0 引言
固体推进剂装药是飞行器推进系统中的重要能量源,作为其组成之一的包覆层与基体的粘接质量对固体推进剂的工作性能有重大影响[1]。粘接质量的完好性不仅保证了推进剂颗粒尺寸稳定性和结构完整性,还使得推进剂在燃烧过程中充分燃烧[2]。然而,如果固体推进剂界面粘接质量不良,其在挪动和运输过程中受内部应力作用易产生扭曲变形,导致界面粘连脱落或内部裂开,甚至导致发射失败[3]。因此,对固体推进剂粘接质量无损检测是关乎国防安全的重要课题[4]。
现有固体推进剂无损检测方法包括超声波检测技术、射线探伤技术、渗透检测技术和磁粉检测技术等,已被证明可检测出包覆层缺陷,但仍存在一定局限性。如超声波检测技术无法定量的对缺陷进行直观的分析[5];射线探伤技术检测周期过长,且对人体有辐射[6];渗透检测对待测物体表面粗糙度有要求[7];磁粉检测技术所用到的悬浮液会对产品及环境造成污染等[8]。剪切散斑干涉技术作为一种光学干涉技术,对环境要求不高,而且是一种非接触式的测量方法[9]。此外,随着计算机图像处理技术快速发展,测试数据获取和数字图像处理速度大幅提升,剪切散斑干涉的实时监测和原位检测被广泛应用于实际工程中[10]。
研究表明,高精度的激光剪切散斑干涉系统不仅可以检测脱粘缺陷的干涉条纹,还能够检测气泡、夹杂等非脱粘类缺陷引起的微小离面变形[11]。然而在实际工程中,气泡、夹杂及基体内部气孔等非脱粘缺陷和常规脱粘缺陷对固体推进剂性能的影响存在较大差异,急需对上述缺陷进行深入研究。例如,王硕等[12]基于负压加载和热加载条件下离面位移差异,有限区分了脱粘缺陷、气泡缺陷和夹杂缺陷。刘斌等[13]利用模拟的包覆药柱试块装置来试验,以此验证实际药柱产品,结果表明,可检出2 mm左右的人工缺陷,同时也能检测出实际的包覆药柱界面脱粘。Liu等[14]采用高频同步触发技术的实时相位处理方法来进行原位识别,检测药柱的剥离缺陷,以此评估粘接层的粘接质量。Lei等[15]通过实验和有限元预测界面脱粘的应变场和应力应变响应,验证了界面脱粘是由推进剂断裂引起的,有利于固体推进剂失效和界面脱粘完整性分析。以上文献对于包覆药柱的脱粘缺陷检测及粘接质量有了一定的研究。而基体内部孔洞缺陷和衬层脱粘缺陷的研究尚少,对于其引起的表面离面位移是否存在差异也有待进一步探究。此外,受光路结构限制,剪切散斑干涉无损检测的视场角通常较小、单次测量面积有限[16],亟需构建大视场高精度的剪切散斑干涉光测系统以实现固体推进剂在真实尺寸条件下的实时原位检测。
为了实现固体推进剂衬层脱粘缺陷和基体内部孔洞缺陷的无损检测,本文中利用自主研制的高精度激光剪切散斑检测系统,分析了不同类型缺陷的固体推进剂在负压加载条件下的表面散斑干涉条纹和归一化离面位移值,利用剥离实验和有限元模拟对比验证了2种缺陷的固体推进剂的包覆层剥离强度和离面位移差异,研究结果可为固体推进剂内部缺陷类型的识别提供理论支撑和实际检测指导。
1 实验与方法
1.1 固体推进剂试件
固体推进剂药柱(后文简称药柱)由包覆层、衬层和推进剂组成。药柱直径为80 mm,高度为200 mm。固体推进剂试件均为湖北航天化学技术研究所提供,试件包覆层为类橡胶,厚度为2 mm,衬层的厚度为0.5 mm。
1.2 剪切散斑干涉系统
剪切散斑干涉系统由迈克尔逊干涉光路、激光投射装置和图像采集部件组成。其中,迈克尔逊干涉光路集成了剪切矢量调节机构、压电陶瓷驱动的时间相移装置以及大视场角图像采集装置,如图1所示。基于剪切散斑干涉原理搭建了无损检测系统,如图2所示,检测系统主要部件有:① 真空舱;② 集成式迈克尔逊剪切干涉仪设备;③ 激光器;④ 二维运动机构;⑤ 待检测试件;⑥ 计算机。主要器件参数如下:激光功率为200 mW,激光波长为532 nm,相干长度30 m;光学数字相机为Baumer公司的TXG20,分辨率为1 624×1 236,帧率为53 fps;真空舱最大真空负压可达50 kPa。
图1 剪切散斑干涉光路原理图
Fig.1 Schematic diagram of shear speckle interference optical path
图2 剪切散斑干涉光测系统
Fig.2 Laser shearography testing
