海洋環(huán)境下固體發(fā)動機粘接界面損傷研究?

劉 磊 李高春 張利平 李金飛 宋佳明

（1.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺 264001）（2.91515部隊 三亞 572016）

1 引言

對于貼壁澆注式固體發(fā)動機，其燃燒室主要由藥柱、襯層、絕熱層和殼體組成［1］。研究表明，殼體老化對發(fā)動機的力學(xué)性能影響不大，固體發(fā)動機的使用壽命主要取決于推進劑藥柱和推進劑/襯層粘接界面的老化與損傷狀況。推進劑/襯層粘接界面材料組分相比推進劑藥柱更加復(fù)雜，承受載荷的能力更弱。國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，失效的固體發(fā)動機中約三分之一是由界面脫粘造成的［2］。澆注后的固體發(fā)動機要先后經(jīng)歷固化降溫、洞庫存儲、公路及鐵路運輸、海上值班等不同環(huán)境，在全壽命過程中持續(xù)受到熱應(yīng)力、振動引起的交變應(yīng)力或其他不同形式的載荷作用。從持續(xù)時間上看，洞庫存儲和海上值班是艦載/艇載固體發(fā)動機經(jīng)歷的最主要的兩個過程。由于洞庫存儲對溫濕度條件控制良好，且發(fā)動機不受振動影響，此環(huán)境下發(fā)動機壽命較高；海上環(huán)境復(fù)雜，固體發(fā)動機持續(xù)受到海洋波浪影響，波浪引發(fā)的振動載荷遍歷固體發(fā)動機值班全過程，引起固體發(fā)動機裝藥損傷加劇，使用壽命顯著下降。在重力和振動載荷耦合作用下，立貯式固體發(fā)動機推進劑/襯層粘接界面在垂直方向上會產(chǎn)生持續(xù)的剪切應(yīng)力。實際環(huán)境下的瞬時剪切應(yīng)力不會對粘接界面造成破壞，但長期交變應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損傷對發(fā)動機壽命具有重要影響。針對如何在實驗室條件下開展振動等效加速試驗的問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了研究，利用物理失效有關(guān)規(guī)律，對實驗室短時間加速環(huán)境與實際長時間使用環(huán)境進行等效，建立了一系列加速壽命公式。在固體發(fā)動機領(lǐng)域，部分國內(nèi)研究者利用次數(shù)等效原則開展了推進劑和粘接試件的實驗室等效加速試驗，該方法是在保持振動量值不變的情況下，將振動頻率提高2至3 個數(shù)量級，以達到加速疲勞效果。利用該試驗方法可對界面損傷情況進行有意義的評估。

2 固體發(fā)動機使用環(huán)境影響

無論是進行粘接界面損傷性能分析，還是進行長壽命設(shè)計，都必須首先明確固體發(fā)動機的使用環(huán)境。在固體發(fā)動機全壽命過程中，產(chǎn)生載荷的環(huán)境可具體分為氣候環(huán)境、機械環(huán)境、電環(huán)境、人為環(huán)境等。從作用時間上看，溫度、濕度、重力、內(nèi)部壓力等載荷作用于固體發(fā)動機的整個貯存期，在良好的技術(shù)防護及嚴(yán)格的管理條件下，碰撞、爆炸、紫外線輻射、靜電等因素可認(rèn)為對固體發(fā)動機的性能不產(chǎn)生影響［3］。分析認(rèn)為，影響固體發(fā)動機推進劑及粘接界面力學(xué)性能的主要外部環(huán)境因素為溫度、濕度、振動。

1）溫度的影響

溫度對推進劑和粘接界面的影響主要分為兩方面:一方面是加速老化，另一方面是溫度交替變化引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷、發(fā)動機壽命縮短。研究表明，倉庫溫度從25℃提高到30℃，發(fā)動機粘接界面貯存壽命降低近10年［4］。

