張南南，郭興旺

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

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固體火箭發(fā)動機絕熱層脫粘的紅外無損檢測建模方法

張南南，郭興旺

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

在制作固體火箭發(fā)動機絕熱層人工脫粘缺陷的試件時，經常采用嵌入聚四氟乙烯插片的方法來模擬脫粘缺陷。多數(shù)情況下，插片很難取出。當插片與兩側材料不完全粘接時就會出現(xiàn)空氣隙，且試件的上表面會有一定程度的凸起。首先證明了某試件中的缺陷是插片和空氣隙組成的混合缺陷，然后進一步針對缺陷的組成、位置和凸起的有無建立了多種仿真模型并進行了仿真計算，通過對仿真結果進行分析比較，得出了一種計算精度較高、且比較簡單的建模方法。

紅外無損檢測；固體火箭發(fā)動機；脫粘；插片；仿真模型

固體火箭發(fā)動機主要用作火箭彈、導彈和探空火箭的發(fā)動機，以及航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動機，主要由殼體、絕熱層和固體推進劑等部分組成。絕熱層的主要作用是防止高溫燃氣燒壞燃燒室殼體，防止過熱降低殼體強度而危及結構的完整性，同時還可以緩沖殼體與推進劑藥柱之間的應力傳遞[1]。絕熱層粘接在殼體的內壁，使用過程中常常會出現(xiàn)脫粘缺陷，脫粘缺陷的存在會縮短發(fā)動機的壽命，甚至導致航天器飛行失敗[2]。為了避免絕熱層脫粘帶來的隱患，在絕熱層粘接完成后、推進劑加入前須對其進行無損檢測。

帶有自然脫粘缺陷的試件因缺陷參數(shù)的不確定性而不適合作為定量研究的對象，且一般較難獲得，因此常用人工脫粘缺陷試件進行試驗分析。制作試件時，常在殼體和絕熱層之間嵌入聚四氟乙烯插片來模擬絕熱層脫粘，但是嵌入的插片很難取出，插片與殼體和絕熱層之間的粘接情況直接決定了缺陷特征，且插片的插入也會導致試件表面的凸起。缺陷的組成、位置和凸起等會導致仿真模型的不同。筆者采用試驗和仿真相結合的方法，對內含插片的絕熱層脫粘試件的建模方法進行研究。

脈沖紅外無損檢測法[3-5]具有非接觸、效率高、靈敏度高等優(yōu)點，在固體火箭發(fā)動機的檢測中有著廣闊的應用前景[6-8]。故，筆者對固體火箭發(fā)動機絕熱層脫粘的脈沖紅外無損檢測進行仿真研究。

1　試驗及結果分析

1.1試驗試件

為了模擬固體火箭發(fā)動機絕熱層脫粘缺陷，制作了一個內含插片的人工缺陷試件。試件基板為2 mm厚的鋼板，代表發(fā)動機的殼體;鋼板的內側為1.5 mm厚的丁腈橡膠(nitrile butadiene rubber,NBR)，代表絕熱層；鋼板的外測為1 mm厚的NBR，模擬外熱防護層;在絕熱層和鋼板間嵌入0.08 mm厚的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)薄膜來模擬絕熱層和殼體間的脫粘，嵌入的PTFE薄膜有方形和圓形兩種形狀，每種形狀具有多種尺寸。試件的形狀尺寸見圖1。值得注意的是，PTFE薄膜片一開始被放置在靠近邊緣的地方，然后向遠離邊緣的方向進行了移動，移動期間帶走了部分粘接劑。圖1中虛線為移動前插片所在的位置，實線為移動后插片所在的位置。

圖1　試件形狀及尺寸

1.2試驗過程及結果

該試件的脈沖紅外無損檢測試驗在北京航空航天大學紅外熱像無損檢測實驗室內進行，試驗中用兩個氙氣閃光燈對試件進行加熱，用美國FLIR公司生產的熱像儀進行圖像采集，熱像儀的空間分辨率為320×240像素，溫度分辨率為0.1 K，且加熱燈和熱像儀均置于試件的絕熱層一側。

設定幀頻率為15 Hz，在脈沖加熱前采集5幀作為背景幀，脈沖加熱后采集時間為16 s，共采集245幀。將加熱后采集到的240幀圖像進行減背景處理，得到過余溫度圖序列。圖2為檢測效果最好的過余溫度圖(t=5 s)，在該圖中，較清晰的兩排缺陷為嵌入的PTFE所導致；靠近邊界較模糊的兩排缺陷為PTFE移動后，該處膠粘劑減少所導致的；邊長L為20，15 mm的兩方形缺陷之間下方的亮斑為某種原因所致的自然缺陷。

