基于激光剪切散斑干涉的包覆药柱界面缺陷类型分辨_王硕.pdf
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1、第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023基于激光剪切散斑干涉的包覆药柱界面缺陷类型分辨王硕1,占明明2,刘斌1*,李东峰2,简琦薇1,张贵辉1(1上海工程技术大学 机械与汽车工程学院,上海201620;2湖北航天化学技术研究所,特种推进剂研究室,襄阳441003)摘要:为了分辨出固体推进剂包覆界面中脱粘缺陷和非脱粘缺陷(气泡、夹杂等),利用激光剪切散斑干涉技术和有限元数值模拟手段,对包覆层中预设有脱粘缺陷、气泡缺陷和夹杂缺陷的平板试件进行了实验研究、数值计算,并对比分析了三种类型缺陷在真空负压加载
2、及热加载条件下变形机理。实验结果表明,相同加载条件下,脱粘缺陷对应的离面变形远大于气泡缺陷和夹杂缺陷。数值分析显示负压加载条件下,相同尺寸的脱粘缺陷的离面位移是夹杂缺陷离面位移的 210倍,比气泡缺陷的离面位移大 12 个数量级。另外,数值计算热加载激励条件下,三种类型缺陷的离面位移差异也较大。相同尺寸下,脱粘缺陷离面位移明显大于气泡缺陷和夹杂型缺陷,且缺陷尺寸越大,变形差距越明显。研究结果可为固体推进剂包覆层粘接缺陷检测、脱粘型与非脱粘型缺陷分辨提供技术支撑。关键词:剪切散斑干涉;脱粘缺陷检测;缺陷类型分辨;固体推进剂药柱;包覆层;药柱脱粘中图分类号:V435文献标识码:A文章编号:1006
3、-2793(2023)02-0204-09DOI:107673/jissn1006-2793202302005Distinguishing defect types of coating interface of solidpropellant grain based on laser shearographyWANG Shuo1,ZHAN Mingming2,LIU Bin1*,LI Dongfeng2,JIAN Qiwei1,ZHANG Guihui1(1School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University
4、of Engineering Science,Shanghai201620,China;2Special Propellant esearch Laboratory,Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology,Xiangyang441003,China)Abstract:In order to distinguish the debonding defects and non-debonding defects(bubbles,inclusions,etc)in the coatinginterface of solid propellan
5、t,the laser shearography interferometry and the finite element numerical simulation were used to experi-mentally investigate and numerically calculate the plate specimen with debonding,bubble and inclusion defects preset in the coatinglayerThe deformation mechanisms of three types of defects under v
6、acuum negative pressure loading and thermal loading were com-pared and analyzedThe experimental results show that the out-of-plane deformation corresponding to debonding defects is much lar-ger than that of bubble or inclusion defects under the same loading conditionsNumerical analysis shows that un
7、der the negative pres-sure loading condition,the out-of-plane displacement of debonding defects with the same size is 2 10 times that of inclusion de-fects,which is 1 2 orders of magnitude larger than that of bubble defects In addition,the out-of-plane displacements of three typesof defects are obvi
8、ously different under the condition of thermal loading excitationUnder the same size,the out-of-plane displacementof debonding defect is significantly larger than that of bubble defect or inclusion defect,and the larger the defect size is,the more ob-vious the deformation difference isThe research r