2）濕度的影響

固體發(fā)動機通常需貯存在合理的濕度值范圍內(nèi)，濕度過高會造成推進劑基體與顆粒的“脫濕”，濕度過低會造成推進劑過分干燥甚至產(chǎn)生裂紋。試驗表明，在溫濕雙因素影響條件下，濕度是影響固體發(fā)動機推進劑/襯層粘接界面扯離強度的最主要因素［5］。

3）振動的影響

振動主要發(fā)生在導(dǎo)彈運輸及海上值班情況下。其中，導(dǎo)彈在公路、鐵路上運輸時間較短，而海洋波浪引起的振動載荷每時每刻都在產(chǎn)生，因此振動的影響主要還是體現(xiàn)在長時間艦載或艇載值班上。

為了探究固體發(fā)動機在實際貯存條件下的性能變化，國內(nèi)外學(xué)者以發(fā)動機使用環(huán)境監(jiān)測為重點展開了研究。2002年，美國Micron Instruments公司設(shè)計了DBST 傳感器，實現(xiàn)了同時對正應(yīng)力和溫度的測量。美國空軍將該傳感器埋置在全尺寸戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈模擬發(fā)動機上，進行了時長近四年的健康實時監(jiān)測，獲得了較為理想的效果［6］。Brouwer G R［7］將DBST 傳感器埋置在實驗室模擬發(fā)動機上，驗證了傳感器系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。李寒冰［8］設(shè)計了一套固體發(fā)動機艦載環(huán)境下的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對發(fā)射貯運箱內(nèi)溫度、濕度的同步監(jiān)測，具有功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點。

獲取實測載荷是研究使用環(huán)境下固體發(fā)動機性能變化的第一步，國內(nèi)學(xué)者主要采用實驗室老化、損傷試驗與有限元仿真相結(jié)合的方法來探究發(fā)動機裝藥在實際服役環(huán)境下的壽命變化規(guī)律。實驗室條件下，主要通過啞鈴型試件和矩形扯離試件來分別測試實際固體發(fā)動機推進劑和粘接界面的性能狀況。如何通過試件的試驗規(guī)律來等效固體發(fā)動機裝藥的性能變化規(guī)律，是對固體發(fā)動機裝藥合理分析的重點。利用有限元軟件可以建立固體發(fā)動機全尺寸模型，通過將實測環(huán)境載荷數(shù)據(jù)作為邊界條件輸入到模型中，可以計算出裝藥應(yīng)力、應(yīng)變及位移等參數(shù)值，具有直觀、方便的優(yōu)點。李金飛［9］以溫濕度和振動載荷為監(jiān)測對象，依據(jù)部隊訓(xùn)練值班任務(wù)開展了相關(guān)載荷監(jiān)測試驗，獲得了聯(lián)裝艦載導(dǎo)彈上、下層貯運箱內(nèi)導(dǎo)彈的有效數(shù)據(jù)，計算了發(fā)動機藥柱在實測溫度數(shù)據(jù)下的溫度場和應(yīng)力場。劉海峰［10］以某戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體發(fā)動機為研究對象，設(shè)計制造了小型模擬發(fā)動機和配套的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對循環(huán)溫度下藥柱的變形進行了監(jiān)測，并利用有限元方法對藥柱變形進行了理論分析，試驗與理論計算結(jié)果具有較好的一致性。張曉軍［11］開展了固體發(fā)動機推進劑/襯層粘接界面濕熱加速老化試驗，通過測量不同老化時間下的試件扯離強度，運用Eyring模型和Arrhenius模型，建立了界面濕熱老化模型，為常規(guī)貯存發(fā)動機的壽命預(yù)測提供了理論基礎(chǔ)。