圖2　最佳過余溫度圖(t=5 s)

為了更好地評價紅外無損檢測結果，在10 mm×10 mm，8 mm×8 mm，6 mm×6 mm，4 mm×4 mm的方形缺陷處各選取3×3像素的缺陷區(qū)和一個32×23像素的無缺陷區(qū)作為感興趣區(qū)，具體位置見圖3。圖4為所選取區(qū)域的表面溫差(ΔT，ΔT=TD-TND，其中TD為所選缺陷區(qū)域的過余溫度，TND為所選非缺陷區(qū)域的過余溫度)、對比度(C，C=ΔT/TND)隨時間的變化曲線。需要說明的是，圖中的負值是由加熱不均引起的。

圖3　選取的感興趣區(qū)域

圖4　所選區(qū)域的缺陷信息隨時間的變化曲線

2　仿真模型的建立

在實際研究中，常常需要探討缺陷尺寸參數(shù)和加熱參數(shù)對缺陷信號的影響，而為了避免制作多種試件進行多次試驗，經常采用仿真的方法進行分析。仿真的關鍵問題之一就是建模，模型的正確與否直接關系著仿真結果的正確性。

2.1缺陷組成的分析

為了提高仿真的計算速度，忽略各缺陷之間的相互影響，對每一個尺寸的缺陷進行單獨建模仿真，這里只取方形缺陷進行仿真；由于缺陷形狀為規(guī)則的正方形，所以只研究1/4缺陷即可，仿真模型如圖5所示(忽略膠粘劑)，其中H=0.08 mm為插入的PTFE的厚度，L為正方形缺陷的實際邊長，點D和ND分別為缺陷區(qū)和非缺陷區(qū)的中心點。用ANSYS 15.0進行仿真分析，單元類型為solid70，用映射法進行網格劃分。仿真環(huán)境溫度為0 ℃，在絕熱層一側施加熱流，熱流密度q為1.8×106W·m-2，熱流持續(xù)時間為0.01 s，該時間段內仿真計算的時間步長為0.000 5 s;加熱結束后，試件開始散熱，散熱段仿真計算的時間步長為0.1 s，散熱時上下兩個表面的對流換熱系數(shù)h為10 W·m-2·k-1，其他表面絕熱。模型中材料的熱物性參數(shù)見表1。

圖5　仿真模型示意

表1　材料的熱物性參數(shù)

為了判斷仿真結果是否正確，最直接的方法是將仿真結果與試驗結果進行比較。由于試驗中并不能確定試件實際吸收的能量，所以與加熱能量相關的參數(shù)信息不具有比較意義，但對比度為溫度差與非缺陷區(qū)溫度的比值，與加熱能量無關，所以可以將仿真與試驗的對比度進行比較，結果如圖6所示。很明顯，仿真與試驗對比度有較大的差別。

圖6　仿真與試驗對比度比較曲線

仿真與試驗對比度出現(xiàn)較大差別的原因可能是：PTFE插片與殼體或者絕熱層之間沒有完全粘接，存在空氣隙[9]。圖7(a)～(d)為存在空氣隙時缺陷組成示意圖，圖7(a)為0.08 mm厚PTFE上下兩側都有0.023 mm厚的空氣隙，圖7(b)為0.08 mm厚PTFE下側有0.047 mm厚空氣隙，圖7(c)為0.08 mm厚PTFE上側有0.045 mm厚空氣隙，圖7(d)為只有0.05 mm厚的空氣隙。針對這些模型進行仿真，仿真條件均與只有0.08 mm厚的PTFE插片時相同，仿真結果見表2。

圖7　缺陷組成示意

表2　不同缺陷組成時的仿真結果

比較表2中1與其他各組的數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，當PTFE與基體材料之間存在空氣隙時，無論空氣隙存在于PTFE上側、下側還是上下兩側，溫度差和對比度數(shù)值都會顯著增大，這說明仿真建模時空氣隙不可忽略。比較2、3、4、5組數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，四組數(shù)據十分接近，所以在不確定空氣隙的具體位置時，可以用其中任意一組數(shù)據對應的缺陷模型進行等效計算；但值得注意的是，在進行仿真時應在保證精度的情況下，選擇最簡單的模型，所以圖7(d)的模型d最具應用價值。

