王 碩,占明明,劉 斌*,李東峰,簡(jiǎn)琦薇,張貴輝

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,上海 201620;2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所,特種推進(jìn)劑研究室,襄陽(yáng) 441003)

0 引言

固體推進(jìn)劑作為一種高能復(fù)合材料,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈和航天運(yùn)載系統(tǒng)[1]。包覆層作為固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)的重要組成部分,不僅能隔絕高溫保護(hù)固體推進(jìn)劑,還將直接影響固體推進(jìn)劑內(nèi)彈道性能[2]。然而,藥柱基體在包覆過(guò)程中,包覆層與襯層之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生如脫粘、氣泡、夾雜等缺陷[3-5]。實(shí)際工程發(fā)現(xiàn),脫粘缺陷會(huì)嚴(yán)重影響固體推進(jìn)劑藥柱的結(jié)構(gòu)完整性,它是導(dǎo)致固體發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射失敗或者爆炸的主要原因[6-7]。目前,很多無(wú)損檢測(cè)方法均可成功檢測(cè)固體推進(jìn)劑包覆層缺陷,如光學(xué)[8]、超聲[9]、X射線[10]、脈沖熱成像[11]等。這些技術(shù)均有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性,其中激光剪切散斑干涉技術(shù)具有實(shí)時(shí)、高效率、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)接觸等特點(diǎn),在實(shí)際檢測(cè)工程中被廣泛使用[12-16]。

然而,高精度的激光剪切散斑干涉技術(shù)不僅可以得到脫粘缺陷干涉條紋,還能得到氣泡缺陷及夾雜缺陷等非脫粘類(lèi)缺陷的干涉圖像[17]。在固體推進(jìn)劑包覆層與襯層之間的氣泡、夾雜等缺陷往往會(huì)讓檢測(cè)人員產(chǎn)生誤判,對(duì)非脫粘缺陷的固體推進(jìn)劑進(jìn)行剖開(kāi)檢查,造成固體推進(jìn)劑樣品的大量浪費(fèi)。因此,對(duì)固體推進(jìn)劑包覆層脫粘類(lèi)缺陷和非脫粘類(lèi)缺陷進(jìn)行分辨十分必要?，F(xiàn)有針對(duì)固體推進(jìn)劑包覆層缺陷類(lèi)型識(shí)別的研究較少。MAJID等[18]利用內(nèi)聚力模型和有限元方法得出了不同缺陷類(lèi)型對(duì)粘接接頭強(qiáng)度有顯著影響,但并沒(méi)有對(duì)缺陷類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分。張軍等[19]利用有限元軟件分析了氣泡缺陷對(duì)粘接結(jié)構(gòu)的影響。然而,該研究在模擬氣泡缺陷時(shí),去除了缺陷位置處的襯層,與實(shí)際情況存在較大差異,與脫粘缺陷的模擬并無(wú)明顯差別。

本文自主搭建激光剪切散斑測(cè)試系統(tǒng),利用負(fù)壓加載激勵(lì),對(duì)預(yù)設(shè)有脫粘缺陷、氣泡缺陷和夾雜缺陷的平板試樣進(jìn)行缺陷檢測(cè)。同時(shí),利用有限元數(shù)值計(jì)算方法,在負(fù)壓加載和熱加載兩種條件下,對(duì)三種缺陷結(jié)構(gòu)的離面位移進(jìn)行定量分析,對(duì)比脫粘缺陷與非脫粘缺陷的變形差異。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和缺陷類(lèi)型

預(yù)設(shè)有不同缺陷類(lèi)型的平板試件如圖1所示,尺寸為200 mm×200 mm×50 mm。試件包覆層為類(lèi)橡膠,厚度為2 mm,長(zhǎng)和寬略大于基體尺寸(圖1(a));襯層的厚度約為0.5 mm;固體推進(jìn)劑試件均為湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所提供。試件包覆層和襯層的成分均與真實(shí)的包覆藥柱一致,基體采用特殊復(fù)合材料模擬,不具有危險(xiǎn)性。試件中缺陷的大小和布置由湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所依據(jù)其內(nèi)部的文件《激光錯(cuò)位散斑包覆藥柱襯層脫粘缺陷制作方式》來(lái)設(shè)計(jì)和完成制作的。試件在包覆層A與襯層之間預(yù)設(shè)有夾雜缺陷和脫粘缺陷(圖1(b)),包覆層B與襯層之間預(yù)設(shè)有氣泡缺陷(圖1(c))。

