拉伸角度67.5°之后，試件的起裂方式為Edge起裂。造成這種現(xiàn)象的原因是，隨拉伸角度的變化，兩處關(guān)鍵點(diǎn)位置受到的應(yīng)力發(fā)生變化，造成其發(fā)生不同程度的變形。而試件表面的變形情況對(duì)于衡量推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面的變形破壞機(jī)理具有一定參考意義，因此需要開展多角度拉伸過程粘接試件變形場的測量研究。

圖6 不同拉伸角度下粘接試件的起裂位置Fig.6 Fracture initiation positions at different tensile angles

2 基于DIC的粘接試件變形過程計(jì)算

2.1 DIC原理

DIC方法通過采集物體變形前后一小塊子區(qū)的灰度圖像，按照預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)，通過一定的搜索方法，對(duì)變形前后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，找到變形前后的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即而實(shí)現(xiàn)變形場的測量[8]。其原理如圖7所示。在變形前的參考圖像中，取一參考子集，P(x0,y0)為參考子集中心點(diǎn)，Q(x,y)為參考子集中的任意點(diǎn)，P、Q之間的距離(dx,dy)。在變形后的目標(biāo)圖像中，取一目標(biāo)子集。由變形前后的對(duì)應(yīng)關(guān)系，變形后參考子集的中心點(diǎn)P的位移為u、v.P、Q分別移動(dòng)到P*、Q*處，P*、Q*之間的距離變?yōu)?dx*,dy*)，由變形前后坐標(biāo)對(duì)應(yīng)一一關(guān)系，得到Q*的坐標(biāo)如(1)式所示。

(1)

圖7 數(shù)字圖像相關(guān)方法原理Fig.7 Principle of digital image correlation method

通過定義相關(guān)函數(shù)，對(duì)變形前后子集進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，作為前后匹配程度的標(biāo)準(zhǔn)。常用的相關(guān)系數(shù)有歸一化最小二乘相關(guān)系數(shù)等，如(2)式所示。該系數(shù)越趨近于0時(shí)，子集匹配程度越高[14]。

(2)

(3)

對(duì)試驗(yàn)過程采集得到的粘接試件變形圖像采用DIC方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程基于數(shù)值計(jì)算軟件Ncorr[15]。計(jì)算完成之后，獲得了粘接試件表面全場的位移分布。由位移計(jì)算應(yīng)變，有限變形條件下的Green應(yīng)變計(jì)算[16]如(4)式所示：

(4)

式中：εx、εxy、εy為Green應(yīng)變的3個(gè)分量，εx、εy為正方向應(yīng)變，εxy為剪切方向應(yīng)變。

2.2 單一角度拉伸變形演化規(guī)律

45°拉伸時(shí)粘接試件的應(yīng)變演化規(guī)律如表2所示。由表2可知，隨著拉伸應(yīng)變的增大，εx、εxy、εy的幅值增大，但是分布的趨勢(shì)基本不變。εxy幅值較高處主要位于試件中央，往周邊逐漸降低。左下側(cè)人工脫粘層Flap位置附近處的εx與εy幅值較大，往周邊區(qū)域幅值逐漸減小。隨拉伸應(yīng)變的增大，該處εx與εy的幅值增大。

推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面處是薄弱環(huán)節(jié)，該處的應(yīng)變演化過程是關(guān)注的重點(diǎn)。將粘接試件上側(cè)推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面稱為上界面，將下側(cè)推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面稱為下界面。拉伸應(yīng)變從2%增加至10%，上、下界面應(yīng)變演化過程如圖8、圖9所示。從圖8中可以看出，上側(cè)界面Edge位置處(距離d=100 mm)的εx、εy較大，εxy較大的區(qū)域主要位于界面中央附近。而下側(cè)界面的εx、εy極值位于Flap位置處(d=20 mm)附近。與上側(cè)界面相同，下側(cè)界面中央由于水平方向固定的原因，受到的剪切作用明顯，εxy較大，如圖9所示。由于Flap位置附近界面同時(shí)受到一個(gè)較大的法向作用與剪切作用，其對(duì)界面損傷造成的影響尚不明確，因此還需結(jié)合不同拉伸角度條件下的變形演化規(guī)律進(jìn)行分析。