圖8為模型d在缺陷邊長為4，10 mm時試驗和仿真的對比度比較曲線。由圖中可以看到：缺陷邊長為10 mm時，仿真和試驗結果吻合得較好，這說明在該缺陷尺寸下模型d可以模擬真實的試驗試件；但缺陷邊長為4 mm時，試驗和仿真對比度曲線會在10 s后出現(xiàn)稍大的偏差，這是因為邊長4 mm的缺陷內部的空氣隙與邊長10 mm的不同，不能用0.05 mm厚的空氣隙代替，仿真中可以通過調整空氣隙的厚度來使邊長4 mm缺陷的試驗和仿真對比度較好地吻合。

圖8　空氣隙厚0.05 mm時,仿真與試驗的對比度比較曲線

2.2缺陷部位表面凸起的模擬

觀察實際試件，可以發(fā)現(xiàn)與缺陷區(qū)相對應的上表面有明顯的凸起，所以仿真建模時為了更好地模擬真實試件，在上表面加一個凸臺，凸臺的尺寸與缺陷的尺寸相同，邊長L=10 mm，厚度H=0.05 mm，如圖9(a)所示。為了尋找更簡單的模型，對圖9(a)中的模型進行簡化，如圖9(b)和圖9(c)所示：圖9(b)中去掉凸臺，并將缺陷移動至鋼殼體中，此時的缺陷深度和圖9(a)中的缺陷深度相同；圖9(c)中的模型是直接去掉凸臺，其余與模型9(a)完全相同。

圖9　建模時的各仿真模型

對圖9中的三種模型進行仿真，仿真條件與2.1節(jié)相同，模型a，b，c(分別對應圖9(a),(b),(c))的仿真結果及模型b，c與模型a的比較結果如表3所示。由表3可看到，三種模型的仿真結果非常相近，相對誤差均在1%以內，所以，對于此試件而言，三種建模方法均可。

表4為將缺陷和凸臺的厚度均增大為0.2 mm時三種模型在上述相同仿真條件下的仿真結果。由比較結果可看到：a、b兩種模型的相對誤差仍在3%以內，而a、c兩種模型的相對誤差已經超過11%，即當缺陷較厚時模型c會出現(xiàn)較大的誤差。所以考慮模型的簡潔和仿真的精度兩方面因素，當缺陷厚度較小時，b、c兩種建模方法均可接受；當缺陷厚度較大時，模型b為最佳模型。

表3　缺陷厚度為0.05 mm時不同缺陷位置的仿真結果

表4　缺陷厚度為0.2 mm時不同缺陷位置的仿真結果

3　結論

用聚四氟乙烯插片模擬固體火箭發(fā)動機絕熱層脫粘缺陷時，會出現(xiàn)空氣隙，且無論空氣隙存在于何處，都會產生較大的缺陷信號(溫差和對比度)。仿真建模時這種人工缺陷的具體組成及參數(shù)很難確定，但是可以用一定厚度的純空氣隙進行等效計算。

通過嵌入插片模擬絕熱層脫粘時，由于絕熱層是一種預制的等厚材料，與缺陷相對應的上表面會有一定程度的凸起，所以最精確的仿真模型為帶凸臺的仿真模型。但是為了簡化建模計算，當缺陷很薄時，如0.05 mm厚的空氣隙，可以忽略凸臺，且缺陷位于絕熱層或鋼殼體中均可；當缺陷較厚時，如0.2 mm厚的空氣隙，也可以忽略凸臺，但是此時缺陷應置于鋼殼體中才能獲得較高的仿真精度。

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Infrared NDT Modeling of Disbonds in the Insulator of Solid Rocket Motors

ZHANG Nan-nan,GUO Xing-wang

(School of Mechanical Engineering &Automation,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Polytetrafluoroethylene(PTFE) inserts are usually used as artificial disbond defects when making reference samples containing disbonds in the insulator of solid rocket motors. It is hard to take out the inserts in most cases. There will be air gaps once the poor bonding between the insert and the host material appears，in addition,the upper surface of the sample will bulge. In this paper,first,it is proven that the PTFE insert leads to a hybrid defect which consists of the insert and air gaps;then a variety of models are established for the different composition,position and bulge of the defect,and the corresponding numerical simulation is conducted;at last,a precise and simple modeling method is presented by comparing and analyzing the simulation results of these models.

Infrared NDT;Solid rocket motor;Disbond;Insert;Modeling

2016-03-12

國家自然科學基金資助項目(61571028,U143310165)

張南南(1990-)，女，碩士，主要研究方向為紅外熱像無損檢測理論和技術。

張南南，E-mail: 1415816738@qq.com。

10.11973/wsjc201608001

TG115.28

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1000-6656(2016)08-0001-05