9、esults can provide technical support for the detection of bonding defects of solidpropellant coating and the discrimination of debonding and non-debonding defects Key words:shearography;debonding defect detection;defect type distinguishing;solid propellant grain;coating layer;graindebonding402收稿日期:2
10、022-06-18;修回日期:2022-11-10。作者简介:王硕,男,硕士生,研究方向为电子剪切散斑干涉技术应用。通讯作者:刘斌,男,博士/副教授,研究方向为光测实验力学。0引言固体推进剂作为一种高能复合材料,广泛应用于导弹和航天运载系统1。包覆层作为固体推进剂结构的重要组成部分,不仅能隔绝高温保护固体推进剂,还将直接影响固体推进剂内弹道性能2。然而,药柱基体在包覆过程中,包覆层与衬层之间不可避免地会产生如脱粘、气泡、夹杂等缺陷35。实际工程发现,脱粘缺陷会严重影响固体推进剂药柱的结构完整性,它是导致固体发动机的发射失败或者爆炸的主要原因67。目前,很多无损检测方法均可成功检测固体推进剂包覆
11、层缺陷,如光学8、超声9、X 射线10、脉冲热成像11 等。这些技术均有各自的优势和局限性,其中激光剪切散斑干涉技术具有实时、高效率、无污染、结构简单、无接触等特点,在实际检测工程中被广泛使用1216。然而,高精度的激光剪切散斑干涉技术不仅可以得到脱粘缺陷干涉条纹,还能得到气泡缺陷及夹杂缺陷等非脱粘类缺陷的干涉图像17。在固体推进剂包覆层与衬层之间的气泡、夹杂等缺陷往往会让检测人员产生误判,对非脱粘缺陷的固体推进剂进行剖开检查,造成固体推进剂样品的大量浪费。因此,对固体推进剂包覆层脱粘类缺陷和非脱粘类缺陷进行分辨十分必要。现有针对固体推进剂包覆层缺陷类型识别的研究较少。MA-JID 等18 利
12、用内聚力模型和有限元方法得出了不同缺陷类型对粘接接头强度有显著影响,但并没有对缺陷类型进行区分。张军等19 利用有限元软件分析了气泡缺陷对粘接结构的影响。然而,该研究在模拟气泡缺陷时,去除了缺陷位置处的衬层,与实际情况存在较大差异,与脱粘缺陷的模拟并无明显差别。本文自主搭建激光剪切散斑测试系统,利用负压加载激励,对预设有脱粘缺陷、气泡缺陷和夹杂缺陷的平板试样进行缺陷检测。同时,利用有限元数值计算方法,在负压加载和热加载两种条件下,对三种缺陷结构的离面位移进行定量分析,对比脱粘缺陷与非脱粘缺陷的变形差异。1实验11实验对象和缺陷类型预设有不同缺陷类型的平板试件如图 1 所示,尺寸为 200 mm
13、200 mm50 mm。试件包覆层为类橡胶,厚度为 2 mm,长和宽略大于基体尺寸(图 1(a);衬层的厚度约为 05 mm;固体推进剂试件均为湖北航天化学技术研究所提供。试件包覆层和衬层的成分均与真实的包覆药柱一致,基体采用特殊复合材料模拟,不具有危险性。试件中缺陷的大小和布置由湖北航天化学技术研究所依据其内部的文件激光错位散斑包覆药柱衬层脱粘缺陷制作方式 来设计和完成制作的。试件在包覆层 A 与衬层之间预设有夹杂缺陷和脱粘缺陷(图 1(b),包覆层 B 与衬层之间预设有气泡缺陷(图1(c)。在 A1 区域中,以普通透明胶带分割出不同尺寸的圆形,贴在包覆层上,制作成夹杂缺陷,夹杂缺陷直径分别
14、为 1、2、3、5、8 mm,每行中 3 个缺陷尺寸相同。在A2 区域中,以普通透明胶带包裹圆形塑料片,贴在包覆层上,制作成脱粘缺陷,脱粘缺陷直径分别为 1、2、3、4、5 mm,每行中 3 个缺陷尺寸相同。包覆层 A 内各缺陷尺寸见表 1。在 B1 区域中,将真实固体推进剂中出现的单个圆形气泡缺陷剪下(裁剪时无法完全保证裁剪区域为圆形),放置于平板试样衬层中,制作成单个气泡缺陷。其中,B1-1 内部有多个单一气泡,B1-2 和 B1-3 缺陷均是只有一个气泡。在 B2 区域中,将真实固体推进剂中出现的密集气泡缺陷剪下,放置在平板试样衬层中,制作密集型气泡缺陷。包覆层 B 下衬层内各缺陷类型及
15、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图 1平板检测试件Fig1Plate test specimen5022023 年 4 月王硕,等:基于激光剪切散斑干涉的包覆药柱界面缺陷类型分辨第 2 期表 1包覆层 A 内各缺陷类型与尺寸Table 1The types and sizes of defects in A coating layerDefect typeDefect positionDef
16、ect size/mmDefect typeDefect positionDefect size/mmInclusion defectA1-1A1-2A1-3A1-4A1-512358DebondingdefectA2-1A2-2A2-3A2-4A2-554321表 2包覆层 B 内各缺陷类型与尺寸Table 2The types and sizes of defects in B coating layerDefect typeDefect positionDefect size/mmDefect typeDefect positionDefect size/mmSingle bubbled
17、efectB1-1B1-2B1-312512515 mm bubble2 mm bubbleDense bubbledefectB2-1B2-2B2-3B2-42010205101052512剪切散斑干涉检测系统剪切散斑干涉是一种可精确检测物体表面微小离面变形的光学干涉技术13。对检测物体进行外部激励,使得物体表面发生变形,由于缺陷区域与正常区域的细微变形差异,会引起干涉条纹发生“畸变”,形成“蝴蝶状”条纹。因此,可根据特殊干涉条纹来判断缺陷位置、形状、大小等信息20。剪切散斑干涉技术的原理如图 2(a)所示。扩束后的激光照射在被测物体的表面,漫反射的激光在分光镜处产生透射和反射,分别到达剪切