在A1區(qū)域中,以普通透明膠帶分割出不同尺寸的圓形,貼在包覆層上,制作成夾雜缺陷,夾雜缺陷直徑分別為1、2、3、5、8 mm,每行中3個(gè)缺陷尺寸相同。在A2區(qū)域中,以普通透明膠帶包裹圓形塑料片,貼在包覆層上,制作成脫粘缺陷,脫粘缺陷直徑分別為1、2、3、4、5 mm,每行中3個(gè)缺陷尺寸相同。包覆層A內(nèi)各缺陷尺寸見(jiàn)表1。

表1 包覆層A內(nèi)各缺陷類(lèi)型與尺寸Table 1 The types and sizes of defects in A coating layer

在B1區(qū)域中,將真實(shí)固體推進(jìn)劑中出現(xiàn)的單個(gè)圓形氣泡缺陷剪下(裁剪時(shí)無(wú)法完全保證裁剪區(qū)域?yàn)閳A形),放置于平板試樣襯層中,制作成單個(gè)氣泡缺陷。其中,B1-1內(nèi)部有多個(gè)單一氣泡,B1-2和B1-3缺陷均是只有一個(gè)氣泡。在B2區(qū)域中,將真實(shí)固體推進(jìn)劑中出現(xiàn)的密集氣泡缺陷剪下,放置在平板試樣襯層中,制作密集型氣泡缺陷。包覆層B下襯層內(nèi)各缺陷類(lèi)型及尺寸如表2所示。

(a)The specimen structure (b)Defects preset on surface A of specimen (c)Defects preset on surface B of specimen圖1 平板檢測(cè)試件Fig.1 Plate test specimen

表2 包覆層B內(nèi)各缺陷類(lèi)型與尺寸Table 2 The types and sizes of defects in B coating layer

1.2 剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)

剪切散斑干涉是一種可精確檢測(cè)物體表面微小離面變形的光學(xué)干涉技術(shù)[13]。對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行外部激勵(lì),使得物體表面發(fā)生變形,由于缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的細(xì)微變形差異,會(huì)引起干涉條紋發(fā)生“畸變”,形成“蝴蝶狀”條紋。因此,可根據(jù)特殊干涉條紋來(lái)判斷缺陷位置、形狀、大小等信息[20]。

剪切散斑干涉技術(shù)的原理如圖2(a)所示。擴(kuò)束后的激光照射在被測(cè)物體的表面,漫反射的激光在分光鏡處產(chǎn)生透射和反射,分別到達(dá)剪切鏡和相移鏡。剪切鏡產(chǎn)生一個(gè)微小的剪切角度,使得再次被反射的兩束激光在數(shù)字相機(jī)靶面上發(fā)生干涉,最終形成散斑干涉圖像。物體表面的離面位移是指垂直于物體方向(圖2中z方向)上的位移[21]。因?yàn)榧す庹丈浞较蚺c觀察方向的夾角幾乎為零且均垂直于物體表面,當(dāng)物體的表面發(fā)生變形時(shí),剪切散斑干涉測(cè)量的相位差和物體表面離面位移一階導(dǎo)數(shù)的關(guān)系為

?w/?x=Δφλ/(4πδ)

(1)

式中λ為激光的波長(zhǎng);δ為剪切量的大小;Δφ為被測(cè)物體由于變形引起的位相差。

本文基于剪切散斑干涉原理構(gòu)建了無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng),如圖2(b)所示。無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要組件包括負(fù)壓艙、平板試件、激光器、分光鏡、數(shù)字相機(jī)、剪切鏡、PTZ控制器、PTZ、反射鏡、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)。前期研究[22]已證明,在利用剪切散斑干涉光測(cè)系統(tǒng)對(duì)包覆試樣進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí),負(fù)壓加載可以作為有效的外部激勵(lì)條件。

(a)Optical path of shearography interference (b)Experimental detection system圖2 剪切散斑干涉光測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Shearography interferometry optical measurement system1—Vacuum chamber;2—Plate sample;3—Laser;4—Beam splitter mirror;5—Digital camera;6—Shear mirror; 7—PTZ control;8—PTZ;9—Reflective mirror;10—Signal generator;11—Computer

