固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测分析

郭兴旺，陈 栋

(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脉冲热像检测分析

郭兴旺，陈 栋

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

为了给红外热像法在固体火箭发动机绝热层检测中的应用提供科学依据，用数值模拟法分析了绝热层脱粘脉冲热像检测的基本规律。得到了决策参数与结构参数之间的多变量关系，并对部分检测规律进行了实验验证。最大温差和最大对比度与脱粘尺寸之间的关系，可用分段线性函数近似描述，随着脱粘尺寸的增大，最大温差和最大对比度都增加；最大温差和最大对比度与绝热层厚度的关系是非线性函数关系，随着绝热层厚度增加，最大温差和最大对比度迅速下降；钢壳厚度的增加，对从绝热层一侧的单面法检测有利。所得数据和结论为固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测提供了指导。

红外无损检测；固体火箭发动机；绝热层；脱粘；脉冲热像法；数值模拟

0 引言

固体燃料火箭发动机(SRM)是火箭、导弹和宇航飞船等航空航天飞行器的常用动力装置。燃烧室作为SRM的重要组成部分，其绝热层与壳体的良好粘接是保证发动机正常工作的重要条件。在实际生产中，壳体清洗不干净、胶接固化控制不佳、运输不当等因素，都有可能引起该粘接结构的脱粘[1]。因此，对绝热层的粘接质量进行无损检测十分必要。目前，采用的检测方法主要有目视、敲击、从金属壳体外进行手动超声扫描。此外，激光全息和工业CT也有少量的应用[2]。近年来，随着红外热像法的发展和日趋成熟，SRM装药包覆层、绝热层脱粘的红外热像检测法受到了一定重视[3-5]。红外热像法具有单次成像面积大、非接触、速度快、对人体安全等优点，近十余年来，在国内外得到了快速发展，已经在航空航天材料和结构的无损检测中得到了广泛应用[6-8]。然而，在SRM多界面脱粘检测中的实际应用还基本为空白。在SRM绝热层脱粘的脉冲热像(PT，Pulsed Thermography)检测研究方面，目前已从实验和数值模拟两方面，证明了检测的可行性和可靠性，并提出了用于缺陷增强和尺寸测量的热像数据处理方法——基于相关系数的算法[9]，但就脉冲激励条件和试件结构参数对缺陷信号和检测极限的定量影响规律还不太清楚。

为了弥补当前SRM绝热层脱粘脉冲热像检测研究的不足，建立决策参数与结构参数之间的定量关系，从而推进PT技术在SRM绝热层脱粘检测中的应用，本文将对SRM绝热层脱粘的脉冲热像检测规律进行研究。首先，根据实际结构和工艺设计由钢板、内绝热层和外热防护层组成的三层物理模型，建立脉冲热像检测的三维瞬态传热模型，用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟，研究脱粘缺陷大小、绝热层厚度、钢壳厚度等结构参数对缺陷最大温差、最大对比度等信息参数的影响规律。然后，利用预置脱粘缺陷的三层结构试件进行部分实验验证，确认数值模拟结果与实测结果的一致性。最后，总结出绝热层脱粘PT检测的基本规律[10]。

1 绝热层脱粘脉冲热像检测的有限元仿真

1.1 仿真模型和参数设定

假设SRM壳体由钢壳体、绝热层和外热防护层构成，绝热层材料为丁腈橡胶。考虑到试件制作的简便性，外热防护层也用丁腈橡胶代替。在绝热层和壳体之间存在脱粘缺陷，脱粘处以空气隙代替。选脱粘处的局部结构为对象，忽略壳体结构的弧度，设脱粘区为正方形，建立其三维瞬态传热的仿真模型。根据传热结构的对称性，只需取整体结构的1/4进行数值分析，如图1所示。图中，xz面和yz面为对称中心面；模型和脱粘区在xy面上均为正方形，边长分别为D和d；脱粘形成的空气隙内嵌在绝热层的底部，气隙厚度为δ。仿真模型的合理性在文献[9]做了详细论证。材料的热物性参数见表1。

设试件初始温度为T0=0，试件上下表面与环境有对流换热，换热系数为h=10 W/(m2·K)，其他表面绝热，采用从绝热层一侧的单面检测法。根据实验室具备的脉冲热激励装置的能量，设脉冲激励的热流密度为

