基于傳感器陣列的柔性接頭組件成型工藝過程壓力測試系統(tǒng)①

劉 兵，呂中卿，劉承佳，張龍飛

(1.中國航天科技集團有限公司四院401所，西安 710025；2.西安交通大學 電子與信息工程學院，西安 710049)

0 引言

柔性接頭作為固體火箭發(fā)動機噴管固定體和可動體之間的連接件，通過作動器的伸縮使噴管做全軸擺動，它承受著燃燒室壓強、噴管擺動時的不對稱作動力、加速度載荷等作用。柔性接頭的工作直接關系著發(fā)動機乃至全彈工作的成敗[1]。柔性接頭既是載荷支撐件，又是系統(tǒng)聯(lián)接和運動執(zhí)行的關鍵部件，由橡膠材料彈性件及其他材料增強件交替粘接組成[2]。柔性接頭成型工藝過程中，施加一定的成型壓力傳遞到接頭組件上，并由彈性件和增強件共同承擔，隨之會對粘接劑的流動、殘余應力的產生重要影響[3]。在柔性接頭成型工藝中，成型涉及多種組件及模具的使用，這些因素影響著壓力的傳遞和分布，使得直接作用在柔性接頭組件上的傳遞壓力與施加壓力有一定差異，而掌握柔性接頭組件傳遞受壓的變化規(guī)律是深入分析成型過程中物理化學變化、優(yōu)化工藝條件和成型質量的重要前提之一。因此，有必要建立固體火箭發(fā)動機柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)。

固體火箭發(fā)動機柔性接頭工藝成型過程由于測試技術等原因，對組件壓力的研究較少，往往假設組件所受壓力與外加壓力相等。國外對柔性接頭已經有了比較深入的分析[4-5]。在成型工藝壓力測試方面，Walczyk等[6]利用薄膜壓力傳感器，測試了模壓工藝中復合材料層板壓力的分布及模具的影響，發(fā)現(xiàn)該方法可以比較準確的測試壓力。謝富原等[7]將受壓變色的壓敏紙用于T型筋條的成型工藝中，根據(jù)壓敏紙顏色的變化得到復合材料與模具界面處的壓力，但該方法只能記錄成型過程中制件受到的最大壓力，而不能在線測試密實壓力的變化和分布。馬世舉[8]利用薄膜壓力傳感器完成了糧堆自然沉降過程中底部非均勻分布壓力的變化情況，盡管測定方法具有一定的可行性，但壓力傳感器的標定存在誤差。付巍等[9]將壓力傳感器陣列引入測試系統(tǒng)，獲取壓力曲線進行分析，可以有效評價輕武器的殺傷效應。

本文基于薄膜壓力傳感器陣列，建立了固體火箭發(fā)動機柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)，研究了壓力測試系統(tǒng)在成型工藝中的適用性，并對柔性接頭成型過程中組件壓力的分布情況進行了測試，分析了該方法在工藝應用中的可行性。研究結果為固體火箭發(fā)動機柔性接頭工藝成型定量分析提供了重要的試驗手段，并為柔性接頭成型工藝質量控制提供了試驗依據(jù)。

1 柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

固體火箭發(fā)動機柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)主要是由薄膜壓力傳感器陣列、信號轉換模塊、數(shù)據(jù)采集單元、計算機系統(tǒng)及采集軟件等部分組成，柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)

固體火箭發(fā)動機柔性接頭組件成型過程中，放置在彈性件和增強件之間的薄膜壓力傳感器陣列感受到組件傳遞過來的壓力，壓力傳感器自身電阻發(fā)生變化，電阻信號傳遞到以LM393放大器構成的R/V轉換模塊，經信號轉換模塊處理，轉變?yōu)闃藴示€性電壓信號，由VTI EX1629數(shù)據(jù)采集單元進行電壓信號的數(shù)據(jù)采集，輸入到計算機系統(tǒng)中，經過Explab數(shù)據(jù)采集軟件處理進行實時顯示和存儲。柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)可以采集傳感器陣列信號，最多可以同時對48路薄膜壓力傳感器傳出的信號進行實時采集和處理，動態(tài)響應大于10 kHz。

