固体火箭发动机绝热层脱粘的红外无损检测建模方法

张南南，郭兴旺

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)



固体火箭发动机绝热层脱粘的红外无损检测建模方法

张南南，郭兴旺

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

在制作固体火箭发动机绝热层人工脱粘缺陷的试件时，经常采用嵌入聚四氟乙烯插片的方法来模拟脱粘缺陷。多数情况下，插片很难取出。当插片与两侧材料不完全粘接时就会出现空气隙，且试件的上表面会有一定程度的凸起。首先证明了某试件中的缺陷是插片和空气隙组成的混合缺陷，然后进一步针对缺陷的组成、位置和凸起的有无建立了多种仿真模型并进行了仿真计算，通过对仿真结果进行分析比较，得出了一种计算精度较高、且比较简单的建模方法。

红外无损检测；固体火箭发动机；脱粘；插片；仿真模型

固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机，主要由壳体、绝热层和固体推进剂等部分组成。绝热层的主要作用是防止高温燃气烧坏燃烧室壳体，防止过热降低壳体强度而危及结构的完整性，同时还可以缓冲壳体与推进剂药柱之间的应力传递[1]。绝热层粘接在壳体的内壁，使用过程中常常会出现脱粘缺陷，脱粘缺陷的存在会缩短发动机的寿命，甚至导致航天器飞行失败[2]。为了避免绝热层脱粘带来的隐患，在绝热层粘接完成后、推进剂加入前须对其进行无损检测。

带有自然脱粘缺陷的试件因缺陷参数的不确定性而不适合作为定量研究的对象，且一般较难获得，因此常用人工脱粘缺陷试件进行试验分析。制作试件时，常在壳体和绝热层之间嵌入聚四氟乙烯插片来模拟绝热层脱粘，但是嵌入的插片很难取出，插片与壳体和绝热层之间的粘接情况直接决定了缺陷特征，且插片的插入也会导致试件表面的凸起。缺陷的组成、位置和凸起等会导致仿真模型的不同。笔者采用试验和仿真相结合的方法，对内含插片的绝热层脱粘试件的建模方法进行研究。

脉冲红外无损检测法[3-5]具有非接触、效率高、灵敏度高等优点，在固体火箭发动机的检测中有着广阔的应用前景[6-8]。故，笔者对固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲红外无损检测进行仿真研究。

1　试验及结果分析

1.1试验试件

为了模拟固体火箭发动机绝热层脱粘缺陷，制作了一个内含插片的人工缺陷试件。试件基板为2 mm厚的钢板，代表发动机的壳体;钢板的内侧为1.5 mm厚的丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber,NBR)，代表绝热层；钢板的外测为1 mm厚的NBR，模拟外热防护层;在绝热层和钢板间嵌入0.08 mm厚的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)薄膜来模拟绝热层和壳体间的脱粘，嵌入的PTFE薄膜有方形和圆形两种形状，每种形状具有多种尺寸。试件的形状尺寸见图1。值得注意的是，PTFE薄膜片一开始被放置在靠近边缘的地方，然后向远离边缘的方向进行了移动，移动期间带走了部分粘接剂。图1中虚线为移动前插片所在的位置，实线为移动后插片所在的位置。

图1　试件形状及尺寸

1.2试验过程及结果

该试件的脉冲红外无损检测试验在北京航空航天大学红外热像无损检测实验室内进行，试验中用两个氙气闪光灯对试件进行加热，用美国FLIR公司生产的热像仪进行图像采集，热像仪的空间分辨率为320×240像素，温度分辨率为0.1 K，且加热灯和热像仪均置于试件的绝热层一侧。

设定帧频率为15 Hz，在脉冲加热前采集5帧作为背景帧，脉冲加热后采集时间为16 s，共采集245帧。将加热后采集到的240帧图像进行减背景处理，得到过余温度图序列。图2为检测效果最好的过余温度图(t=5 s)，在该图中，较清晰的两排缺陷为嵌入的PTFE所导致；靠近边界较模糊的两排缺陷为PTFE移动后，该处胶粘剂减少所导致的；边长L为20，15 mm的两方形缺陷之间下方的亮斑为某种原因所致的自然缺陷。

图2　最佳过余温度图(t=5 s)

