高速入水冲击下传感器的聚氨酯防护研究

郭云松，徐恒斌，李 平，彭勇晟

(中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海 200031)

高速入水冲击下传感器的聚氨酯防护研究

郭云松，徐恒斌，李 平，彭勇晟

(中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海 200031)

随着现代工业的发展与提高，现代测量技术针对高速入水结构测量传感器的防护工作提出了要求。通过对三种不同硬度，体系同为PTMG配方的聚氨酯弹性体试片进行拉伸试验、粘接性能试验获取材料的力学及粘接性能参数。进一步采用Ansys-Workbench显式动力学分析软件对防护模型在高速入水冲击过程进行仿真分析，从而得出一种硬度的聚氨酯材料满足冲击环境要求。最后通过防护样件的试验冲击考核结果，说明聚氨酯弹性体作为高速入水冲击下传感器防护的可行性。

冲击；传感器；聚氨酯；弹性体；显示动力学

采用电阻应变片电测法进行应力应变测量是对工程构件结构受力分析和评价的常用手段[1]，传感器在恶劣环境条件下得到了愈来愈广泛的应用，如在称重传感器上采用的密封胶密封、膜片焊接密封方式[2]，采用IMR21纳米复合材料进行ICMS传感器的防护等[3]。

随着近代工业的发展，应变传感器所承受的力学环境愈加复杂。本文所涉及的应变传感器需粘贴在高速运动设备的辅助测量杆上，并随测量杆以90 m/s的速度高速冲入水中，采用试验方法测定结构的力学参数，静态水对高速运动的测量杆将产生巨大的冲击作用力，应变计及连接导线需得到有效防护，以往的密封防护措施无法满足水流高速冲刷的要求，通过采用新兴浇注型聚氨酯弹性体作为整体防护措施，并通过Ansys-Workbench显示动力学分析软件对防护弹性体在高速入水冲击过程进行仿真分析，判断研究防护措施的可行性。

1 防护措施的弹性体模型

防护与密封是特殊环境下使用过程中的关键工序，防护密封效果不好，电阻应变计、应变粘接剂及连接导线会很容易吸收空气中的水分，很有可能导致应变片丝栅间导通或丝栅腐蚀，同时亦可能引起粘贴的应变片的基底、丝栅和基底间的粘接层等尺寸发生变化，造成绝缘电阻、粘接强度和刚度下降，而出现应变片电阻值变化，同时在高速入水过程中，会被瞬间的高速水流冲脱。

聚氨酯弹性体硬度范围广，低至邵尔A10以下的低模量橡胶，高至邵尔D90的高抗冲击弹性材料，弹性模量可高达数百兆帕。力学性能好，在橡胶硬度下拉伸强度和撕裂强度比通用橡胶高，在塑料硬度下，冲击强度和弯曲强度又比塑料高。其与金属、木材、陶瓷、极性高分子等材料粘接性能良好。同时，聚氨酯弹性体的加工方法多种多样：有的采用普通橡胶加工设备成型，有的采用热塑性塑料加工设备成型，有的采用液体浇注成型[4]。基于在力学性能上的优势及加工成形的便捷条件下，测量杆的防护方案采用聚氨酯弹性体浇注成型的方式。根据整体结构尺寸及耐水要求，采用5 mm厚PTMG系列SHA 85、SHA 90及SHA 95共3种硬度配方进行了力学参数的获取及入水仿真计算分析。

根据GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》标准制作了三种硬度的拉伸试样，根据GB/T 11211-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶与金属粘合强度的测定二板法》标准制作了粘接强度测定的拉伸试样并进行了测试，如图1。

图1 粘接强度测试试样

基于各向同性材料，通过弹性力学数学推导可得出杨氏模量、剪切模量和体积模量直接的关系表达式[5]

式中υ为泊松比，E为杨氏模量，G为剪切模量，B为体积模量。

由此，可得出三种不同硬度材料的性能参数，如表1所示。

表1 材料参数

2 高速入水流固耦合分析

判断传感器所用的聚氨酯防护层在实际使用过程中能否满足防护要求，需对高速入水过程中材料的受力情况进行仿真分析。结构体入水过程是一个十分复杂的物理现象，特别是在入水冲击初期瞬态间(毫秒级)过程中会遭受巨大的冲击载荷，这就涉及到结构入水冲击动力学问题。早期曾采用了闪光摄影技术刚性球入水过程影像进行分析。二战后到20世纪80年代，由于军事领域的需求，各国学者针对结构体入水冲击做了大量的理论与试验分析工作。从20世纪90年代开始，随着计算机技术的大力发展及数值分析方法的不断完善，利用有限元对流体域和固体域单独建立数值模型，从而可以解决复杂三维几何结构入水问题，为结构防护设计提供依据[6]。

本文采用Ansys-Workbench软件Autodyn分析模块进行了测量杆及防护措施的流固耦合冲击仿真计算，Autodyn是一种显示有限元分析程序，主要用于解决固体、流体、气体及其相互作用的高度非线性动力学问题。采用基于Lagrange格式的有限元法（FEM）模拟防护结构的变形及应力，用基于纯Euler格式的有限体积方法（FVM）描述材料（气体和液体）流动，对通过流体与固体界面传递相互作用的流体—结构耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和纯Euler格式的有限元与有限体积技术，完成全耦合的流体—结构相互作用模拟，预测传感器防护层的应力状态，对防护层的结构设计、材料选取提供设计参数[7–8]。

