唐 欽，楊 壯，宋海濤，葉洪偉，張新月

〈微光技術〉

微光像增強器塑料外殼受力分析

唐 欽，楊 壯，宋海濤，葉洪偉，張新月

（駐重慶地區(qū)軍事代表局駐昆明地區(qū)第二軍事代表室，云南 昆明 650032）

為摸清微光像增強器塑料外殼受力規(guī)律，掌握質量變化特點，運用形變理論，建立硅橡膠形變數(shù)學模型，擬合塑料外殼受力曲線，據(jù)此確定微光像增強器塑料外殼出現(xiàn)開裂的必然性和壽命周期特點。結果表明：數(shù)學模型與試驗數(shù)據(jù)高度吻合，能夠表征塑料外殼受力情況及壽命變化規(guī)律。

微光像增強器；形變；可靠性；塑料外殼；硅橡膠

0 引言

工程塑料制品在加工、使用和貯存過程中，常因為內外部因素的影響，出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象[1-2]。經過可靠性試驗后的微光像增強器樣品一直存放于庫房內，存放3年以上的出現(xiàn)部分塑料外殼開裂現(xiàn)象，3年以內的未出現(xiàn)開裂。觀察發(fā)現(xiàn)，大部分微光像增強器先從中部區(qū)域出現(xiàn)裂紋，后沿徑向向陰陽極兩端擴張。本文采用形變理論，首次對塑料外殼進行定量受力分析：運用體積模量表征溫度應力和吸潮應力，建立微光像增強器內硅橡膠吸潮膨脹應力數(shù)學模型；用Minitab對微光像增強器外徑尺寸與溫度進行擬合回歸，確定微光像增強器外徑-溫度變化方程；測量了塑料外殼不同年份的抗拉強度，定量描述了塑料外殼的抗拉強度和總應力發(fā)展趨勢，最終分析出塑料外殼受力規(guī)律、預計壽命。

1 微光像增強器應力研究

1.1 微光像增強器形變分析

任何物體受外力作用不能產生位移時，其形狀和尺寸將發(fā)生變化，稱之為形變。當形變不超過某一限度，撤走外力后，形變能隨之消失，稱為彈性形變。當外力超過了某一限度后，撤走外力形變不能完全恢復原狀，稱之為塑性形變。表征物體抵抗彈性變形能力大小的物理量是彈性模量（楊氏模量），它的定義為正向應力與正向應變的比值[3-4]：

＝/(1)

式中：為彈性模量；為正向應力；為正向應變。

由于微光像增強器是將像增強管及高壓電源整體灌封在塑料外殼中，其受力情況與體積變化相關。因此分析時采用彈性模量另一種表達形式——體積模量表示，它定義為產生單位體積應變時所需的壓強[5-6]，即：

式中：為壓強；為體積；為體積模量，由于材料受力時體積總是變小的，故值永為正值。

1.2 微光像增強器的溫度應力

引起溫度應力的基本條件是在約束下有溫度的變化。產生溫度應力的約束條件可分為外部變形的約束，相互變形的約束和內部各區(qū)域之間的變形約束[5]。

描述物質在熱脹冷縮效應作用下，幾何特性隨溫度變化而發(fā)生變化的規(guī)律性參數(shù)是熱膨脹系數(shù)，可細分為線性熱膨脹系數(shù)和體積熱膨脹系數(shù)，本文要研究微光像增強器體積與溫度之間的關系，采用體積熱膨脹系數(shù)[5]：

式中：為體膨脹系數(shù)：v為物體的體積；d為溫度變化d所導致的體積變化。

微光像增強器由像增強管（含可伐合金、陶瓷、光纖面板、玻璃等組件）、高壓電源（含電子元器件、硅橡膠、塑料）、硅橡膠和塑料外殼組成,詳見圖1。各組成材料的熱傳導系數(shù)差異較大，因此微光像增強器在特定的環(huán)境溫度條件下，其內部的溫度場分布比較復雜，其體積變化很難準確計算。因此本文主要應用體積模量進行應力模型分析，不同溫度下由于材料體積熱膨脹系數(shù)差異導致的應力變化只做定性的描述，不做定量分析。