表2 45.0°拉伸時(shí)應(yīng)變演化過程

圖8 上界面應(yīng)變演化過程Fig.8 Strain evolution process at upper adhesive interface

2.3 多角度拉伸變形演化規(guī)律

對(duì)定拉伸應(yīng)變下不同拉伸角度時(shí)應(yīng)變場進(jìn)行分析，研究拉伸角度變化時(shí)粘接試件表面應(yīng)變場的演化規(guī)律。定拉伸應(yīng)變10%不同拉伸角度試件εx如圖10所示。從圖10中可以看出：拉伸角度為0°時(shí)(見圖10(a))，F(xiàn)lap位置附近的εx較大，Edge位置的εx較??；拉伸角度增大至22.5°時(shí)(見圖10(b))，εx幅值較大的區(qū)域開始向左側(cè)Flap位置移動(dòng)，使左側(cè)Flap位置高應(yīng)變區(qū)域范圍擴(kuò)大，右側(cè)Flap位置高應(yīng)變區(qū)域范圍減小；拉伸角度增加至67.5°時(shí)(見圖10(c))，右側(cè)Flap位置處的εx減小至0左右，εx集中區(qū)域主要移動(dòng)至左側(cè)Flap位置處，同時(shí)Edge位置處的εx開始增大；90.0°拉伸時(shí)，F(xiàn)lap位置與Edge位置處的εx明顯高于周邊區(qū)域。

圖10 10%定拉伸應(yīng)變時(shí)不同角度下εx云圖Fig.10 Contours of εx at different tensile angles for the constant tensile strain being 10%

定拉伸應(yīng)變10%試件εy如圖11所示。由圖11可知，全場應(yīng)變?chǔ)舮分布的變化趨勢(shì)同方向應(yīng)變?chǔ)舩分布變化趨勢(shì)相似，由于y軸方向主要受拉伸作用，所以εy大小與εx相反。與x軸方向不同，90.0°拉伸時(shí)，F(xiàn)lap位置處的εy較小，εy的極值由Flap位置移動(dòng)至Edge位置處，界面的脫粘最早也發(fā)生于該處。不同拉伸角度下，εy極值處的移動(dòng)規(guī)律與界面起裂點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)律一致。表明拉伸過程中，界面脫粘受沿界面法向方向變形的影響較大。

圖11 10%定拉伸應(yīng)變時(shí)不同角度下εy云圖Fig.11 Contours of εy at different tensile angles for the constant tensile strain being 10%

圖12 10%定拉伸應(yīng)變時(shí)不同角度下εxy云圖Fig.12 Contours of εxy at different tensile angles for the constant tensile strain being 10%

拉伸應(yīng)變10%試件εxy如圖12所示。由圖12可以看出：0°拉伸時(shí)，εxy呈現(xiàn)對(duì)稱分布，Edge位置處的εxy較Flap位置處大，然而起裂卻首先發(fā)生于Flap位置處，對(duì)比0°拉伸時(shí)εy的分布，表明界面承受剪切變形的能力較強(qiáng)，承受法向變形的能力較弱；隨著拉伸角度的增大，右上角與左下角剪切應(yīng)變?yōu)樨?fù)值的區(qū)域不斷匯合；拉伸角度增加至67.5°時(shí)，貫穿整個(gè)粘接試件，εxy極值移動(dòng)至試件中心處，由內(nèi)向外幅值逐漸減??；拉伸角度繼續(xù)增大，εxy分布的趨勢(shì)不變，但是幅值增大。

3 結(jié)論

本文按照航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 2038.1A—2004制作了矩形粘接試件，對(duì)其開展了多角度拉伸試驗(yàn)，獲得了不同拉伸角度下粘接試件的失效模式與破壞過程。采用DIC方法對(duì)試件的變形過程進(jìn)行了測量，分析了粘接試件多角度拉伸過程粘接試件應(yīng)變場演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：

1)粘接試件在不同拉伸角度下具有不同的力學(xué)性能。0°拉伸時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大；90°拉伸時(shí)，伸長率最大。

2)界面脫粘導(dǎo)致了試件拉伸過程應(yīng)力與應(yīng)變曲線的非線性。界面尚未脫粘時(shí)，粘接試件的應(yīng)力隨拉伸應(yīng)變的增大幾乎線性增大；界面脫粘之后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而減小。

3)DIC方法定量地給出了粘接界面的應(yīng)變場演化規(guī)律，界面法向方向的變形更容易導(dǎo)致界面的脫粘。隨拉伸角度的變化，界面不同關(guān)鍵位置發(fā)生不同程度的變形，造成了粘接試件不同的破壞模式。