在二维运动机构的带动下,通过X-Y轴2个方向的联动,实现在二维平面内对于焦距的精准调节,集成式剪切散斑干涉仪的镜头焦距和物体接收得到的光源强度得以改变,从而影响视场角来控制拍摄的成像大小,实现对干涉条纹的控制,获得更加准确的测量结果。作为组成运动系统的电气传动简单而效率高,保证精确度的同时可降低噪音干扰,以确保对于实验检测的准确性。
利用激光剪切散斑干涉技术与负气压加载检测相结合的方法,对固体推进剂衬层界面脱粘或基体孔洞缺陷检测。完成实验设备标定后,对推进剂衬层结构脱粘或基体孔洞进行实时监测,负气压对试样造成外部激励使其发生微小变形,激光剪切散斑设备则接受相应信息,再利用滤波、解相位、拉伸对比度等图像处理技术获得缺陷全场散斑干涉条纹图,以确定缺陷的位置、大小及其分布情况。为控制变量,在其他参数设置相同前提下进行标准试样块的制作,其直径尺寸分别为4、6、8 mm缺陷的标准块。
1.3 剥离实验
为了验证剪切散斑干涉光测系统识别缺陷类型的准确性,在被测药柱圆周方向平均分割为8等份,运用静态拉伸试验法分别对任一完好区域和含缺陷区域进行剥离实验。如图3所示,剥离实验开始前,固体推进剂平放在平台上,伸缩夹板将其固定住,拉伸设备的夹头夹住试样包覆层的一端。滑轨在水平方向上以恒定速度运动,两爪夹头在竖直向上运动。对于缺陷存在的区域和没有缺陷的包覆层进行剥离,选取同样大小的区域,分别利用拉伸设备对选取区域进行剥离实验,拉伸试验机终端连接计算机记录力-位移曲线。
图3 剥离实验拉伸示意图
Fig.3 Drawing diagram of stripping experiment
2 结果与分析
2.1 剪切散斑干涉
当激光照射到引起漫反射的物体表面时,物体各部位所发出的次波在物体表面的前方相干而形成大量的明暗斑点,缺陷处的内部不连续导致位移场变化不连续,干涉图像形成蝴蝶斑样的图案。如图4所示,固体推进剂试件表面处蝴蝶斑干涉条纹位置处存在缺陷,经过滤波、解相位、拉伸对比度和光学标定等处理,测得缺陷直径为4.57 mm。
图4 剪切散斑干涉条纹图
Fig.4 Fringe pattern of shear speckle interference
图5为相同加载环境下被测药柱与预制标准块的剪切散斑干涉条纹图,两者均出现了蝴蝶斑状的特征条纹图。显然地,预制标准块的缺陷大小不一,显现出的特征条纹图级数各不相同。通过特征条纹级数及初步离面位移测量,发现被测药柱缺陷的蝴蝶斑状干涉条纹尺寸与预制4 mm缺陷标准块的一致,但条纹级数和离面位移略小。
图5 待测试样与标准块
Fig.5 The tested sample and standard block
根据弹性力学薄板形变理论对被测药柱与预制标准块上缺陷的离面位移进行归一化处理,以对比相同加载条件下两者离面位移的差异。
由文献[17]可知,脱粘缺陷可等效为周边固支的薄壁圆盘,缺陷表面离面位移为圆盘最大挠度,离面位移计算如下:
(1)
式(1)中: ρ为缺陷半径;均布载荷q=15 kPa;弹性模量E=10 MPa;薄板厚度T=2 mm;泊松比ν=0.48。
对其归一化处理后:
(2)
经计算,被测药柱缺陷与预制缺陷标准块在同一负压加载下的归一化离面位移,分别为0.018 mm-3和0.027 mm-3。两者的离面位移存在差距,可见,被测药柱缺陷的真实位置并非位于衬层。
2.2 剥离实验
图6为被测药柱缺陷区域与完好区域的剥离力-位移曲线。可以看出,2条曲线基本一致,位移为0～10 mm内,拉伸载荷与位移基本呈线性正比例关系,当位移超过10 mm后,载荷在14～17 N范围内上下波动。缺陷区域和无缺陷区域的剥离峰值拉力无明显差异,这验证了缺陷未发生在衬层与基体的粘接界面上。进一步对剥离后的试样进行剪切散斑检测,可以发现原缺陷位置处仍存在特征条纹,检测缺陷直径为4.42 mm,表明待检测试样的缺陷可能存在于基体里。利用小刀对药柱进行剥离,发现基体内部的缺陷是直径约为2 mm的孔洞,如图7所示。这种气泡的存在是不可避免的且非人为造成,固体推进剂由于季节或是天气的原因,当其较为润湿时含水量较高,但当其固化后由于内部的气体未被排出,从而在基体内部会形成气泡或是缺陷[18]。