圖1 像增強器示意圖

1.3 微光像增強器吸潮分析

吸潮性是指物質在無任何外力作用暴露在大氣環(huán)境中，會吸收空氣中的水分的一種特性[8]。大部分物質吸附潮氣后，體積會膨脹變大，對束縛其膨脹的物質產生力的作用。少部分物質吸附潮氣后，體積雖然保持不變，但密度會相應變大，從而彈性模量也相應增加，也會產生額外的應力作用。

微光像增強器中的硅橡膠吸潮后會出現(xiàn)膨脹變大情況，產生應力，其變化機理可以用體積模量來表征，其他部分如金屬、塑料外殼的吸潮性相對硅橡膠要小很多，可以忽略不計。

2 微光像增強器外殼受力分析

微光像增強器軸向受電源位置影響，硅橡膠分布較復雜，應力計算模型難于設計，根據(jù)觀察可知其外殼開裂情況主要集中于徑向方向，因此本文主要以徑向方向所受應力進行分析。根據(jù)微光像增強器結構可知在試驗和儲存等過程中，在徑向方向上，塑料外殼受到的力應為本身固有應力g、溫度應力t和吸潮應力w三者的疊加，即＝g＋t＋w。為方便與塑料外殼抗拉強度進行對比，故以單位面積上的應力（壓強）來描述受力情況，即＝g＋t＋w。

2.1 固有應力計算

固有應力g是指硅橡膠固化后被束縛在外殼內，發(fā)生彈性形變后對外殼的作用力，主要由微光像增強器結構、材料特性決定。計算方法：根據(jù)體彈性模量公式(2)可得：

因此若知道受束縛狀態(tài)下的體積和不受束縛狀態(tài)下的體積，就可以計算出體積變化率?/，從而可以計算出固有應力的壓強值。

方法：找新灌封的微光像增強器，去掉塑料外殼，使其不受外殼束縛，測量外徑2，得出自由狀態(tài)下的體積為p22/4，在相同條件下，測量未灌封塑料外殼的內徑1，得出受束縛狀態(tài)下的體積為p12/4，詳見圖2。故體積變化率為：

因此固有應力g為：

實際計算：1實測值為35.69；2實測值為35.90。由公式(4)計算出固有應力：

式中：硅橡膠的體彈性模量k為1GPa～1.2GPa，公式中以1.2GPa計算。

2.2 溫度應力計算

溫度應力t由微光像增強器在生產貯存過程中環(huán)境溫度的變化大小決定。以常溫（＋23℃）狀態(tài)下為初始狀態(tài)，當環(huán)境溫度上升時，微光像增強器內部的金屬、陶瓷和硅橡膠會產生熱脹作用，此時外殼會受到硅橡膠的膨脹應力作用；當環(huán)境溫度下降時，微光像增強器內部的金屬、陶瓷和硅橡膠會產生冷縮作用，此時硅橡膠不會對外殼產生應力作用，相反外殼會對硅橡膠產生應力作用。由于微光像增強器內部成份復雜，不能簡單以某一物質的體積熱膨脹系數(shù)來計算，故采用體彈性模量來表征微光像增強器所受溫度應力。

選取2020年灌封的1XZ18/18WHS-1LE像增強器進行溫度試驗，測得其在常溫狀態(tài)下的外徑均值c為36.712mm，而后將像增強器在不同溫度下各保溫2h，測量特定溫度狀態(tài)下的外徑t，測試結果如表1所示。

根據(jù)測試結果，假設微光像增強器外徑H為因變量，溫度為自變量，t和的變化規(guī)律滿足方程：t＝()。運用擬合回歸理論，采用軟件Minitab進行擬合回歸，結果如圖3。

由圖3可以看出，判定系數(shù)2＝99.2%，接近1；＝0.000，遠小于0.05。說明回歸方程顯著，即微光像增強器外徑隨溫度變化的規(guī)律符合線性方程：

()＝0.002529＋36.65 (6)

2取值[0,1]，2越接近1，說明回歸方程越優(yōu)；＝0.05時，回歸方程置信水平為95%，＝0.01時，信水平為99%，值越小于0.05，說明回歸方程置信水平越高。

表1 不同溫度下像增強器外徑測試值

圖3 像增強器外徑與溫度回歸分析結果

上述是將微光像增強器除塑料外殼后作為一個整體進行溫度-體積測量，由于金屬、陶瓷膨脹系數(shù)很小，相比硅橡膠膨脹系數(shù)可以忽略不計，因此可認為像增強器體積變化近似等于硅橡膠的體積變化。

