基于光纖測(cè)試技術(shù)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體卡環(huán)接頭復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力分析①

肖佳琳,劉 浩, 劉 鎏

(西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所,固體推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710025)

0 引言

隨著固體發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高,傳統(tǒng)的法蘭、螺紋等連接結(jié)構(gòu)已逐漸無(wú)法滿足空間及質(zhì)量要求[1-4],卡環(huán)連接結(jié)構(gòu)已逐步應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略、運(yùn)載固體助推器等發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與噴管的連接[5]。相較于傳統(tǒng)連接結(jié)構(gòu),卡環(huán)接頭受力狀態(tài)較為簡(jiǎn)單,但在高壓工作狀態(tài)下,卡環(huán)接頭在卡環(huán)槽根部會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,極易發(fā)生破壞?？ōh(huán)槽寬度一般為幾毫米至十幾毫米,在開(kāi)展卡環(huán)接頭受力狀態(tài)研究時(shí),手工安裝應(yīng)變片操作空間至少需要30～40 mm;受空間位置限制,手工布設(shè)難以實(shí)現(xiàn);同時(shí)卡環(huán)槽兩側(cè)與卡環(huán)結(jié)構(gòu)緊密配合,傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)線無(wú)法引出,故傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法測(cè)量卡環(huán)槽根部應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài),為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難。

相較于傳統(tǒng)應(yīng)變片,光纖光柵應(yīng)變傳感器體積小,重量輕、靈敏度高[6],已廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域的應(yīng)變測(cè)量[7-13],例如海底結(jié)構(gòu)測(cè)量、沖擊試驗(yàn)監(jiān)測(cè)等[14-15]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)變測(cè)量中。光纖傳感器可以埋入發(fā)動(dòng)機(jī)外殼結(jié)構(gòu)或者粘貼在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件表面,對(duì)其內(nèi)部或者表面的應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的高分辨率和大范圍監(jiān)測(cè),是未來(lái)智能結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)神經(jīng)[14]。由于光纖光柵具有不受電磁場(chǎng)干擾和光路光強(qiáng)波動(dòng)影響、具有絕對(duì)測(cè)量和易于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的準(zhǔn)分布式傳感等突出優(yōu)點(diǎn),對(duì)許多復(fù)雜隱蔽部位的精確應(yīng)變監(jiān)測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì),在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。

本文針對(duì)卡環(huán)接頭受力狀態(tài)開(kāi)展分析,對(duì)承壓狀態(tài)下的接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算,開(kāi)展水壓試驗(yàn)并采用光纖傳感測(cè)試技術(shù)進(jìn)行接頭應(yīng)變測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果、仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,獲得了卡環(huán)接頭各個(gè)部位真實(shí)受力狀態(tài),進(jìn)一步深入了解了卡環(huán)接頭結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域和破壞模式,有效指導(dǎo)了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 光纖測(cè)試原理

光纖光柵傳感器的原理結(jié)構(gòu):寬譜光源(ASE)將有一定帶寬的光通過(guò)環(huán)行器入射到光纖光柵中,由于光纖光柵的波長(zhǎng)選擇性作用,符合條件的光被反射回來(lái),再通過(guò)環(huán)行器送入解調(diào)裝置測(cè)出光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化。當(dāng)光纖光柵做探頭測(cè)量外界的溫度、壓力或應(yīng)力時(shí),光柵自身的柵距發(fā)生變化,從而引起反射波長(zhǎng)的變化,解調(diào)裝置即通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的變化推導(dǎo)出外界溫度、壓力或應(yīng)力。

對(duì)于應(yīng)變,光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移Δλ和縱向應(yīng)變?chǔ)う诺年P(guān)系為

(1)

其中,

λB=2nΛ

(2)

(3)

式中λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng);Λ為光柵周期;n為纖芯的有效折射率;Pe為光纖材料的彈光系數(shù)。

