某型固体火箭发动机无损探伤时机研究

吴 昊，郭建忠

(海军装备部驻西安地区军事代表局， 西安 710000)

对固体火箭发动机进行无损探伤，可以准确、有效地发现发动机装药存在的缺陷[1-3]。发动机进行无损探伤，受限于工业CT设备的场地要求，盲目、无依据地进行探伤会影响发动机的战备值班率。因此，对固体火箭发动机进行无损探伤时机研究尤为重要。无损探伤的时机与发动机的累积损伤程度密切相关，当发动机累积损伤达到一定程度，就需要进行无损探伤确定是否存在缺陷。通过计算发动机自然贮存和舰载值班两种状态下的累积损伤并进行折算，确定了发动机的探伤时机。

1 累积损伤模型

累积损伤理论分为线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论。线性累积损伤理论形式简单且限制条件少，所以被广泛应用[4]。对于发动机药柱的累积损伤可采用如下的线性累积损伤模型：

式中：D为损伤因子；σt为药柱的应力；σcr为临界应力；B为损伤指数；t0为时间；αT为时温转换因子，由WLF方程确定，即

式中：Tref为参考温度；c1、c2为待定常数。当参考温度Tref为20 ℃时，有C1=22.5，C2=353.7。

由文献[5]中的推进剂蠕变试验可以得出推进剂在不同应力下的破坏时间，如表1所示。

表1 不同应力水平下推进剂的破坏时间

对表1的试验数据采用最小二乘法进行拟合，由此可以确定出累积损伤模型中的参数σt0=0.945 MPa，B=8.08，σcr=0，t0=1 s。

2 累积损伤分析

2.1 有限元模型建立

该型发动机药柱、衬层、壳体的材料参数[6]如表2所示。

表2 发动机材料参数

E(t)=1.175+1.386e-20t/αT+2.146e-2t/αT+

3.501e-0.2t/αT+3.984e-0.02t/αT

传热边界条件有两类：热流边界条件和换热边界条件。假定模型的对称面、药柱内表面为绝热边界，其热流密度为零；假定在传热过程中，只有发动机壳体的外表面与环境存在对流传热。

位移边界条件有：模型对称面上的法向位移为零，对模型的对称面施加对称边界条件；假定壳体与衬层粘接界面、衬层与药柱粘接界面粘接完好，对其施加绑定约束条件；将药柱的内表面视为自由界面。

在进行累积损伤分析时应当选择具有代表性的发动机药柱关键点[7]。选取药柱粘接界面处应力最大值点为A点，药柱星尖处应力最大值点为B点。关键点的位置如图1所示。

2.2 自然贮存状态累积损伤计算

在自然贮存温度载荷作用下发动机药柱关键点前120 h的应力变化曲线如图2所示[8-10]，得到发动机药柱关键点前120h的累积损伤变化曲线如图3所示，A点的累积损伤为1.9×10-4，B点的累积损伤为7.5×10-4。

2.3 舰载值班状态累积损伤计算

在舰载值班温度载荷作用下发动机药柱关键点前120 h的应力变化曲线如图4所示[11-12]，得到发动机药柱关键点前120 h的累积损伤变化曲线如图5所示，A点的累积损伤为2.1×10-4，B点的累积损伤为8.3×10-4。

在文献[13]监测到的振动数据中选取加速度幅值较大的数据作为有限元分析加载的载荷，发动机在三个坐标轴方向上的加速度载荷如图6所示。

将加速度载荷加载到有限元模型中，通过有限元计算出在振动载荷作用下发动机药柱关键点前60 s的应力变化曲线如图7所示。

得到发动机药柱关键点前60 s的累积损伤变化曲线如图8所示，A点的累积损伤为8.56×10-8，B点的累积损伤为2.14×10-7。

2.4 两种状态累积损伤折算

由于在温度载荷和振动载荷作用下，发动机药柱关键点B的累积损伤最大，是最容易发生损伤破坏的位置，故在下面的计算中只对关键点B进行研究。

设自然贮存状态温度载荷作用前120 h和一年的累积损伤分别为d1和D1， 舰载值班状态温度载荷作用前120 h和一年的累积损伤分别为d2和D2，振动载荷作用前60s和一年的累积损伤分别为d3和D3，则有：

所以，自然贮存一年的累积损伤

D贮存=D1=0.054 8

舰载值班一年的累积损伤

D舰载=D2+D3=0.173 1

设两种状态累积损伤折算因子为Z，则有

通过以上计算可得，两种状态累积损伤折算因子为3.16，即发动机舰载值班一年相当于自然贮存3.16年。

3 无损探伤时机确定

将舰载值班的时间按折算因子等效为自然贮存的时间，可得到如表3所示的不同等效贮存时间下的累积损伤。

等效贮存时间/年5101520累积损伤0.270.550.821.10

由表3可以看出，发动机贮存不足10年时，其累计损伤小于0.5，可不进行无损探伤。贮存超过10年时，其累计损伤已超过0.5，发动机装药可能存在缺陷，建议对发动机进行无损探伤。

对发动机进行无损探伤后，对发动机的缺陷情况进行分析和评估，若发动机不存在缺陷，则建议发动机继续自然贮存满2年或者舰载值班满8个月时再次进行无损探伤，在此期间发动机累计损伤增加0.1左右。若发动机存在一定的缺陷，但缺陷程度不足以影响发动机的正常工作，则建议发动机继续自然贮存满1年或者舰载值班满4个月时再次进行无损探伤，在此期间发动机累计损伤增加0.05左右。

4 结论

1) 通过有限元应力计算，分别得到了药柱粘接界面和药柱星尖两处应力最大的点，选择作为累积损伤计算的关键点。

2) 应用累积损伤理论计算得到自然贮存一年的累积损伤为0.054 8，舰载值班一年的累积损伤为0.173 1。

3) 通过自然贮存和舰载值班两种状态下的累积损伤折算，确定出了无损探伤的时机。