1.3 有限元數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步分析脫粘缺陷、夾雜缺陷和氣泡缺陷在真空負(fù)壓加載條件下的變形機(jī)理,利用ABAQUS軟件對(duì)三種缺陷進(jìn)行了仿真模擬。試件整體采用二維平面結(jié)構(gòu),包括橡膠包覆層、粘結(jié)劑(襯層)和基體。試件整體寬度為30 mm。橡膠層厚度為2 mm,襯層厚度為0.5 mm,基體厚度為15 mm。各部分材料參數(shù)如表3所示[23-24]。其中,基體以粘彈性泊松比和Prony級(jí)數(shù)來(lái)表征粘彈性[25],剪切松弛模量(G)和對(duì)應(yīng)的松弛時(shí)間(τ)如表4所示。仿真模擬過(guò)程中,固定基體的底面,限制其6個(gè)自由度,而兩邊設(shè)置為自由邊界。負(fù)壓加載條件為5、10、15、20 kPa四種情況。另外,本文還采用了熱加載方式對(duì)脫粘缺陷、夾雜缺陷和氣泡缺陷進(jìn)行了研究。

表3 材料的力學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical and thermal parameters of the material

表4 基體的Prony 級(jí)數(shù)Table 4 Prony series of binder

(a)Debonding defect

模擬脫粘時(shí),將缺陷位置處的襯層結(jié)構(gòu)去除,使得包覆層與基體之間完全分離,如圖3(a)所示。設(shè)計(jì)脫粘缺陷尺寸分別為5、10、20 mm。模擬氣泡缺陷時(shí),設(shè)置R=0.06 mm的圓球代替氣泡[26],氣泡布置于襯層中,如圖3(b)所示。通過(guò)設(shè)計(jì)圓球數(shù)量使氣泡缺陷尺寸與脫粘缺陷尺寸保持一致。同時(shí),為了體現(xiàn)不同氣泡密集程度,分別設(shè)計(jì)了單層、雙層和三層氣泡的缺陷。模擬夾雜缺陷時(shí),設(shè)計(jì)將0.1 mm的薄片夾雜物置于襯層中,并緊貼橡膠層下方,如圖3(c)所示。設(shè)計(jì)薄片夾雜物尺寸為5 mm和10 mm,材質(zhì)為聚氯乙烯,材料參數(shù)如表3所示。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 負(fù)壓加載下缺陷干涉條紋

包覆層A與襯層間的夾雜缺陷和脫粘缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)負(fù)壓加載值達(dá)到10 kPa時(shí),A1區(qū)域內(nèi)夾雜缺陷沒(méi)有出現(xiàn)明顯的條紋,而A2區(qū)域內(nèi)所有脫粘缺陷均出現(xiàn)了剪切散斑特征條紋。當(dāng)負(fù)壓加載值達(dá)到20 kPa時(shí),A2區(qū)域中尺寸較大的脫粘缺陷的特征條紋已經(jīng)模糊,而A1區(qū)域始終未出現(xiàn)明顯的特征條紋。可見(jiàn),即使在20 kPa負(fù)壓激勵(lì)下,A1區(qū)域內(nèi)夾雜缺陷處的表面變形仍無(wú)法達(dá)到光測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同負(fù)壓激勵(lì)下,脫粘缺陷的離面位移要明顯大于夾雜缺陷。