光纖光柵傳感器所用光纖與普通通信用的光纖基本相同,都由纖芯、包層和涂覆層組成。光纖纖芯的主要成分為二氧化硅,其中含有極微量的二氧化鍺,用以提高纖芯的折射率,形成全內(nèi)反射條件的波導(dǎo)光纖將光限制在纖芯中。纖芯的直徑在5～50 μm之間,其中單模光纖為9 μm,多模光纖為50 μm。包層主要成分也為二氧化硅,直徑為125 μm。涂覆層一般為高分子材料,外徑為250 μm,用于增強(qiáng)光纖的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性。

本文采用的是剝?nèi)ネ糠髮拥墓饫w,通過(guò)涂膠粘貼在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上,研究這種類(lèi)型光纖光柵傳感器封裝方式中的應(yīng)變傳遞問(wèn)題。中間層為粘貼層,裸光纖部分為傳感器,粘貼層為中間層,結(jié)構(gòu)部分為基體?；w的軸向應(yīng)變通過(guò)中間層的剪應(yīng)變傳遞給中心的傳感器。

為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,在應(yīng)變傳感器使用前需要進(jìn)行標(biāo)定。定制圖1所示的應(yīng)變拉伸件,在中間位置粘貼光纖應(yīng)變傳感器,背面對(duì)應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片,把定制的拉伸件固定在高精度三維位移臺(tái)上。使用高精度三維位移臺(tái)對(duì)傳感器拉伸應(yīng)變標(biāo)定,當(dāng)模具發(fā)生形變時(shí),固定的光纖傳感器的輸出光譜會(huì)發(fā)生變化,相應(yīng)的該位置的應(yīng)變片也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)比分析光譜、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀讀數(shù)、高精度三維位移臺(tái)的拉伸量,以靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與高精度三維位移臺(tái)同時(shí)為基準(zhǔn),對(duì)應(yīng)變傳感器標(biāo)定。

圖1 定制型應(yīng)變拉伸件Fig.1 Custom strain tensioner

2 卡環(huán)接頭仿真分析

2.1 有限元模型與邊界條件

為模擬卡環(huán)及接頭的真實(shí)工作狀態(tài),設(shè)計(jì)高壓容器進(jìn)行試驗(yàn)及計(jì)算分析。上下兩部分容器通過(guò)60個(gè)螺栓連接,考慮法蘭結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜性及結(jié)構(gòu)的周期性,且內(nèi)壓承載下受力狀況也沿環(huán)向周期對(duì)稱(chēng),為提高計(jì)算效率,建立了1/60三維有限元模型,模型網(wǎng)格數(shù)約1 380 000,具體見(jiàn)圖2所示。

(a)FEA model

(b)Grid圖2 有限元模型及網(wǎng)格Fig.2 FEA model and grid

應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行分析,高壓容器、接頭及卡環(huán)均視為各向同性材料,各部分材料的選擇及材料參數(shù)如表1所示,材料均采用雙線性彈塑性數(shù)據(jù),以便對(duì)接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析。實(shí)際工作時(shí),卡環(huán)與接頭間采取周向固定措施,且本模型為周期性軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,故邊界條件限制了模型兩個(gè)側(cè)面沿著圓周方向的位移;實(shí)際工作時(shí)圖中B處與固定支架連接,為提高計(jì)算一致性在圖中B處設(shè)置固支約束,內(nèi)表面施加18.5 MPa的爆破壓強(qiáng)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體各部分的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of each part of the case

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)卡環(huán)接頭在卡環(huán)槽根部易發(fā)生破壞的問(wèn)題,重點(diǎn)關(guān)注該位置的應(yīng)力-應(yīng)變情況。圖3為模型Mises應(yīng)力云圖、最大主應(yīng)變?cè)茍D,圖4為卡環(huán)槽處Mises應(yīng)力與最大主應(yīng)力的局部放大圖。

(a)Maximum principal stress (b)Equivalent stress (c)Maximum principal elastic strain圖3 模型應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Stress and strain contours of the model

(a)Maximum principal stress (b)Equivalent stress (c)Maximum principal elastic strain圖4 接頭卡環(huán)槽應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Stress-strain contours of the snap ring groove