1.2 薄膜壓力傳感器及其陣列

壓力傳感器是柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)的感應元件，針對柔性接頭成型過程中組件壓力的測試特點，傳感器需滿足以下三個條件：(1)傳感器可以放置到彈性件和增強件之間，且厚度??；(2)傳感器能夠承受高壓成型環(huán)境，且須準確實時地輸出壓力變化信號；(3)傳感器有一定柔韌性，可以測試組件曲面處受力情況。

根據(jù)接頭成型壓力測試要求，選擇Flexiforce超薄柔性薄片壓力傳感器，量程110 N(1.5 MPa)，測試線性度1.2%，響應時間小于5 μs，感應區(qū)直徑9.53 mm，厚度0.2 mm。這種傳感器最大特點是可測量空間狹小的空間，相對測量精度較高。但也存在輸出為電阻，需要進行信號轉換及處理等問題[10]。Flexiforce薄膜壓力傳感器，如圖2所示。

圖2 Flexiforce薄膜壓力傳感器

Flexiforce薄膜壓力傳感器作為單一元件，在電路中起壓敏電阻的作用，當敏感區(qū)受到壓力時，電阻會發(fā)生相應變化。當傳感器空載時，其電阻很大，受壓時電阻則迅速變小，由此根據(jù)輸出的電阻變化信息即可得到作用在敏感區(qū)的平均壓力。Flexiforce薄膜壓力傳感器具有可撓折、耐高壓的優(yōu)點，能與一定曲率的曲面完全貼合，符合上述柔性接頭組件成型壓力在線測試對于傳感器的要求。薄膜壓力傳感器陣列在柔性接頭組件上的布置情況，如圖3所示。

圖3 薄膜壓力傳感器陣列

壓力傳感器沿組件環(huán)向布置四個象限位置，考慮組件上下環(huán)向壓力可能存在差異，按照三個環(huán)向布置成為柔性接頭組件成型壓力測試陣列。薄膜壓力傳感器陣列可以通過環(huán)氧樹脂固定在被測增強件的內表面。傳感器組成二維陣列后，使得陣列中每個壓力傳感器測點排列在被測區(qū)域。由于壓力變化導致其壓力傳感器電阻阻值的變化，組件曲面不同位置的壓力傳感器測量得到物體表面的壓力分布，因此，通過薄膜壓力傳感器輸出信號隨壓力分布發(fā)生變化。由以上分析得知，壓力傳感器陣列中不同傳感器在同一時間內測量的壓力力大小不同，其表現(xiàn)為組件曲面不同位置的傳感器輸出信號不同。

1.3 高精度的薄膜壓力數(shù)據(jù)采集單元

壓力測試系統(tǒng)采用AMETEK VTI的EX1629測試儀作為薄膜壓力數(shù)據(jù)采集單元。EX1629除了采用高精度的ADC、放大器和橋路電阻以外，其采樣速率在25 kHz以上，還具有獨特的設計：(1)精確測量導線電阻并予以補償。不同于傳統(tǒng)的手動測量導線電阻進行補償?shù)姆椒?，EX1629內置了一個獨立的16位ADC，專門用來監(jiān)測測量回路的關鍵參數(shù)，可以自動測量導線電阻，自動進行修正，從而獲得更高的測量精度。(2)高精度的獨立激勵源，抗干擾隔離設計，并具有激勵回測功能。EX1629采用每通道單獨激勵的方式，各通道之間不會產生任何影響，激勵源是一個14位的DAC，具有非常高的精度和穩(wěn)定性。(3)非線性補償功能。對于傳統(tǒng)的儀器設備，通常都是測量反饋電壓，采用近似的線性公式來計算壓力值。壓力與電壓的真實曲線，在小壓力區(qū)域線性度比較好，得到的壓力值誤差較小。在大壓力區(qū)域，壓力與電壓的非線性逐漸增大，得到的壓力值與真實壓力有顯著的誤差。EX1629的DSP中內置了一個精確的非線性校準公式，經過標定過的測試可以確保比較高的測量精度。