包覆層B與襯層之間的氣泡缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。負(fù)壓加載到5 kPa時(shí),B1區(qū)域內(nèi)單個(gè)氣泡缺陷和B2區(qū)域內(nèi)密集氣泡缺陷均產(chǎn)生了明顯特征條紋,但B2區(qū)域內(nèi)密集氣泡缺陷條紋已模糊化,說(shuō)明B2區(qū)域內(nèi)密集氣泡缺陷所引起的離面位移更大。當(dāng)負(fù)壓加載值達(dá)到10 kPa時(shí),B1區(qū)域中直徑為2 mm的氣泡缺陷特征條紋開(kāi)始模糊,直徑為1.5 mm氣泡缺陷的特征條紋也進(jìn)一步增加,而B(niǎo)2區(qū)域內(nèi)密集氣泡缺陷的特征條紋更加模糊。分析認(rèn)為,由于氣泡缺陷制作是將真實(shí)存在的氣泡缺陷從原有的襯層中剪下來(lái),所以放置在平板試樣中的尺寸要稍大于氣泡的尺寸。B1區(qū)域中直徑為1.5 mm和直徑為2 mm的氣泡缺陷比A2區(qū)域同尺寸的脫粘缺陷要大。另外,檢測(cè)氣泡缺陷得到的特征條紋與脫粘缺陷相比,二者并沒(méi)有明顯的差異,其原因可能是氣泡缺陷的制作方式與脫粘缺陷的制作方式類(lèi)似。因此,后續(xù)會(huì)改進(jìn)氣泡缺陷的制作方法,能夠更加接近真實(shí)的氣泡缺陷。

(a)10 kPa (b)20 kPa圖4 包覆層A缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Defect detection results of coating layer A

(a)5 kPa (b)10 kPa圖5 包覆層B缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Defect detection results of coating layer B

2.2 負(fù)壓加載下缺陷變形規(guī)律

利用剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí),檢測(cè)到的是缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域離面變形的差異,而這些差異主要體現(xiàn)在包覆層上。另外,在同等外部激勵(lì)條件下,基體的變形遠(yuǎn)小于包覆層的變形,且缺陷尺寸越大基體的變形對(duì)包覆層的影響越小。因此,在數(shù)值模擬中僅考慮包覆層離面位移的差別,不考慮時(shí)間的影響。以5 mm缺陷在10 kPa負(fù)載加載條件下的位移云圖為例,如圖6所示,當(dāng)缺陷尺寸和負(fù)壓加載程度相同時(shí),脫粘缺陷的變形要明顯大于氣泡缺陷和夾雜缺陷。因此,利用包覆層變形程度可以清晰地區(qū)分出脫粘缺陷與非脫粘缺陷。

圖6 5 mm缺陷在10 kPa下的仿真云圖(a.脫粘缺陷;b.夾雜缺陷;c.單層氣泡缺陷;d.雙層氣泡缺陷;e.三層氣泡缺陷)Fig.6 Simulation contour of 5 mm defect under 10 kPa(a.Debonding defect;b.Inclusion defect;c.Single-layer bubble defect;d.Double-layer bubble defect;e.Three-layer bubble defect)

(a)φ5 mm defect

脫粘缺陷和氣泡缺陷在負(fù)壓加載條件下的離面位移有限元計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見(jiàn),隨著負(fù)壓加載值不斷增大,各缺陷的離面位移隨之增大。對(duì)于同一尺寸的脫粘缺陷和氣泡缺陷,相同負(fù)壓加載條件下脫粘缺陷的離面位移比氣泡缺陷的離面位移明顯大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于同一尺寸的氣泡缺陷,相同負(fù)壓加載條件下氣泡缺陷的離面位移與氣泡密集度呈正相關(guān)。由單層氣泡增加到3層氣泡,氣泡的密集程度越大,其離面位移越大。這是因?yàn)闅馀菰矫芗?氣泡所在區(qū)域粘接強(qiáng)度越小,而脫粘缺陷位置處的粘接強(qiáng)度等于零。

脫粘缺陷和夾雜缺陷在負(fù)壓加載條件下的離面位移有限元計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

(a)φ5 mm defect (b)φ10 mm defect圖8 負(fù)壓加載條件下脫粘缺陷和夾雜缺陷的離面位移對(duì)比Fig.8 Comparison of out-of-plane displacements of debonding defects and inclusion defects under negative pressure loading

由圖8可見(jiàn),對(duì)于直徑5 mm的脫粘缺陷和夾雜缺陷,相同負(fù)壓加載條件下,脫粘缺陷的離面位移明顯大于夾雜缺陷的離面位移。當(dāng)負(fù)壓加載值為5 kPa時(shí),脫粘缺陷的離面位移是夾雜缺陷的離面位移的2倍。當(dāng)負(fù)壓加載值為10、15、20 kPa時(shí),脫粘缺陷的離面位移是夾雜缺陷的離面位移的2～3倍。對(duì)于直徑10 mm的脫粘缺陷和夾雜缺陷,在負(fù)壓加載值為5～20 kPa下,脫粘缺陷的離面位移均是夾雜缺陷離面位移的近10倍。