即硅橡膠的體積變化率：

因此塑料外殼受到來自硅橡膠的溫度應力為：

微光像增強器儲存溫度變化范圍為21℃～25℃，即最高溫度為25℃，因此在儲存過程中因環(huán)境溫度變化其最大的外徑為：

t＝0.002529×25＋36.65＝36.713

塑料外殼在25℃時受到溫度應力：

式中：硅橡膠的體彈性模量取值為1.2GPa；若以微光像增強器所受最高溫度70℃計算，則塑料外殼受到硅橡膠的壓強為7.53Mpa。

2.3 吸潮后應力計算

以塑料外殼作為分析對象，則微光像增強器吸潮應力可看成是硅橡膠膨脹后對塑料外殼產生的力，其它如金屬、陶瓷件由于受管殼、硅橡膠保護，潮氣影響很小，且其吸水率遠遠小于硅橡膠，因此其吸潮產生的力可以忽略不計。

計算方法：

假設硅橡膠吸潮后微光像增強器除去外殼壁厚的直徑為1，硅橡膠未吸潮的像增強器除去外殼壁厚的直徑為2，則吸潮后的體積變化率?/為：

代入公式(4)可得吸潮后硅橡膠膨脹對管殼產生的壓強w：

計算過程：

抽取2013年～2019年可靠性試驗像增強器作為吸潮的基準數(shù)據(jù)，2020年在常溫下測量其外徑和1值，結果如表2所示。

表2 吸潮微光像增強器外徑和L1值

抽取2020年灌封微光像增強器作為未吸潮的基準數(shù)據(jù)，在常溫下測量外徑和2結果如表3所示。

表3 未吸潮微光像增強器外徑和L2值

根據(jù)公式(8)可以計算不同年份微光像增強器硅橡膠吸潮后外殼受到的應力如表4所示。

2.4 總應力計算

由總壓強為：＝g＋t＋w可知，塑料外殼總應力應為固有應力、溫度應力和吸潮應力之和，因此不同年份塑料外殼受到的總應力如圖4所示。

由圖4可知，由于溫度、吸潮等原因，塑料外殼存儲的時間越長，其受到的總應力越大。

3 塑料外殼抗拉強度分析

高分子材料普遍存在老化現(xiàn)象，在其加工、使用和貯存過程中，由于內外因素的綜合影響，逐步發(fā)生物理化學性質變化，物理性能變壞，以致最后喪失其使用價值[9-10]。工程塑料是應用廣泛的高分子材料，其發(fā)生老化后，抗拉強度會有所降低。

為分析不同年份塑料外殼的抗拉強度，采用試驗法選取2013～2020年的微光像增強器外殼進行拉力試驗，2017～2020年的樣品從庫房隨機抽取，2013～2016年從開裂產品中抽取，實驗結果見圖5。

由圖5可知，塑料外殼抗拉強度的上限值、下限值和均值均隨使用年限加長而呈現(xiàn)下降趨勢，其中2016年（第4年）有較明顯的下降趨勢。

4 塑料外殼強度與應力變化的趨勢

根據(jù)上述分析情況可知，塑料外殼受到的總應力逐年上升，而抗拉強度逐年下降，為了分析兩者的相互關系和趨勢，將塑料外殼受到的總應力和抗拉強度進行了對比，結果如圖6示。

由圖6可見，微光像增強器存放年限越久，塑料外殼的抗拉強度越小，所受總應力越大，到第7年時已趨于相同。說明按其設計，塑料外殼壽命約為7年。但由于受生產過程各種因素影響，如劃傷、腐蝕等，塑料外殼局部抗拉強度會顯著變小，加之從圖5可以看出，從第4年開始，抗拉強度下限值有較大幅度的下降，就可能出現(xiàn)外殼開裂的情況，以后隨著年限增長，開裂的比例不斷增加，這也與實際情況相符。