流固耦合计算分析模型如图2所示。

图2 计算模型

测量杆采用Ansys-Workbench非线性材料库中的Structural Steel NL材料模型，杨氏模量：2.0×1011Pa，泊松比：0.3。聚氨酯弹性体和水域分别采用显示材料库中的Polyureth和Water材料模型。聚氨酯弹性体材料力学参数根据表1进行设定。

测量杆高速入水冲击动力学仿真过程结果如图3所示。

由图3可以看出测量杆在整个入水过程的受力状态情况及水域的压力变化情况。在等同条件下三种不同硬度聚氨酯保护层在入水过程中不同时刻的受力情况如图4－图6所示。

由图4可以看出，SHA 85度聚氨酯防护层在入水后，由于巨大的冲击力使弹性体发生了碎裂和剥离。由图5可以看出，SHA 90度聚氨酯防护层由于强大的水压使得弹性体发生了弹性变形，但没有发生损坏。由图6可以看出，SHA 95度聚氨酯防护层在整个入水过程外形保持完好，没有发生破损的迹象。

进一步，对测量杆及聚氨酯防护层在整个入水过程中提取了水流冲击作用下的应力结果，如图7－图8所示。由图7可以看出，不同硬度聚氨酯弹性体所防护的测量杆，在冲击过程中应力最大值基本上没有变化，聚氨酯的包覆对测量结果影响有限。图8所示，SHA 85度聚氨酯在入水时刻的冲击应力虽然不是最大，但在整个冲击过程中发生了弹性体碎裂，可知整个冲击过程中防护层与水的作用还是比较复杂的。

3 测试样件

根据仿真分析结果，可采用SHA90度和SHA95度的聚氨酯弹性体配方进行防护方案制作，根据测量杆的结构形式、传感器及布设导线的粘贴位置进行模具设计。

图3 测量杆入水冲击过程仿真

图4 SHA85度聚氨酯保护层入水冲击结果

图5 SHA90度聚氨酯保护层入水冲击结果

图6 SHA95度聚氨酯保护层入水冲击结果

图7 测量杆入水冲击应力结果

图8 聚氨酯防护层入水冲击应力结果

制作过程中，由于SHA 95度聚氨酯在聚合物弹性体聚合生成过程中反应剧烈，浇注成型时间不足50 s，在现有模具所采用自然流动浇注工艺的制约下，无法顺利生产，因此最终采用SHA 90度的配方进行了测量杆防护层的加工生产，该配方的固化时间约2 min，能够满足弹性体浇注的工艺控制要求。

加工后的测量杆进行了真实试验环境下的高速入水冲击测试，入水速度约90 m/s。测量杆防护层在试验过程中没有发生损坏，应变传感器测试效果良好，试验后的测量杆如图9所示。

图9 聚氨酯防护层样件试验后结果

4 结语

本文针对一例高速入水粘帖应变片式测量杆装置进行了冲击防护设计，采用Ansys-Workbench软件Autodyn分析模块模拟了多种硬度材料作为防护层时结构体入水的冲击问题，通过分析入水冲击载荷作用下结构动力学响应，弹性体冲击碎裂、变形的仿真结果可以确定所选防护用材料的硬度。试验结果表明，采用高弹性聚氨酯材料作为高速入水冲击环境下的传感器防护方案可行，防护效果良好，可为浇注型聚氨酯在其他传感器防护用途上提供参考。

[1]许欣华.工程试验力学[M].北京：机械工业出版，2007.

[2]王晓英.论如何提高传感器的防护与密封效果[J].称重知识，2011(6)：40-42.

[3]陈群志.ICMS传感器防护技术研究[J].装备环境工程，2010，5(7)：104-110.

[4]山西省化工研究所.聚氨酯弹性体手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[5]焦书科.橡胶化学与物理导论[M].北京：化学工业出版社，2009.

[6]王永虎.入水冲击问题研究的现状与进展[J].爆炸与冲击，2008，28(3)：276-281.

[7]李成进.高速如水弹体结构冲击仿真研究[J].舰船电子工程，2011(5)：116-118.

[8]蒋国岩.水下爆炸研究现状及发展方向展望[J].科技导报，2009，27(9)：87-90.

Research on Polyurethane Elastomer Properties for Sensor Protection under High Speed Water Impacting

GUO Yun-song,XU Heng-bin,LI Ping,PENG Yong-sheng
（704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China）

With the development of modern industries,the modern measurement technology proposes a new and higher requirement of sensor protection in the underwater structure measurement under high-speed water impact.In this paper,the tensile test and cohesion test of three polyurethane elastomer specimens of same PTMG prescription with different hardness are done.The parameters of the mechanical and cohesion properties of polyurethane are obtained.The Ansys-Workbench explicit dynamic software is employed to simulate the procedure of the high-speed water impact.One of the three specimens is selected whose hardness can satisfy the requirement in the impact environment.Finally,results of the impact test of the impact protection specimens are examined,which indicates that using the polyurethane elastomers for sensor protection under high-speed water impact is feasible.

shock;sensor;polyurethane;elastomer;explicit dynamic

TB52+.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.043

1006-1355(2017)05-0210-04

2017-04-17

郭云松（1979－），男，蒙古族，辽宁省喀左县人，高级工程师，目前从事船舶辅机设备减振降噪抗冲击研究。

E-mail:kayunsong@163.com