由此可見(jiàn),對(duì)于同一尺寸和深度的脫粘缺陷和非脫粘缺陷(氣泡缺陷和夾雜缺陷),在利用負(fù)壓作為外部激勵(lì)時(shí),脫粘缺陷變形明顯比夾雜缺陷更突出,離面位移更大,而且隨著缺陷尺寸的增加,這種差距更顯著。因此,基于負(fù)壓加載的剪切散斑干涉可有效分辨脫粘缺陷和非脫粘缺陷。

2.3 熱加載下缺陷變形規(guī)律

物體表面熱量的改變也會(huì)使物體內(nèi)部不同的材料發(fā)生不同的熱膨脹現(xiàn)象,而缺陷位置處的變形更加明顯。如圖9所示,在熱加載條件下,脫粘缺陷位置處的包覆層變形明顯大于非脫粘缺陷處的。

圖9 5 mm缺陷在熱加載下的仿真云圖(a.脫粘缺陷;b.夾雜缺陷;c.單層氣泡缺陷;d.雙層氣泡缺陷;e.三層氣泡缺陷)Fig.9 Simulation nephogram of 5 mm defect under thermal loading(a.Debonding defect;b.Inclusion defect;c.Single-layer bubble defect;d.Double-layer bubble defect;e.Three-layer bubble defect)

(a)φ5 mm bubble defect

熱加載條件下脫粘缺陷、氣泡缺陷和夾雜缺陷的離面位移有限元計(jì)算結(jié)果如圖10所示。相同熱加載條件下,當(dāng)缺陷尺寸為5 mm時(shí),脫粘缺陷最大離面位移是單層和雙層氣泡缺陷最大離面位移的近3倍,是三層氣泡缺陷的最大離面位移的近2倍。隨著缺陷尺寸的增加,脫粘缺陷和氣泡缺陷之間的最大離面位移值差異更為顯著。直徑20 mm的脫粘缺陷最大離面位移可達(dá)氣泡缺陷最大離面位移的5倍。對(duì)于夾雜缺陷,相同熱加載條件下,直徑5 mm和10 mm的夾雜缺陷最大離面位移值差異不大,但直徑5 mm的脫粘缺陷的最大離面位移明顯小于直徑10 mm的脫粘缺陷。

此外,同一尺寸的脫粘缺陷最大離面位移顯著大于夾雜缺陷。缺陷尺寸為5 mm時(shí),脫粘缺陷最大離面位移幾乎是夾雜缺陷最大離面位移的3倍;缺陷尺寸為10 mm時(shí),脫粘缺陷最大離面位移幾乎是夾雜缺陷最大離面位移的10倍。因此,利用熱加載條件下離面位移差異,也可以區(qū)分脫粘缺陷和夾雜缺陷及氣泡缺陷等非脫粘缺陷。另外,作者將在后續(xù)研究工作中,設(shè)計(jì)均勻熱加載裝置,以實(shí)現(xiàn)試件在熱加載條件下的剪切散斑無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)自主搭建的剪切散斑干涉光測(cè)系統(tǒng)能夠精確檢測(cè)負(fù)壓加載條件下包覆層粘接缺陷,根據(jù)剪切散斑特征條紋變化,可以發(fā)現(xiàn)脫粘缺陷變形比非脫粘缺陷變形更加顯著。

(2)有限元模擬結(jié)果表明,負(fù)壓加載條件下相同尺寸的脫粘缺陷離面位移比氣泡缺陷大1～2個(gè)數(shù)量級(jí),比夾雜缺陷大2～10倍。有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了光測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,負(fù)壓加載下剪切散斑干涉特征條紋可以分辨脫粘缺陷和非脫粘缺陷。

(3)有限元模擬結(jié)果表明,熱加載條件下脫粘缺陷離面位移相較于非脫粘缺陷也有顯著差距,且缺陷尺寸越大差異越顯著。對(duì)于小尺寸缺陷,脫粘缺陷的離面位移是氣泡缺陷、夾雜缺陷的2～3倍;對(duì)于大尺寸缺陷,脫粘缺陷的離面位移是氣泡缺陷的5倍,是夾雜缺陷的10倍。