由圖3、圖4可見(jiàn),在爆破壓強(qiáng)下,接頭卡環(huán)槽上側(cè)根部應(yīng)力-應(yīng)變水平較高,卡環(huán)槽上側(cè)根部平均Mises應(yīng)力約為457.6 MPa,平均最大主應(yīng)力約為626.8 MPa,平均最大主應(yīng)變?yōu)?943.2 με,為卡環(huán)接頭承壓的薄弱區(qū)域。出現(xiàn)在卡環(huán)槽外邊緣處,是由于高壓工作狀態(tài)下,接頭、堵蓋及卡環(huán)呈外翻趨勢(shì),卡環(huán)槽外邊緣與卡環(huán)相對(duì)擠壓所致。接頭最大主應(yīng)力為650 MPa,出現(xiàn)在卡環(huán)槽根部,最大主應(yīng)變?yōu)?571.3 με,為卡環(huán)接頭承壓的薄弱區(qū)域。

圖5、圖6分別為接頭局部環(huán)向、軸向應(yīng)變?cè)茍D,卡環(huán)槽上下表面軸向應(yīng)變?yōu)檎?接頭錐段、圓柱段及飛邊端面軸向應(yīng)變?yōu)樨?fù),結(jié)構(gòu)局部處于軸向壓縮狀態(tài)。接頭圓柱段、圓錐段及飛邊端面平均環(huán)向應(yīng)變分別為1203.7、2523.4、2991.5 MPa,接頭在靠近前緣處環(huán)向應(yīng)變逐漸增大,由此可知接頭呈外翻擴(kuò)張趨勢(shì)。

(a)Front end (b)Ring groove圖5 接頭局部環(huán)向應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Hoop strain contours of the joint

(a)Front end (b)Ring groove圖6 接頭局部軸向應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Axial strain contours of the joint

3 水壓試驗(yàn)與測(cè)試

3.1 水壓試驗(yàn)

對(duì)高壓容器及接頭組件開(kāi)展水壓試驗(yàn),如圖7所示。

圖7 水壓試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Hydraulic pressure test photo

水壓試驗(yàn)過(guò)程中,壓力加載曲線如圖8所示,由0加壓到1.0 MPa,檢查容器有無(wú)漏水現(xiàn)象。水壓檢驗(yàn)增壓程序按0→1.0→2.0→4.0→6.0→8.0→10.0→12.0→14.0→16.0→18.0→18.5 MPa。

圖8 壓力加載曲線Fig.8 Pressure curve

3.2 光纖傳感測(cè)試

如圖9、圖10所示,分別在卡環(huán)槽根部上、下側(cè),接頭內(nèi)圓柱面、圓錐段及飛邊端面布設(shè)光纖傳感器通道,共5個(gè)通道,各通道均分布11個(gè)測(cè)點(diǎn),11個(gè)測(cè)點(diǎn)位置均勻分布環(huán)繞圓環(huán)一周。利用環(huán)氧樹(shù)脂在結(jié)構(gòu)表面粘貼裸FBG傳感器,使得環(huán)氧樹(shù)脂在光柵表面形成一層很薄的保護(hù)層,達(dá)到滿粘效果,使應(yīng)變傳遞損失最小。

圖9 傳感器沿環(huán)向分布示意圖Fig.9 Sensor distribution along the ring

圖10 傳感器分布通道示意圖Fig.10 Channel distribution

4 結(jié)果與分析

各通道應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及隨水壓變化關(guān)系如圖11、圖12所示,不同顏色曲線代表沿環(huán)向不同位置測(cè)量結(jié)果。8號(hào)位置應(yīng)變?yōu)樨?fù),數(shù)據(jù)無(wú)效。檢驗(yàn)壓強(qiáng)下1通道2號(hào)位置具有最大應(yīng)變1070 με,4號(hào)位置具有最小應(yīng)變909 με。10個(gè)位置的應(yīng)變靈敏度差別較小,表明凹槽內(nèi)部的上部受力較為均勻,平均應(yīng)變約為981.1 με。

(a)1# Channel (b)2# Channel

(c)3# Channel (d)4# Channel (e)5# Channel圖11 各通道應(yīng)變測(cè)試結(jié)果Fig.11 Strain test results of each channel