(1)

式中 幅值q0=1.9×106W/m2，加热时长th=0.01 s。

利用有限元分析软件ANSYS进行传热计算。单元类型选用8节点三维六面体单元 SOLID70；网格划分兼顾计算精度和效率，采用映射网格划分；单元为长方体，在xy面内是边长为0.5 mm的正方形，在厚度方向上，将对缺陷信号影响较大的操作侧表层单元尺寸设为0.15 mm，其余各层单元尺寸为0.2 mm；单元总数为12 000。仿真步长的设置是在加热阶段，初始步长为5×10-5s，最大步长为5×10-4s；在散热阶段，初始步长为0.02 s，最大步长为0.1 s；总仿真时长为20 s。

如果没有另行说明，其他参数的选取如下：D=20 mm，H=1.55 mm，L=2 mm，L1=1 mm，δ=0.05 mm。数值计算结束后，以模型表面点A和B分别代表缺陷区和无缺陷区温度，计算缺陷信息参数。

缺陷信息参数主要有温差ΔT、最大温差ΔTm、最大温差时间tdm、动态对比度C、最大对比度Cm、最大对比度时间tm和信噪比SNR等[11]。

结构材料密度ρ/(kg/m3)比热容c/[J/(kg·K)]热导率λ/[W/(m·K)]绝热层/外热防护层NBR107016940．448壳体Steel790044046脱粘区Air1．27000．02夹片PTFE1)214010500．24

注：1)PTFE：polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯。

1.2 脱粘大小对信息参数的影响

固定绝热层厚度H=1.55 mm，将脱粘缺陷边长作为变化量，取d=2、4、6、8 mm，其余参数同前述默认值。仿真得到的温差-时间曲线和对比度-时间曲线如图2所示。

设绝热层厚度H=1.05、1.55、2.05 mm，缺陷边长d=1～10 mm，间隔为1 mm，仿真得到的缺陷信息参数与缺陷大小的关系如图3所示。

最大温差和最大对比度随缺陷尺寸的变化规律可用分段线性函数近似描述，即分别存在转折点dΔ和dC，有

(2)

(3)

方程(2)、(3)中的参数如表2所列，k2总是小于k1。超过dΔ的缺陷尺寸对最大温差的影响减弱，超过dC的缺陷尺寸对最大对比度的影响减弱，即大缺陷的易检性将不再明显增加。

最大温差时间tdm和最大对比度时间tm与缺陷横向尺寸的关系近似为线性关系，尺寸越大，最大温差时间tdm和最大对比度时间tm也越大。

1.3 绝热层厚度对信息参数的影响

取缺陷大小d=3、6、10 mm，绝热层厚度H=1.05～5.05 mm，间隔为0.5 mm。仿真得到的缺陷信息参数与绝热层厚度的关系如图4所示。

ΔTm与H之间、Cm与H之间的关系，满足拟合模型公式：

ΔTm=a1e-b1H+a2e-b2H

(4)

Cm=a1e-b1H+a2e-b2H

(5)

其中，H的单位为mm。对不同缺陷尺寸d，求得的待定参数见表3。

由图4(a)、(b)可知，ΔTm和Cm随着绝热层的增厚急剧变小，并逐渐趋近于0。

在脉冲总能量、缺陷大小和实测温度噪声阈值(用标准差表示)一定时，可利用最大温差与绝热层厚度的关系(图4(a))，确定极限检测厚度。经过对实测热像(图9)的统计计算可知，非缺陷区温度方差的最大值σm=0.1 K。在图4(a)中，当d=3 mm、H=2.5 mm时，ΔTm=0.16℃；d=6 mm、H=3.5 mm时，ΔTm=0.169 ℃；d=10 mm，H=4.5 mm时，ΔTm=0.142℃。由于ΔTm>σm，故脱粘尺寸d=3、6、10 mm的缺陷分别在绝热层厚度H≤2.5、3.5、4.5 mm的范围内能被检测到(SNR>1)。因此，根据拟合公式，可预测在相应条件下，检测一定大小的缺陷时，所允许的绝热层最大厚度。

