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

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:1006-2793(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 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 propellant，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 vacuum 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 under 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 obviously 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 results 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:2022-06-18;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 mm200 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 positionDefect 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 bubbledefectB1-1B1-2B1-312512515 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