(a)1# Channel (b)2# Channel

(c)3# Channel (d)4# Channel (e)5# Channel圖12 各通道應(yīng)變隨水壓變化關(guān)系Fig.12 Diagram of strain variation of each channel with water pressure

2通道位于卡環(huán)槽下表面。整體來(lái)看,應(yīng)變線性增加,但是前3個(gè)位置的應(yīng)變?yōu)樨?fù),其余為正,平均應(yīng)變約為680 με。由有限元分析可知,內(nèi)壓承載下接頭呈外翻趨勢(shì)。

3通道位置傳感器(綠色)位于接頭圓錐面上。從圖11(c)及圖12(c)可以看出在檢驗(yàn)壓強(qiáng)下,1號(hào)位置應(yīng)變最小,最大應(yīng)變?yōu)?300.2 με,平均應(yīng)變約2596.2 με。在4號(hào)位置,最大應(yīng)變達(dá)到2863.9 με。所有位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)均為正,且線性增加。

4通道位置傳感器(黃色)位于端面上,應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖11(d)及圖12(d)所示。在9號(hào)位置具有最大應(yīng)變3343.4 με,在1號(hào)位置具有最小應(yīng)變3138.0 με,平均應(yīng)變約為3244.1 με。7個(gè)位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)均為正,隨著水壓的增大而基本呈線性增加。

5通道位置傳感器位于接頭圓柱段。在直面上11個(gè)位置均勻分布應(yīng)變傳感器。在6號(hào)位置具有最小應(yīng)變904.6 με,在3號(hào)位置具有最大應(yīng)變1381.3 με,平均應(yīng)變約為1151.5 με。所有應(yīng)變均為正。

由于接頭卡環(huán)槽內(nèi)及飛邊端面空間位置受限,傳統(tǒng)應(yīng)變片無(wú)法進(jìn)行布設(shè),故局部應(yīng)變光纖傳感測(cè)量結(jié)果僅與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,接頭其他部位應(yīng)變光纖傳感測(cè)量結(jié)果分別與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果 、仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為提高計(jì)算精度,仿真計(jì)算的邊界條件均與實(shí)際連接固定形式一致。表2為接頭局部應(yīng)變平均值對(duì)比分析。圖13為各通道應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與計(jì)算、測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。由3通道、5通道對(duì)比結(jié)果看出,光纖傳感器測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果較為接近,測(cè)量平均值誤差分別為6%、0.8%。1通道、2通道、4通道光纖測(cè)量結(jié)果僅與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,誤差不超過(guò)8.2%。造成誤差主要是由于空間位置受限,光纖傳感器粘貼時(shí)為手工操作,可能存在局部膠粘劑固化時(shí)光纖壓縮、彎折或與環(huán)向存在夾角,造成測(cè)量結(jié)果存在誤差。同時(shí)測(cè)量精度也受中間粘貼層厚度及傳感器長(zhǎng)度影響;傳統(tǒng)應(yīng)變片的測(cè)量精度受溫度變化、粘貼工藝等因素影響,目前測(cè)量中的所有粘貼工藝及中間層厚度控制均為人工操作,因此兩種測(cè)量結(jié)果存在不可避免的偏差。

(a)1# Channel (b)2# Channel

(c)3# Channel (d)4# Channel (e)5# Channel圖13 各通道應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of strain measurement results and calculation results in each channel

5 結(jié)論

(1)采用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)能夠克服電學(xué)應(yīng)變片無(wú)法在極狹窄空間布設(shè)且測(cè)量的難題,同時(shí)能避免電磁場(chǎng)的干擾。首次將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量。接頭的錐面、柱面、端面的傳感器存活率高,測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定,與有限元仿真結(jié)果較為接近,與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果也基本吻合,測(cè)量平均值誤差不大于6%,測(cè)量結(jié)果可信、可靠。

(2)采用光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)一些特殊結(jié)構(gòu)以及部位的應(yīng)變測(cè)量,大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量手段的局限,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。后續(xù)工作將進(jìn)一步改善傳感器粘貼效果,提高測(cè)量精度,并嘗試將光纖傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)其他部位應(yīng)變測(cè)量。