方程d/mma1b1a2b2Eq．(4)32．1561．09630．812．72863．6980．881219．392．155104．2050．749818．872．315Eq．(5)313．333．4351．121．11169．9212．7981．9580．8544109．9062．8942．140．6883

tdm与H之间、tm与H之间的关系，分别满足拟合模型公式：

tdm=a·eb·H+c

(6)

tm=a·eb·H+c

(7)

其中，H的单位为mm。

对不同大小缺陷的拟合参数值见表4。

表4 最大温差时间和最大对比度时间与绝热层厚度关系的拟合曲线方程(6)、(7)的参数值

1.4 钢壳厚度对温差和对比度的影响

取脱粘气隙厚度δ=0.05 mm，边长d=6 mm，绝热层厚度H=1.55 mm，钢壳厚度L=3、4 mm，得到仿真结果与L=2 mm时的对比如图5所示。随着钢壳厚度的增加，最大温差和最大对比度变大。因此，对从绝热层一侧的单面检测法而言，钢壳厚度增大，有利于检测。

2 脉冲热像检测实验

2.1 实验条件

实验采用实验室自行开发的脉冲红外热像检测系统，该系统由闪光灯、红外热像仪、控制器、计算机及红外NDT应用软件组成，系统简图如图6所示。2个闪光灯的总能量为6 kJ；热像仪的像素分辨率为320×240，最高帧频为60 Hz，热灵敏度为0.1 K(在30 ℃时)。采用从绝热层一侧检测的单面检测法。试件结构如图7所示，图中尺寸单位为mm。

壳体材料为钢，绝热层为丁晴橡胶，为了制作方便外热防护层也用丁晴橡胶制作。在绝热层与钢壳体之间，预设了2排尺寸不同的圆形和方形脱粘缺陷，以0.08 mm厚的PTFE夹片模拟脱粘，夹片与绝热层之间无胶粘剂。由于真实的脱粘难以定量制作，实践中常用PTFE夹片来模拟脱粘。

实验检测时，2个闪光灯布置在试件的左右两侧，照射角(光入射角)约为45°，闪光灯距离试件中心约0.18 m，热像仪与试件的距离约为 0.54 m，热像采集频率设定为15 Hz，采集240帧，信号记录时长为16 s。在闪光开始前，采集5帧热像，以其平均值作为试件表面初始温度。

2.2 实验结果分析

典型的过余温度图如图8所示，在一定时间范围内，可显示出所有缺陷，在t=3.067 s时，缺陷的对比度较高。试件制作过程中，PTFE片有挪动，在一次位置，由于部分胶粘剂被带走，产生了形似夹片形状的弱粘接缺陷，此处有少量空气，而在PTFE与绝热层之间，存在更多空气。

在边长d=10、8、6、4 mm的4个方形缺陷的中心，分别取3×3像素为缺陷区；在附近无缺陷的地方，取一个33×26 像素的矩形区域作为无缺陷区，如图9所示。

相应的实测温差和对比度与仿真结果(设缺陷为空气隙，H=1.50 mm，h=0.05 mm，d=10、8、6、4 mm，q0=1.9×106W/m2，th=0.01 s)的对比如图10所示，对应的信号曲线基本相近。

实验与仿真结果之间的误差来源主要有热扩散系数的误差，混合缺陷与纯空气隙的等价转换的准确性[12-13]，试件实际结构尺寸与设计尺寸的误差，热激励函数的差别等。

实验与仿真获得的缺陷信息参数的对比如表5所列，表中相对误差的计算以理论值为参考标准。

表5 实验与理论缺陷信息参数的对比

由表5可知，多数信息参数的实测值与理论值基本相符，只有最大温差时间误差偏大，在20%以上。可能的原因有理论计算时热扩散系数和绝热层厚度的取值与实际值有偏差；热像采集频率设定为15 Hz时，采样间隔为0.067 s，时间零点的定位有1个采样间隔的误差；实验曲线的噪声对极值点的准确定位有影响。

3 结论

(1)脱粘尺寸对缺陷信息参数的影响规律是最大温差和最大对比度与脱粘尺寸之间的关系可用分段线性函数近似描述，随着脱粘尺寸的增大，最大温差和最大对比度都增加；最大温差时间和最大对比度时间与脱粘尺寸的关系近似为线性关系，随着脱粘尺寸的增大，最大温差时间和最大对比度时间都单调增大。