表4 不同年份像增強器吸潮應力值

圖4 像增強器外殼受力趨勢圖

圖5 外殼強度趨勢示意圖

圖6 外殼強度與受力趨勢圖

對像增強器改進設計的建議：

1）加大塑料外殼壁厚尺寸。通過加厚壁厚，增加外殼的抗拉強度，可顯著提高塑料外殼的壽命。

2）改進塑料外殼材質。選取抗拉強度更高的材料作外殼，可以提高外殼的壽命。

5 結束語

本文分析了微光像增強器的形變、溫度應力和吸潮問題，首次對塑料外殼的受力情況進行了定量分析，并對不同年份塑料外殼的抗拉強度進行了測量、擬合，得出其抗拉強度數(shù)學模型，為微光像增強器的設計提供了重要的指導意義。同時，預計塑料外殼7年壽命也大于微光像增強器3年的質量保證期要求，加之其在整機產品中一般采用過盈配合，會受到外力影響，塑料外殼不會只受內應力作用，一般不會出現(xiàn)開裂情況。只有在自由狀態(tài)下儲存時間過長或儲存環(huán)境不符合要求時，才可能出現(xiàn)塑料外殼開裂的情況。

[1] 王淑芬. 淺談塑料制品的應力開裂[J]. 中國科技信息, 2009(12): 182-182.

WANG Shufen. Discussion on stress cracking of plastic products[J]., 2009(12): 182-182..

[2] 張庭躍, 胡萍, 陳倩, 等. ABS工程塑料應力開裂現(xiàn)象綜合分析及表征[J]. 合成材料老化與應用, 2009, 38(1): 36-39.

ZHANG Tingyue, HU Ping, CHEN Qian, et al. Comprehensive analysis and characterization of stress cracking phenomenon of ABS engineering plastics[J]., 2009, 38(1): 36-39.

[3] 程堯舜. 彈性力學基礎[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2009.

CHEN Yaoshun.[M]. Shanghai: Tong ji University Press, 2009.

[4] 劉鴻文. 簡明材料力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016.

LIU Hongwen.[M]. Beijing: Higher Education Press, 2016.

[5] 胡賡祥, 蔡珣, 戎詠華. 材料科學基礎[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2010.

HU Gengxiang, CAI Xun, RONG Yonghua.[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 2010.

[6] 丁鐘生. 電負性與無機材料體積模量研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2011.

DING Zhongsheng. Electronegativity and Volume Modulus of Inorganic Materials[D]. Dalian: Dalian University of Technology.

[7] 唐世斌, 唐春安, 朱萬成, 等. 熱應力作用下的巖石破裂過程分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(10): 2071-2078.

TANG Shibin, TANG Chunan, ZHU Wangcheng, et al. Analysis of rock failure process under thermal stress[J]., 2006, 25(10): 2071-2078.

[8] 石明生, 羅靜, 張蓓. 高聚物注漿材料吸水特性及溫度變化對體積影響試驗研究[J]. 中外公路, 2010, 30(3): 289-291.

SHI Mingsheng, LUO Jing, ZHANG Bei. Experimental study on water absorption characteristics of polymer grouting material and influence of temperature variation on volume[J]., 2010, 30(3): 289-291.

[9] 化學工業(yè)部合成材料老化研究所.塑料和橡膠的氣候老化[M]. 上海: 上?？茖W技術文獻出版社, 1980.

Institute of Synthetic Materials Aging Ministry of Chemical Industry.[M]. Shanghai: Shanghai Scientific and Technical Literature Press, 1980.

[10] 高偉斌, 張枝苗. 高分子材料老化與防老化的研究[J]. 國外塑料, 2009, 27(11): 40-44.

GAO Weibin, ZHANG Zhimiao. Study on aging and anti-aging of polymer materials[J]., 2009, 27(11): 40-44.

Stress Analysis of the Plastic Shells of Image Intensifiers

TANG Qin，YANG Zhuang，SONG Haitao，YE Hongwei，ZHANG Xingyue

(The Second Military Representative Office of Chongqing Regional Military Representative Bureau in Kunming, Kunming 650032, China)

To determine the law of stress on the plastic shells of image intensifiers and to identify the characteristics of quality change, the deformation theory is used in this study to establish amathematical model of silicone rubber deformation and to fit the stress curves of plastic shells. Accordingly, the inevitability and life-cycle characteristics of the plastic shells of image intensifiers are determined. The results show that the mathematical model is in good agreement with the experimental data and can characterize the stress conditions and life variations of plastic shells.

image intensifier, deformation, reliability, plastic shell, silicone rubber

TN223

A

1001-8891(2021)05-0483-07

2021-02-06；

2021-03-26.

唐欽（1973-），男，四川遂寧人，高級工程師，主要從事光電裝備質量監(jiān)督工作。E-mail: 2302289947@qq.com。