图6 拉伸强度曲线
Fig.6 Tensile strength curve
图7 衬层剥离后的裸露药柱基体
Fig.7 The bare grain after stripping the liner
3 有限元数值分析
3.1 数值模型及参数
为了进一步分析不同类型缺陷的固体推进剂在负压加载条件下的变形机理,利用有限元软件对2种缺陷进行了仿真,结果如图8所示。试件整体采用二维平面结构,包括橡胶包覆层、衬层和推进剂。药柱直径为100 mm,衬层厚度为0.5 mm,包覆层厚度为2 mm。基体孔洞缺陷直径为2 mm,距离基体外表面2 mm;对于衬层脱粘则是将缺陷位置处的衬层去除,使得包覆层与基体之间完全分离。各部分材料参数如表1所示[19]。其中,基体以泊松比和Prony级数来表征粘弹性,剪切松弛模量(G)和对应的松弛时间(τ)如表2所示[20]。仿真模拟过程中约束药柱的底面,分别在5、10、15 kPa 3种负压加载条件下探究其药柱表面离面位移值。
表1 材料的力学参数
Table 1 Mechanical parameters of materials
材料类型杨氏模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)包覆层100.481 400衬层5 2000.381 200基体21.70.491 600
表2 基体的Prony 级数
Table 2 Prony series of binder
G/MPa0.40.2180.1260.0640.040.0210.0180.0150.02τ/s0.0010.010.11101001 00010 000100 000
图8 有限元模拟缺陷结构
Fig.8 The two types of defects in the FEM model
3.2 数值模拟结果分析
图9是2种缺陷在不同压强下离面位移的对比。由图9(a)可看出,无论是衬层脱粘还是基体孔洞缺陷,固体推进剂表面离面位移均随着负压加载值的增大而逐渐增大,不同负压加载值下最大离面位移值均位于缺陷中心位置处。由图9(b)可看出,相同加载条件下衬层脱粘时固体推进剂表面最大离面位移大于药柱基体孔洞时的2个数量级。负压值为5 kPa时,衬层脱粘处的固体推进剂表面离面位移最大值约1.0×10-3 mm,而基体孔洞缺陷处的离面位移最大值仅为5.0×10-5 mm。其归一化离面位移值分别为 8.77×10-4 mm-3和4.72×10-5 mm-3。当负压值为10、15 kPa时,衬层脱粘表面离面位移分别为2.0×10-3、4.0×10-3 mm,而基体孔洞的离面位移分别为1.0×10-4、1.5×10-4 mm。此时衬层脱粘的归一化离面位移值是1.75×10-3、2.60×10-3 mm-3;基体孔洞的归一化离面位移值为9.45×10-5 、1.42×10-4 mm-3。对于不同的缺陷类型,在相同负压加载条件下,其离面位移随缺陷深度减小而对负压值变化越敏感。这些规律与前文实验结果及归一化计算结果均吻合,因此,利用离面位移来识别固体推进剂衬层脱粘缺陷和基体孔洞缺陷是可行的。
图9 不同压强下的缺陷离面位移对比
Fig.9 Out-of-plane displacements of the two types of defects under different pressures
4 结论
本文中基于剪切散斑干涉技术构建了无损检测系统,在负压加载下对真实尺寸条件下固体推进剂进行了无损检测,利用数字图像处理技术、归一化理论和有限元软件分析了衬层界面脱粘和基体孔洞2种不同缺陷的表面变形差异,得到以下结论:
1) 自主搭建的剪切散斑干涉光测系统实现了固体推进剂大视场高精度实时原位检测,能够精确确定固体推进剂内部缺陷位置及缺陷尺寸等信息。
2) 利用固体推进剂表面缺陷区域的归一化离面位移值能够识别出衬层界面脱粘缺陷和基体内部孔洞缺陷。
3) 相同加载条件下,衬层脱粘时固体推进剂表面最大离面位移大于基体孔洞时的1～2数量级。
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