3 振動等效加速試驗方法

固體發(fā)動機作為一種長壽命、可靠性較高的軍工產(chǎn)品，其在正常振動環(huán)境下的失效時間以年為單位，模擬正常海洋值班環(huán)境下的實驗室振動試驗需要較長的試驗周期、較高的費用和人力成本，有必要進行實驗室加速等效試驗。美國在1967 年首先定義了加速壽命試驗，加速壽命試驗是指在實驗室條件下，將測試件放置于超出正常工作應(yīng)力的環(huán)境中，得到可靠的試驗數(shù)據(jù)，然后選擇合適的加速等效模型推算出實際環(huán)境下產(chǎn)品的可靠性相關(guān)參數(shù)。加速壽命試驗可以加快產(chǎn)品破壞，大幅減少試驗周期，節(jié)約大量成本，且選擇合理的加速模型能很好地得到對應(yīng)實際環(huán)境下的損傷規(guī)律。

描述隨機振動過程的曲線可分為時域曲線和頻域曲線兩種，典型的時域曲線和頻域PSD曲線如圖1 和圖2 所示。時域下的振動幅值-時間曲線詳細(xì)刻畫了實際振動幅值在每一個時間點的準(zhǔn)確量值以及振動幅值的變化趨勢；頻域下的功率譜密度（PSD）曲線可以描述隨機振動過程的統(tǒng)計特征，PSD 曲線的兩個主要特征參數(shù)是頻率和幅值，實驗室條件下也是以這兩個參數(shù)為變量開展加速等效試驗。

圖1 振動時域曲線

圖2 振動頻域PSD曲線

以實測的隨機振動響應(yīng)時間歷程曲線作為原始依據(jù)，有兩種方法可以達到加速疲勞損傷的目的:

1）保持振動量值特性不變，改變隨機振動的頻率特性。

2）保持頻率特性不變，改變隨機振動的量值特性。

要通過振動加速試驗得到目標(biāo)模型在實際振動環(huán)境下的疲勞壽命，正確的試驗統(tǒng)計模型是關(guān)鍵。等效加速試驗的關(guān)鍵在于求得縮短試驗時間的倍數(shù)，對于隨機振動疲勞損傷加速試驗，目前廣泛使用一種逆冪律模型［12］:

4 粘接界面破壞機理與損傷評估

4.1 粘接界面破壞機理

國外研究者首先給出了固體發(fā)動機裝藥累積損傷的概念:推進劑或粘合劑（襯層）由于暴露于給定的載荷而經(jīng)歷的一定量的損壞。當(dāng)推進劑或粘合劑承受新的載荷時，損傷效應(yīng)會累積，直到總損傷達到材料失效的損傷極限值，材料產(chǎn)生破壞。固體發(fā)動機裝藥包括推進劑藥柱和推進劑/襯層粘接界面兩個部分，國外針對粘接界面破壞與與失效的研究在20 世紀(jì)中葉就已展開，JR K W B［13］對推進劑/襯層粘接系統(tǒng)失效行為進行了研究，通過定應(yīng)力拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)在25℃時粘接系統(tǒng)的對數(shù)平均拉應(yīng)力與對數(shù)時間呈極好的線性關(guān)系；對民兵Ⅱ?qū)椂壷破? 年全歷程表進行分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機粘接界面的失效在很大程度上取決于運輸和導(dǎo)彈處理過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)應(yīng)力。HASKA S B［14］對未老化和發(fā)生老化的裝藥進行了有限元分析，分別進行了點火加壓分析、熱循環(huán)分析和蓄熱分析，結(jié)果表明，隨著推進劑老化，襯層/絕熱層粘接界面處的粘接應(yīng)力值顯著增加。在確定固體發(fā)動機壽命時，自由襟翼端的襯層/絕熱層界面是發(fā)動機失效的關(guān)鍵區(qū)域。ACKLEY A W［15］通過對推進劑/襯層粘接試件進行拉伸和剝離測試，發(fā)現(xiàn)兩種方式下界面附近推進劑內(nèi)的失效始終是粘彈性的，從失效位置和失效模式兩方面證明了推進劑內(nèi)聚強度是是粘接系統(tǒng)強度的限制因素。