1.4 基于試驗平臺的數(shù)據(jù)采集軟件

壓力測試系統(tǒng)采用Explab作為數(shù)據(jù)采集軟件。Explab是一款功能強大、靈活、應用廣泛， 在VC++編程語言環(huán)境開發(fā)，運行于Windows操作系統(tǒng)的基于數(shù)字化試驗平臺TDM3000的數(shù)據(jù)采集及分析軟件[11]。

Explab軟件具有專業(yè)的硬件設備接入技術，可將硬件設備通過網(wǎng)絡接口或其他專用接口連通為一個完整系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗設備集成，使試驗數(shù)據(jù)采集、配置、顯示存儲、調用更為便捷和安全。Explab軟件支持VXI、LXI、PXI等標準總線的數(shù)據(jù)采集設備，也支持NEFF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PSI及DSA系列的壓力掃描閥設備等，并能夠根據(jù)用戶的需求進行定制開發(fā)，以接入特殊的數(shù)據(jù)采集設備。Explab軟件與數(shù)字化試驗平臺TDM3000形成無縫連接，為用戶提供一個理想的數(shù)據(jù)采集以及試驗數(shù)據(jù)綜合管理的完整解決方案。

2 壓力測試系統(tǒng)在成型工藝中的適用性

薄膜壓力傳感器經信號處理以后，具有良好的線性及重復性，但考慮到柔性接頭成型工藝中的組裝方式和高壓結構下復雜環(huán)境，需要對所建立的壓力測試系統(tǒng)適用性進行研究。主要包括壓力測點的校準、曲面壓力場的仿真及模擬測試。

2.1 壓力測點的校準

柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)搭建好以后，需要校準薄膜壓力傳感器及其測量通道的靈敏度。采用螺旋手搖機架試驗校準裝置對其進行校準，確認其線性擬合度。試驗裝置由標準壓力傳感器、高精度壓力計、螺旋手搖機架結構等組成，如圖4所示。

圖4 螺旋手搖機架試驗校準裝置

該裝置利用螺旋手搖機架施加一個確定的壓力，在壓力計中可以獲得標準壓力傳感器的輸出信號和被標薄膜壓力傳感器的輸出信號，經數(shù)據(jù)處理后，可以得到靈敏度，實現(xiàn)對薄膜壓力傳感器及其測量通道的壓力校準。

利用標準壓力傳感器及高精度壓力計及其測量到的對應壓力下的電壓值，可以得到該薄膜壓力傳感器對應通道壓力數(shù)據(jù)的線性擬合曲線。1#～4#壓力測點數(shù)據(jù)擬合結果，如圖5所示。經校準后的壓力測試系統(tǒng)線性度優(yōu)于1%。

( 1# Sensor output (b) 2# Sensor output

2.2 曲面壓力場的仿真

為考查薄膜壓力傳感器陣列在柔性接頭組件曲面測試時的適應性，制作了一套材料為Q235的金屬模擬件(模擬增強件和彈模件)，模擬件結構，如圖6所示。其中，模擬增強件上、下開孔直徑為400 mm和200 mm，壁厚20 mm。模擬彈性件上、下開孔直徑為360 mm和160 mm，壁厚20 mm。

圖6 模擬件結構

模擬增強件在受壓的過程中，內壁受到一個壓力場的作用，壓力傳感器布置在兩個模擬件接觸面之間，其受壓面積已知，固定模擬增強件底面，通過Solidwork軟件建模，利用軟件Simulation中的靜應力分析功能進行仿真，仿真得到模擬增強件曲面受壓狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 模擬增強件受壓仿真結果