为了更好地评价红外无损检测结果，在10 mm×10 mm，8 mm×8 mm，6 mm×6 mm，4 mm×4 mm的方形缺陷处各选取3×3像素的缺陷区和一个32×23像素的无缺陷区作为感兴趣区，具体位置见图3。图4为所选取区域的表面温差(ΔT，ΔT=TD-TND，其中TD为所选缺陷区域的过余温度，TND为所选非缺陷区域的过余温度)、对比度(C，C=ΔT/TND)随时间的变化曲线。需要说明的是，图中的负值是由加热不均引起的。

图3　选取的感兴趣区域

图4　所选区域的缺陷信息随时间的变化曲线

2　仿真模型的建立

在实际研究中，常常需要探讨缺陷尺寸参数和加热参数对缺陷信号的影响，而为了避免制作多种试件进行多次试验，经常采用仿真的方法进行分析。仿真的关键问题之一就是建模，模型的正确与否直接关系着仿真结果的正确性。

2.1缺陷组成的分析

为了提高仿真的计算速度，忽略各缺陷之间的相互影响，对每一个尺寸的缺陷进行单独建模仿真，这里只取方形缺陷进行仿真；由于缺陷形状为规则的正方形，所以只研究1/4缺陷即可，仿真模型如图5所示(忽略胶粘剂)，其中H=0.08 mm为插入的PTFE的厚度，L为正方形缺陷的实际边长，点D和ND分别为缺陷区和非缺陷区的中心点。用ANSYS 15.0进行仿真分析，单元类型为solid70，用映射法进行网格划分。仿真环境温度为0 ℃，在绝热层一侧施加热流，热流密度q为1.8×106W·m-2，热流持续时间为0.01 s，该时间段内仿真计算的时间步长为0.000 5 s;加热结束后，试件开始散热，散热段仿真计算的时间步长为0.1 s，散热时上下两个表面的对流换热系数h为10 W·m-2·k-1，其他表面绝热。模型中材料的热物性参数见表1。

图5　仿真模型示意

表1　材料的热物性参数

为了判断仿真结果是否正确，最直接的方法是将仿真结果与试验结果进行比较。由于试验中并不能确定试件实际吸收的能量，所以与加热能量相关的参数信息不具有比较意义，但对比度为温度差与非缺陷区温度的比值，与加热能量无关，所以可以将仿真与试验的对比度进行比较，结果如图6所示。很明显，仿真与试验对比度有较大的差别。

图6　仿真与试验对比度比较曲线

仿真与试验对比度出现较大差别的原因可能是：PTFE插片与壳体或者绝热层之间没有完全粘接，存在空气隙[9]。图7(a)～(d)为存在空气隙时缺陷组成示意图，图7(a)为0.08 mm厚PTFE上下两侧都有0.023 mm厚的空气隙，图7(b)为0.08 mm厚PTFE下侧有0.047 mm厚空气隙，图7(c)为0.08 mm厚PTFE上侧有0.045 mm厚空气隙，图7(d)为只有0.05 mm厚的空气隙。针对这些模型进行仿真，仿真条件均与只有0.08 mm厚的PTFE插片时相同，仿真结果见表2。

图7　缺陷组成示意

表2　不同缺陷组成时的仿真结果

比较表2中1与其他各组的数据可以发现，当PTFE与基体材料之间存在空气隙时，无论空气隙存在于PTFE上侧、下侧还是上下两侧，温度差和对比度数值都会显著增大，这说明仿真建模时空气隙不可忽略。比较2、3、4、5组数据可以发现，四组数据十分接近，所以在不确定空气隙的具体位置时，可以用其中任意一组数据对应的缺陷模型进行等效计算；但值得注意的是，在进行仿真时应在保证精度的情况下，选择最简单的模型，所以图7(d)的模型d最具应用价值。

图8为模型d在缺陷边长为4，10 mm时试验和仿真的对比度比较曲线。由图中可以看到：缺陷边长为10 mm时，仿真和试验结果吻合得较好，这说明在该缺陷尺寸下模型d可以模拟真实的试验试件；但缺陷边长为4 mm时，试验和仿真对比度曲线会在10 s后出现稍大的偏差，这是因为边长4 mm的缺陷内部的空气隙与边长10 mm的不同，不能用0.05 mm厚的空气隙代替，仿真中可以通过调整空气隙的厚度来使边长4 mm缺陷的试验和仿真对比度较好地吻合。

