液氧箱后底静应力测量系统设计与应用

刘秀芳 杨 洋 乔风斌 郭立杰

(上海航天设备制造总厂，上海 200245)

0 引言

新一代运载火箭采用了液氢液氧(或者液氧煤油)做推进剂。针对其工作特性与传统推进剂(四氧化二氮和偏二甲肼)的不同，我厂在新一代运载液氧箱后底(即推进剂储箱)的研制中，应用了新材料和新工艺。运载火箭助推模块是关系火箭运输能力的关键部件，其承压能力直接影响可加注的助推剂容积，对火箭能否发射成功并进入预定的轨道具有重要的影响。因此，必须通过大量的承压能力试验，即压力试验来验证新工艺和新材料应用的可行性和稳定性。为适应研制生产试验要求，设计了该液氧箱后底静应力测量系统。务中，箱底最大直径为3 350 mm，最大高度为1 160 mm。箱底由顶盖、圆环和型材框组成，其中圆环由6 块瓜瓣拼焊而成，主要焊缝包括圆环瓜瓣纵焊缝、顶盖环焊缝、型材框环焊缝和法兰焊缝。除型材框拼接焊缝和法兰焊缝采用了传统变极性非熔化极惰性气体钨极保护焊(tungsten inert gas welding，TIG)方法外，其余焊缝，包括瓜瓣纵焊缝、顶盖环焊缝和型材框环焊均采用了新的工艺方法(即搅拌摩擦焊方法)［1］。

图1 液氧箱后底结构图Fig.1 Mechanical structure of the bottom end of liquid oxygen tank

1 液氧箱后底静应力测量的难点

液氧箱后底采用新材料铝材2219，其结构如图1所示，箱底结构为椭球回转体。

根据型号不同，箱底大小不同，我厂承接的型号任

由于液氧箱后底尺寸面积大，焊缝长，且为了充分验证新工艺、新材料的可靠性，需要在内外表面同时进行应力测量，因此，带来了诸多影响测量精度的难题。

①测点多，应变片粘贴质量要求高。

如图2 ～图3 所示，试验共选择了1#～9#特征区域，外表面测点位置为A1～A27，内表面测点位置为B1～B27，内外表面测试位置一一对应，共计54 个测量方向，即54 个应力通道［2］。既要适应大量试验的时间节点要求，又要保证54 个测试点在打压全过程的蠕变性能，这就要求应变片的安装精准、快捷，并形成一套可行的粘贴操作流程，确保应变片安装工作又好又快完成。

图2 外表面测点示意图Fig.2 The testing points of outer surface

图3 内表面测点示意图Fig.3 The testing points of inner surface

②水下应变片的密封。

由于内表面的应变片在水下工作，水压最高0.8 MPa。应变片的密封既要防止应变片直接接触水，又要保证应变片的蠕变性能。目前试验使用的密封方法并不理想，需要通过增加应变片的粘贴来保证测试点数据有效。查阅大量的科技文献［3-8］，虽然不乏容器压力试验的资料，但大多数试验只测试容积外表面，对内表面接触水的部分不进行测量，少数涉及内表面测量的资料中，也基本没有应变片密封的内容。

③应变片导线的引出密封。

内表面应变片的导线须通过如图1 所示液氧箱的法兰孔引出，导线引出后需要对法兰孔进行密封，且要求可以承压0.8 MPa。由于导线比较分散，目前采用的密封方法不稳定，在加压过程中有时会漏水，导致继续加压困难;漏水后，由于外表面没做应变片密封，会

导致个别外表面应变片失效。

2 静应力测量系统设计

2.1 水下应变片的密封

首先严格按照顺序粘贴，即 外观检查 →阻值检测 →划线定位 →打磨表面 →清洁表面 →对正调整 →点滴涂胶 →粘贴施压 →粘贴接件 → 检查→焊接引线 →热风固化 →焊接连线 →密封。应变花安装示意图如图4 所示，引出线与导线通过环氧基铜箔端子连接，端子应尽量靠近应变片，有效防止应变片引出线与箱体表面接触导致短路［5］。

图4 应变花安装图Fig.4 Fixation of strain rosette

应变片粘贴好后，进行如图5 所示的防水密封处理，即先用AK-22 胶泥均匀敷在粘贴好的应变片上，完成第一层密封，再用VM 胶带在AK -22 粘土四周进行第二层密封。对水下导线焊点直接采用VM 胶带敷裹并多次均匀挤压。WFRA 应变片长引线的固定方法为:裁剪若干细条VM 胶带按一定距离将应变片引线粘贴在不锈钢内壁上。这种方法较传统不锈钢薄条点焊固定方法的优点是不损伤容器内表面［6-7］。

图5 内表面应变花安装Fig.5 Fixation of strain rosette on inner surface

2.2 应变片导线的密封引出

密封装置结构和装配如图6 所示。

图6 堵头密封装置结构简图Fig.6 Simplified diagram of the structure of plug seal

为了将内表面应变片导线从法兰孔密封引出，并保证承压0.8 MPa，在箱体法兰接口处设计了一种堵头密封装置。密封装置基体材料为0Cr18Ni10Ti 不锈钢，一端为密封法兰盘结构，另外一端开56 个细小导线出孔，密封填充材料为环氧树脂。制作完成的密封堵头在实验室完成了1 MPa +72 h 保压的水压试验，试验表明，该密封装置密封性能良好且所有水下引出导线未发生绝缘问题。

2.3 应变片导线误差修正方法

由于试验距离长，应变片导线电阻不能忽略不计。这部分误差可以通过在应变仪导线修正参数中设置相应数值，软件系统根据式(1)进行长导线修正:

式中:RL为长导线电阻;120 为所选应变片的名义单片电阻;ε 为修正前的应变值;ε1为修正后的应变值。

2.4 应变片组桥方式及温度补偿

为消除温度对测量的影响，该试验系统对每个特征点的三个应力方向均采用半桥补偿方式进行应变测量。为验证半桥补偿方式下温度对应变测试的影响，取应变片BE120 -3CA(23)两片，沿轴向和径向粘贴在标准试件上，试件材料为2219CS，并将应变片按半桥方式与YE2539 静态应变仪相连。在拉伸试验机上将试件拉伸到500mε。待应变稳定后，用热吹风机对应变片持续吹热风，预计热吹风引起的温度变化为60 ℃，应变片发生了最大12.72mε 的测量误差，大约为500mε 的2.5%。液氧箱后底试验时环境温度最高变化10 K，且预计产生的最大应变为1 500με，则预计温度对现场半桥补偿方式连接下的应变测量最大影响不超过5με，由此可说明半桥补偿方式对消除温度影响是非常有效的。

2.5 试验系统组成与连接

系统组成如图7 所示。

图7 测试系统组成Fig.7 Composition of the test system

系统主要由54 个应变片(详细位置和方向见图2和图3)、静态电阻应变仪和软件测量系统组成。应变片的引出线以半桥补偿方式接入静态应变仪。上电调平，变形产生时，每个应变片产生一路微电压信号，通过放大、滤波等信号调理模块后，经数据采集，通过RS-485 输出，转换为USB 接口信号后输入计算机，由软件系统进行数据显示、分析、保存和打印等操作。

3 系统试验验证

3.1 水压试验

为了验证新材料和新工艺在液氧箱后底设计制造中应用的安全性和可行性，采用打水压的方法进行压力试验［9-10］。试验采用逐级加压法，依照0.02→0.04→0.054→0. 108 →0. 162 →0. 216 →0. 27 →0. 324 →0.378→0. 385 →0. 432 →0. 486 →0. 54 →0. 567 →0.594→0.621 →0. 648 →0. 675 →0. 702 →0. 729 →0.756→0.783→0.8(单位:MPa)的顺序加压，加压精度为0.001 MPa，每一步增压4 ～5 min 完成，保压2 ～5 min，在常温使用压力0.385 MPa 和常温设计压力0.54 MPa 处保压15 min左右。每个工况取稳定值记录，原始试验数据是测点每个方向上应变值。根据式(2)～(5)计算得到1#～9#特征点内外表面主应力大小和方向。

式中:σmax为最大主应力;σmin为最小主应力;τmax为最大剪应力;θ 为0°方向应变片与主应力方向的夹角;εa、εb、εc分别为0°、45°、90°方向上的应变量。

3.2 试验结果精度分析

试验系统在现场测试前进行了零载试验，试验表明应变零漂未超过2με，而原试验方法的应变零漂最高时在50με 左右，对比关系图如图8 所示。

图8 新旧系统零漂情况对比图Fig.8 Contrast of zero drifts between new system and old system

如2.4 节所述温度对试验结果的影响应不超过5με。由于所有通道的应变测试结果均经过应变的名义导线电阻修正，因此导线电阻和灵敏系数的影响可忽略不计。

3.3 应力和缺陷分析

根据试验数据分析，1#点位于瓜瓣纵焊缝中部，此处为瓜瓣纵焊缝易变形位置;3#点位于型材框环焊缝处;4#点位于箱底壳体板块的易变形位置。这3 个点在加压到0.8 MPa 的情况下，均未发生明显塑性变形，仍处在弹性区域，满足强度要求。

2#点和9#点位于瓜瓣纵焊缝与顶盖环焊缝交界处，为顶盖环焊缝易变形位置。试验数据表明在加压0.8 MPa 的情况下，2#点处于弹性区域，未发生塑性变形，满足强度要求;而9#点在加载序号17，即压力0.648 MPa处出现轻微的塑性变形，如图9 所示。这两个点位于同一个纬度，理论分析受力应相似，很有可能是9#点的焊接质量较差，焊接工艺有缺陷。

图9 9#点内外表面σmax 变化曲线Fig.9 Trend curve of σmax at the 9# point inner and outer surfaces

位于顶盖部分的5#～8#点，在加载到序号17 即0.648 MPa时，均开始出现不同程度的塑性变形，但在设计压力0.54 MPa(加载序号13)范围内均一直处于弹性范围，未出现塑性变形，满足设计要求，如图10 所示。

图10 7#点内外表面σmax 变化曲线Fig.10 Trend curve of σmax at the 7# point inner and outer surfaces

4 应用

利用液氧箱后底静应力测量系统开展的水压试验为新材料和新工艺的研制提供了精确可靠的试验数据，为工艺改进指明了方向，达到了预期试验效果。在充分总结水压试验成功的经验后，编制了《液氧箱后底静应力试验大纲》、《水下应变片密封操作手册》和《水下应变片导线引出堵头装置图纸》，规范了试验标准，使该试验具有较高的可操作性和可学习性，提高了生产试验效率，为我厂高密度任务的保质保量交付提供了技术保障。

5 结束语

本文所述液氧箱后底静应力测量系统克服了应变片粘贴可靠性、水下应变片密封、水下应变片导引线密封引出、应变测量误差补偿等多个应变测量难题，解决了原有系统可靠性和精度差的问题，为新工艺、新材料的研制提供了准确可靠的试验数据，成为新工艺和新材料的研制改进的重要试验手段。一系列标准化操作流程的制定也满足了我厂高密度生产试验的需求。

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