仿真結果表明，模擬增強件內壁所受應力大小分布均勻，底部應力略大于上部。增強件的位移變化則比較明顯，底部位移較小而上部位移變化比較大。

2.3 壓力測試系統(tǒng)對曲面壓力的模擬測試

在模擬增強件的內壁四個象限的中部粘貼薄膜壓力傳感器，連接壓力測量系統(tǒng)。曲面壓力測試模擬狀態(tài)，如圖8所示。模擬組件成型工藝，通過加載裝置施加0～700 kg，完成曲面壓力場模擬測試。曲面壓力場模擬測試結果，如圖9所示。

圖8 曲面壓力模擬測試狀態(tài)

圖9 曲面壓力模擬測試結果

從壓力測試曲線顯示結果可以看到，四個通道的壓力測試曲線一致性完好，最大壓差為0.03 MPa，沒有異常壓力值出現(xiàn)，表示模擬增強件及模擬彈性件結構合理，模擬件四個象限受壓狀態(tài)基本一致，模擬成型工藝及壓力測試方法合理有效。

3 試驗結果及分析

將薄膜壓力傳感器陣列嵌入柔性接頭增強件與彈性件之間，由測試系統(tǒng)對組件在成型過程中壓力場情況進行十余組實時監(jiān)測，結合傳感器自身校準的壓力曲線，定量表征組件曲面壓力場分布及壓力變化情況。

在柔性接頭加壓成型過程中，在外部施加的成型壓力按級逐漸增加，增強件曲面不同位置處所受的壓力迅速升高，當平均壓力達到0.2 MPa時，各個象限所受壓力增量減緩。隨著成型壓力繼續(xù)增加，增強件一、二、四象限所受壓力變化趨勢一致，逐漸變小，而增強件三象限所受壓力緩慢變大。這個測試結果表明成型壓力與曲面所受壓力并非完全一致。當受壓壓力到達一定范圍時，加大壓力可能會導致壓力分布不均勻，可能會影響膠粘劑的流動與固化。合理選擇成型壓力直接會關系柔性接頭工藝成型的效果。

為了驗證柔性接頭組件之間或組件與模具存在間隙不等或錐度誤差等不匹配的情況時，在成型過程中，會出現(xiàn)壓力場分布異常的情況，進行了增加異物檢測影響壓力均勻性的模擬試驗。在成型現(xiàn)場經常使用增強件某象限插入墊板方式進行檢測。隨著增強件墊板厚度從1 mm逐漸增加，該象限所受壓力會逐漸減小，而相對象限壓力會逐漸增大，當使用厚度4 mm長寬10 mm的正方形厚墊板時，兩個象限所受壓力最大差值達到0.1 MPa以上。試驗考核了墊板厚度對組件成型所受壓力分布的影響，可以看到，墊板厚度對組件成型所受壓力分布影響較大，隨著墊板厚度的增加，不同位置的測點壓力分布會有明顯改變。墊板是組件所有結構誤差的表征，會導致所受壓力分布異?，F(xiàn)象，如何消除或避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，對提高柔性接頭的工藝成型質量有著重要的意義。

4 結論

(1)基于薄膜壓力傳感器陣列，建立了固體火箭發(fā)動機柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)具有1%的線性度，10 kHz的動態(tài)響應以及1.5 MPa的壓力測量范圍，適用于固體火箭發(fā)動機柔性接頭組件曲面處壓力場的測試，能夠在線監(jiān)測柔性接頭組件成型過程中的壓力大小和分布。

(2)壓力測試結果表明，固體火箭發(fā)動機柔性接頭成型時，柔性接頭組件成型壓力與曲面所受壓力不是完全一致，工藝參數(shù)可以參考壓力測試情況進行修正。當柔性接頭組件之間或組件與模具不匹配時，會出現(xiàn)壓力場分布異常的情況，可能是導致柔性接頭脫粘的因素之一。

(3)建立的柔性接頭成型壓力測試系統(tǒng)可以在線獲得柔性接頭組件成型過程中的壓力場分布，為進一步優(yōu)化柔性接頭組件成型工藝參數(shù)和模具方案提供重要依據(jù)。