图8　空气隙厚0.05 mm时,仿真与试验的对比度比较曲线

2.2缺陷部位表面凸起的模拟

观察实际试件，可以发现与缺陷区相对应的上表面有明显的凸起，所以仿真建模时为了更好地模拟真实试件，在上表面加一个凸台，凸台的尺寸与缺陷的尺寸相同，边长L=10 mm，厚度H=0.05 mm，如图9(a)所示。为了寻找更简单的模型，对图9(a)中的模型进行简化，如图9(b)和图9(c)所示：图9(b)中去掉凸台，并将缺陷移动至钢壳体中，此时的缺陷深度和图9(a)中的缺陷深度相同；图9(c)中的模型是直接去掉凸台，其余与模型9(a)完全相同。

图9　建模时的各仿真模型

对图9中的三种模型进行仿真，仿真条件与2.1节相同，模型a，b，c(分别对应图9(a),(b),(c))的仿真结果及模型b，c与模型a的比较结果如表3所示。由表3可看到，三种模型的仿真结果非常相近，相对误差均在1%以内，所以，对于此试件而言，三种建模方法均可。

表4为将缺陷和凸台的厚度均增大为0.2 mm时三种模型在上述相同仿真条件下的仿真结果。由比较结果可看到：a、b两种模型的相对误差仍在3%以内，而a、c两种模型的相对误差已经超过11%，即当缺陷较厚时模型c会出现较大的误差。所以考虑模型的简洁和仿真的精度两方面因素，当缺陷厚度较小时，b、c两种建模方法均可接受；当缺陷厚度较大时，模型b为最佳模型。

表3　缺陷厚度为0.05 mm时不同缺陷位置的仿真结果

表4　缺陷厚度为0.2 mm时不同缺陷位置的仿真结果

3　结论

用聚四氟乙烯插片模拟固体火箭发动机绝热层脱粘缺陷时，会出现空气隙，且无论空气隙存在于何处，都会产生较大的缺陷信号(温差和对比度)。仿真建模时这种人工缺陷的具体组成及参数很难确定，但是可以用一定厚度的纯空气隙进行等效计算。

通过嵌入插片模拟绝热层脱粘时，由于绝热层是一种预制的等厚材料，与缺陷相对应的上表面会有一定程度的凸起，所以最精确的仿真模型为带凸台的仿真模型。但是为了简化建模计算，当缺陷很薄时，如0.05 mm厚的空气隙，可以忽略凸台，且缺陷位于绝热层或钢壳体中均可；当缺陷较厚时，如0.2 mm厚的空气隙，也可以忽略凸台，但是此时缺陷应置于钢壳体中才能获得较高的仿真精度。

[1]王铮. 固体火箭发动机绝热层分析和设计[J]. 推进技术,1985,6(1):41-46.

[2]唐庆明,张明. 固体火箭发动机的装药缺陷及检测方法[J]. 飞航导弹,2006(7):52-54.

[3]王迅,金万平,张存林,等. 红外热波无损检测技术及其进展[J]. 无损检测,2004,26(10):497-501.

[4]VAVILOV V P,BURLEIGH D D. Review of pulsed thermal NDT: Physical principles,theory and data processing[J]. NDT&E International,2015,73:28-52.

[5]李晓丽,金万平,张存林,等. 红外热波无损检测技术应用与进展[J]. 无损检测,2015,37(6):19-23.

[6]蒋淑芳,郭兴旺,沈京玲,等. 固体火箭发动机绝热层脱粘的红外热波无损检测[J]. 激光与红外,2005,35(8):584-586.

[7]ZHANG W,SONG Y,YANG Z,et al. Infrared thermal wave nondestructive technology on the defect in the shell of solid rocket motor[C]∥5th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies. Dalian: International Society for Optical Engineering,2010:76590V-76590V-6.

[8]GUO X,VAVILOV V. Pulsed thermographic evaluation of disbonds in the insulation of solid rocket motors made of elastomers[J]. Polymer Testing,2015,45: 31-40.

[9]VAVILOV V P,BURLEIGH D D,KLIMOV A G. Advanced modeling of thermal NDT problems: from buried landmines to defects in composites[J]. Proc Spie,2002,4710:507-521.

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

国家自然科学基金资助项目(61571028,U143310165)

张南南(1990-)，女，硕士，主要研究方向为红外热像无损检测理论和技术。

张南南，E-mail: 1415816738@qq.com。

10.11973/wsjc201608001

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0001-05