近年來，國內(nèi)開始注重從宏、細(xì)觀兩種尺度對粘接界面破壞進行研究。從宏觀角度看，目前粘接界面破壞研究的試驗方法分為單純拉伸方法、剝離方法、多角度拉伸方法、數(shù)字散斑相關(guān)方法四種。

1）單純拉伸方法

采用單純拉伸方法時，直接對粘接試件進行單向拉伸試驗，通常按照航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 2038.1A-2004制作含有預(yù)制脫粘的標(biāo)準(zhǔn)扯離試件。試驗時，以預(yù)設(shè)的拉伸速率勻速拉伸，通常預(yù)設(shè)速率為5mm/min。一般使用普通相機記錄拉伸破壞過程，以便進一步分析破壞機理。

2）剝離方法

剝離試驗分為T 型剝離試驗和彈性體-復(fù)合材料剝離試驗［14］。T 型剝離試驗用于測試粘合劑的相對剝離強度，彈性體-復(fù)合材料剝離試驗主要用于測試粘接界面的的失效類型。測試推進劑/襯層粘接界面失效時，剝離力施加在襯層材料上，通常以50mm/min的速度進行剝離測試。

3）多角度拉伸方法

相比單純拉伸方法，多角度拉伸方法可以不局限于僅對試件施加界面法向力。邱欣［16］設(shè)計了適用于粘接試件的多角度拉伸夾具，可實現(xiàn)粘接試件在5個不同角度的拉伸。

4）數(shù)字散斑相關(guān)方法［17］

數(shù)字散斑相關(guān)方法首先在粘接試件表面制作人工散斑，采用數(shù)碼相機記錄試件拉伸過程，在記錄的圖像上生成網(wǎng)格點，通過編制程序?qū)D像進行處理，可以獲得定量化的應(yīng)變結(jié)果。

細(xì)觀研究主要是在拉伸試驗時結(jié)合CCD 光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡（SEM）進行觀察和分析。為保證相機記錄圖像的質(zhì)量，通常要制作微型非標(biāo)準(zhǔn)粘接試件。楊明［18］通過對細(xì)觀圖像進行分析，發(fā)現(xiàn)推進劑/襯層粘接界面應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的非線性與細(xì)觀破壞過程緊密相關(guān)，細(xì)觀層面上的顆粒脫濕和界面脫粘現(xiàn)象的發(fā)展導(dǎo)致宏觀層面上粘接界面力學(xué)性能的變化，最終發(fā)生界面破壞。

4.2 粘接界面損傷評估

4.2.1 疲勞損傷S-N曲線

固體發(fā)動機的推進劑和襯層作為復(fù)合材料，其疲勞損傷是一個復(fù)雜的研究課題，國內(nèi)外對發(fā)動機疲勞損傷及累積損傷已有近60 年的研究歷史。材料的疲勞性能，通常用應(yīng)力σ 與到疲勞破壞次數(shù)N之間的關(guān)系描述，這種關(guān)系曲線又稱材料的S-N曲線。S-N 曲線首先應(yīng)用于金屬材料領(lǐng)域，以在一定循環(huán)作用次數(shù)N 下不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力σN表示，典型的S-N 曲線如圖3 所示。大量試驗表明，疲勞壽命曲線的斜率并非恒定，用來描述S-N曲線的經(jīng)驗公式有多種，其中最常用的兩組公式為指數(shù)公式和冪函數(shù)公式。

圖3 典型的S-N曲線

指數(shù)函數(shù)公式:

冪函數(shù)公式:

復(fù)合材料組成成分種類較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其疲勞損傷演化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的非線性。吳曠懷［19］以瀝青混合料為研究對象開展了彎曲疲勞試驗，通過擬合疲勞損傷與循環(huán)次數(shù)比的關(guān)系曲線，建立了非線性疲勞損傷模型，曲凱［20］將此模型應(yīng)用到固體發(fā)動機領(lǐng)域，設(shè)計了六個不同應(yīng)力幅值下的粘接界面疲勞破壞試驗，擬合出固體發(fā)動機推進劑/襯層界面的S-N曲線計算公式:

曲線如圖4所示。

4.2.2 疲勞損傷評估方法

振動疲勞損傷評估是振動疲勞壽命預(yù)估的前提，振動疲勞損傷評估方法可分為時域法和頻域法兩種。時域法進行損傷評估時，通常要先通過試驗或計算機仿真獲得結(jié)構(gòu)危險點處的應(yīng)力或應(yīng)變響應(yīng)，然后通過循環(huán)計數(shù)法進行循環(huán)計數(shù)處理，最后利用材料的S-N 曲線和疲勞累積損傷理論進行損傷評估。目前已經(jīng)提出了多種循環(huán)計數(shù)方法，在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)E1049-85 中重點介紹了6 種方法，目前比較常用的方法是雨流計數(shù)法。常見的疲勞累積損傷模型有Corten-Dolan 模型、Miner 線性累積損傷模型、P-M 準(zhǔn)則和Shah 模型等。頻域法首先要獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)功率譜密度函數(shù)PSD，然后轉(zhuǎn)化為應(yīng)力幅值概率密度函數(shù)，最后利用頻域法中的隨機振動疲勞模型來評估振動損傷。常見的基于功率譜密度函數(shù)的振動疲勞模型包括Rice模型、Bendat模型和Dirlik模型等。

圖4 推進劑/襯層粘接界面的S-N曲線

振動疲勞損傷評估的時域法通常使用雨流計數(shù)法和Miner 線性累積疲勞損傷理論來評估損傷，具有直接、相對準(zhǔn)確的優(yōu)點。但是在實測振動數(shù)據(jù)時需要較高的采集頻率，一定時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，記錄和處理都很復(fù)雜。對于固體發(fā)動機這種長壽命產(chǎn)品，很難做到實際海洋值班環(huán)境下長時間數(shù)據(jù)存儲，如果用短時監(jiān)測數(shù)據(jù)代替長時間數(shù)據(jù)，多種偶然性因素可能會對損傷評估的準(zhǔn)確性造成影響。文獻［20］利用時域法對固體發(fā)動機粘接界面振動疲勞損傷進行了評估，指出在給定的艦載條件下，交變剪應(yīng)力一年引起的壽命損傷為8.62%。相比時域法，頻域法計算量大大減小，通過概率密度函數(shù)就能描述應(yīng)力的幅值或峰值信息，但是誤差相對較大。目前，針對振動疲勞損傷的評估方法主要使用頻域法，不少研究認(rèn)為高斯平穩(wěn)寬帶隨機過程Dirlik經(jīng)驗公式適應(yīng)性更強。

5 結(jié)語

當(dāng)前，國內(nèi)外針對固體發(fā)動機在海洋值班環(huán)境下的損傷研究取得了一定成果，已經(jīng)對艦載固體發(fā)動機的溫度和振動進行了長時間監(jiān)測，并基于實測數(shù)據(jù)計算了固體發(fā)動機的損傷，但對艇載固體發(fā)動機所受的海洋載荷情況并不明確，對立貯式的大型固體發(fā)動機長時間值班下的界面損傷分布研究較少。進行實驗室等效加速試驗時，提高功率譜密度幅值法使用的逆冪律模型通常應(yīng)用于電子元器件和機械部件，復(fù)合材料損傷機理與上述部件不同，推進劑和粘接試件是否具有同等規(guī)律尚待研究。如何設(shè)計合理的推進劑/襯層粘接界面振動等效加速方案，探索固體發(fā)動機界面損傷分布規(guī)律，對海洋環(huán)境下長期值班的艦載/艇載固體發(fā)動機進行損傷評估，是亟待解決的一個問題。