18、镜和相移镜。剪切镜产生一个微小的剪切角度,使得再次被反射的两束激光在数字相机靶面上发生干涉,最终形成散斑干涉图像。物体表面的离面位移是指垂直于物体方向(图 2 中 z 方向)上的位移21。因为激光照射方向与观察方向的夹角几乎为零且均垂直于物体表面,当物体的表面发生变形时,剪切散斑干涉测量的相位差和物体表面离面位移一阶导数的关系为w/x=/(4)(1)式中 为激光的波长;为剪切量的大小;为被测物体由于变形引起的位相差。本文基于剪切散斑干涉原理构建了无损检测系统,如图 2(b)所示。无损检测系统主要组件包括负压舱、平板试件、激光器、分光镜、数字相机、剪切镜、PTZ控制器、PTZ、反射镜、信号发生器
19、、计算机。前期研究22 已证明,在利用剪切散斑干涉光测系统对包覆试样进行缺陷检测时,负压加载可以作为有效的外部激励条件。(a)Optical path of shearography interference(b)Experimental detection system图 2剪切散斑干涉光测系统Fig2Shearography interferometry optical measurement system1Vacuum chamber;2Plate sample;3Laser;4Beam splitter mirror;5Digital camera;6Shear mirror;7PTZ
20、 control;8PTZ;9eflective mirror;10Signal generator;11Computer6022023 年 4 月固体火箭技术第 46 卷13有限元数值模拟为了进一步分析脱粘缺陷、夹杂缺陷和气泡缺陷在真空负压加载条件下的变形机理,利用 ABAQUS 软件对三种缺陷进行了仿真模拟。试件整体采用二维平面结构,包括橡胶包覆层、粘结剂(衬层)和基体。试件整体宽度为 30 mm。橡胶层厚度为 2 mm,衬层厚度为 05 mm,基体厚度为 15 mm。各部分材料参数如表3 所示2324。其中,基体以粘弹性泊松比和 Prony 级数来表征粘弹性25,剪切松弛模量(G)和对应
21、的松弛时间()如表 4 所示。仿真模拟过程中,固定基体的底面,限制其 6 个自由度,而两边设置为自由边界。负压加载条件为 5、10、15、20 kPa 四种情况。另外,本文还采用了热加载方式对脱粘缺陷、夹杂缺陷和气泡缺陷进行了研究。模拟脱粘时,将缺陷位置处的衬层结构去除,使得包覆层与基体之间完全分离,如图 3(a)所示。设计脱粘缺陷尺寸分别为 5、10、20 mm。模拟气泡缺陷时,设置=006 mm 的圆球代替气泡26,气泡布置于衬层中,如图 3(b)所示。通过设计圆球数量使气泡缺陷尺寸与脱粘缺陷尺寸保持一致。同时,为了体现不同气泡密集程度,分别设计了单层、双层和三层气泡的缺陷。模拟夹杂缺陷时
22、,设计将 01 mm 的薄片夹杂物置于衬层中,并紧贴橡胶层下方,如图 3(c)所示。设计薄片夹杂物尺寸为 5 mm 和 10 mm,材质为聚氯乙烯,材料参数如表 3 所示。表 3材料的力学参数和热学参数Table 3Mechanical and thermal parameters of the materialMaterial typeubberAdhesiveInclusionBinder25 Youngs modulus/GPa00152300008Poissons ratio0480380499Thermal expansion coefficient/K116001065681068
23、0106780106Density/(kg/m3)14001200Specific heat capacity/J/(Kkg)17001200Thermal conductivity/W/(mK)02102表 4基体的 Prony 级数Table 4Prony series of binderG/MPa04021801260064004002100180015002/s000100101110100100010 000100 000(a)Debonding defect(b)Bubble defect(c)Inclusion defect图 3模拟缺陷的结构示意图Fig3Schematic d
24、iagram of defect structure infinite element simulation2结果分析与讨论21负压加载下缺陷干涉条纹包覆层 A 与衬层间的夹杂缺陷和脱粘缺陷检测结果如图 4 所示。当负压加载值达到 10 kPa 时,A1区域内夹杂缺陷没有出现明显的条纹,而 A2 区域内所有脱粘缺陷均出现了剪切散斑特征条纹。当负压加载值达到 20 kPa 时,A2 区域中尺寸较大的脱粘缺陷的特征条纹已经模糊,而 A1 区域始终未出现明显的特征条纹。可见,即使在 20 kPa 负压激励下,A1 区域内夹杂缺陷处的表面变形仍无法达到光测系统检测范围。实验结果表明,在相同负压激励下,
25、脱粘缺陷的离面位移要明显大于夹杂缺陷。包覆层 B 与衬层之间的气泡缺陷检测结果如图 5所示。负压加载到 5 kPa 时,B1 区域内单个气泡缺陷和 B2 区域内密集气泡缺陷均产生了明显特征条纹,但 B2 区域内密集气泡缺陷条纹已模糊化,说明 B2 区域内密集气泡缺陷所引起的离面位移更大。当负压加载值达到 10 kPa 时,B1 区域中直径为 2 mm 的气泡缺7022023 年 4 月王硕,等:基于激光剪切散斑干涉的包覆药柱界面缺陷类型分辨第 2 期陷特征条纹开始模糊,直径为 15 mm 气泡缺陷的特征条纹也进一步增加,而 B2 区域内密集气泡缺陷的特征条纹更加模糊。分析认为,由于气泡缺陷制作
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