(2)绝热层厚度对缺陷信息参数的影响规律是最大温差和最大对比度与绝热层厚度的关系是非线性函数关系(参见式(4)、式(5))；最大温差时间和最大对比度时间与绝热层厚度的关系也是非线性函数关系(参见式(6)、式(7))。即随着绝热层厚度的增加，最大温差和最大对比度迅速下降，最大温差时间和最大对比度时间单调变大。

(3)钢壳厚度对缺陷信息参数的影响规律是随着钢壳厚度的增加，最大温差和最大对比度都增加，即钢壳厚度的增加，对从绝热层一侧的单面法检测有利。

以上结论为SRM绝热层脱粘的PT检测提供了定量的科学依据和应用指导。

[1] 王维民,庄福康.固体发动机燃烧室壳体/绝热层界面脱粘类型及解决的技术途径[J].推进技术,1996,17(1):89-91.

[2] 李涛,张乐,赵锴,等.固体火箭发动机缺陷分析及其无损检测技术[J].无损检测,2006,28(10):541-544.

[3] 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.

[4] 郭兴旺,李苒笙,丁蒙蒙.固体火箭包覆层脱粘调制红外热波检测法的数值模拟[J].机械工程学报,2011,47(2):9-15.

[5] 杨正伟,张炜,田干,等.红外热波方法检测壳状结构脱粘缺陷[J].红外与激光工程,2011,40(2):186-191.

[6] 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

[7] Vavilov V P.Pulsed thermal NDT of materials:Back to basics.Nondestr[J].Testing & Evaluation,Taylor & Fransis,Great Britain,2007,22(2-3):177-198.

[8] Ibarra-castanedo C,Piau J M,Guilbert S,et al.Comparative study of active thermography techniques for the nondestructive evaluation of honeycomb structures[J].Research in Nondestructive Evaluation,2009,20(1):1-31.

[9] 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.

[10] 张南南,郭兴旺.固体火箭发动机绝热层脱粘的红外无损检测建模方法[J].无损检测,2016,36(8):1-5.

[11] 郭兴旺,郄方.三层复合结构热无损检测的建模与有限元仿真[J].机械工程学报,2008,44(9):21-29.

[12] Carslaw H S,Jaeger J C.Conduction of heat in solids[M].2th Edition.Oxford:Clarendon Press,1986:75-112.

[13] Vavilov V P,Burleigh D D,Klimov A G.Advanced modeling of thermal NDT problems:from buried landmines to defects in composites[C]//Maldague X P,Rozlosnik A E.Proc.SPIE,Thermosense XXIV,Bellingham,WA:SPIE,2002,4710:507-521.

(编辑：崔贤彬)

Analysis on pulsed thermography of disbonds in insulator of solid rocket motors

GUO Xing-wang，CHEN Dong

(School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China)

In order to provide a scientific basis for the application of infrared thermography in the testing of insulators in solid rocket motors(SRMs),the basic laws of pulsed infrared thermography(PIRT)of disbonds in insulators were analyzed by using numerical simulation.The multi-parametric relationships between decision-making parameters and structure parameters were obtained,and a part of the testing laws was proved experimentally.The relations between the maximum temperature difference,the maximum contrast and the defect size can be described approximately by piecewise linear functions of the defect size,and both the maximum temperature difference and the maximum contrast increase with the increasing defect size.Both the maximum temperature difference and the maximum contrast are a non-linear function of the insulator thickness,and they decrease rapidly with the increasing insulator thickness.The obtained data and conclusions constitute a guideline for the PIRT of disbonds in the insulator of SRMs.

infrared non-destructive testing；solid rocket motor；insulator；disbonds；pulsed thermography；numerical simulation

2016-04-06；

2016-10-14。

国家自然科学基金(61571028；U1433122)。

郭兴旺(1964—)，男，博士/副教授，研究方向为红外无损检测。E-mail：xingwangguo@buaa.edu.cn

V435；TG115.28

A

1006-2793(2017)02-0169-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.02.007