固體發動機界面結構試件脫粘健康監測研究*

張守誠，屈文忠，肖 黎

(武漢大學 工程力學系，武漢 430072)

固體發動機界面結構試件脫粘健康監測研究*

張守誠，屈文忠，肖 黎

(武漢大學 工程力學系，武漢 430072)

以復合材料殼體和絕熱層脫粘模型試件為對象，利用粘貼于殼體外表面的壓電主動激勵傳感器，基于高頻機電阻抗方法，對模擬藥柱/絕熱層界面脫粘的結構健康狀態監測進行了數值仿真和實驗研究，得出了不同脫粘損傷工況下的導納頻譜曲線，計算了能表征脫粘程度的平均絕對偏差損傷指標。結果表明，高頻機電阻抗方法可利用粘貼于殼體外表面的壓電傳感器有效地識別內部結構的界面脫粘，相比于傳統檢測方法，能實現實時的結構健康監測，損傷指標能量化表征脫粘程度，實驗采用的兩種壓電傳感器中，MFC傳感器較PZT傳感器更適合于曲面固體發動機殼體脫粘檢測，為開展實際工況下的固體發動機藥柱結構界面脫粘損傷監檢測工作提供理論與技術支撐。

固體發動機；界面脫粘；結構健康監測；機電阻抗方法；有限元分析；平均絕對偏差

0 引言

對固體發動機關鍵部位的界面脫粘狀態有效地進行結構健康監測，判定界面完整性狀態，將對固體發動機貯存及壽命評估起到重要的保障作用。因此，對固體發動機結構界面狀態進行有效的健康監測具有極其重要意義，也是目前國內外研究的熱點之一[1-2]。

在固體發動機健康監測領域，國內外的一些學者做了相關研究。邢耀國等闡述了近年來固體火箭發動機狀態監測領域采用的新技術和失效判定領域的一些進展，展望了該領域未來的發展趨勢[3-4]。Qing等利用Lamb波，對發動機殼體進行了損傷檢測實驗[5]。高鳴等提出了固體儀器發動機概念，設計了固體儀器發動機粘接界面應力監測系統，并進行實驗驗證[6]。張波等設計了固體火箭發動機健康監測系統的具體方案，并對該系統的未來發展趨勢和應用前景進行了展望[7]。Chelner等利用界面應力溫度傳感器，對固體火箭發動機界面脫粘進行了研究[8]。

固體發動機界面脫粘的傳統檢測方法主要有紅外檢測技術、X射線檢測技術、超聲檢測技術等[9]，但均無法對界面脫粘損傷進行實時的結構健康監測，評估其缺陷發展狀況。近年來，一種新興的損傷監檢測方法即高頻機電阻抗方法，通過壓電傳感器粘貼于被測結構表面進行測量，利用壓電傳感器的機電耦合特性反映出被監測結構的狀態，為固體發動機界面結構的實時健康狀態監測提供了新的思路。

在1994年，機電阻抗方法由Liang等首次提出[10]。此后，國內外學者利用機電阻抗方法，進行了大量的結構損傷監檢測研究，取得了巨大進展。Giurgiutiu等利用機電阻抗方法，對老化航天器進行了健康評估，開拓了該方法在航空領域應用[11]。Park和Inman等對該方法做了很好研究綜述[12-13]。Lim和Soh等研究了如何建立更加精確的機電阻抗模型及優化阻尼模型等[14]。Na和Lee等研究了提高機電阻抗方法混凝土損傷檢測能力的技術[15]。王強等進行了機電阻抗方法結構損傷監測機理研究，并在鋁板上進行了測試實驗[16]。王濤等進行了基于壓電阻抗技術的螺栓松動檢測試驗研究[17]。機電阻抗方法對混凝土結構和金屬材料的損傷檢測都取得了巨大發展，特別是金屬材料殼體檢測已成熟多樣，機電阻抗方法對金屬材料的損傷檢測特別敏感，采用低頻激勵就能獲得較好的實驗效果，而對于復合材料殼體，由于其高阻尼特性和結構的復雜性，以往的檢測方法程序復雜，成本高，采用高頻激勵的機電阻抗法，獲得共振頻率處的峰值差異，能夠實現復合材料殼體實時的結構健康監測。

本研究利用粘貼于復合材料殼體外表面的壓電傳感器，基于高頻機電阻抗方法，對固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘的結構健康狀態監測進行了數值仿真，并以復合材料殼體/絕熱層/模擬推進劑橡膠材料的模型試件為對象，進行了界面脫粘損傷監檢測的實驗研究，得到了有益結果。

1 機電阻抗方法界面脫粘健康監測原理

固體發動機結構界面出現脫粘等損傷時，結構的機械阻抗發生變化。目前，直接測量機械阻抗的方法一般均采用低頻激勵，而結構脫粘等小損傷只對高頻敏感。因此，在對界面脫粘進行損傷監測時，宜采用高頻激勵的機電阻抗方法。機電阻抗方法基本原理是利用粘貼于被測結構表面的壓電傳感器的機電耦合特性，測量得到電阻抗信號(導納頻譜曲線)，反映出被測結構機械阻抗信息，通過比較健康狀態和損傷狀態下導納頻譜曲線的變化，計算得到表征損傷程度的統計指標，可準確定量地識別結構損傷。機電阻抗方法相比其他傳統損傷檢測方法具有明顯優勢，其工作范圍是在壓電傳感器所在位置的小范圍內，不受邊界條件影響，不需要對結構進行拆卸就能進行檢測，且采用高頻激勵，對微裂紋和小面積脫粘等微小損傷非常敏感，能夠實現對結構界面脫粘的實時健康監測。

在構建機電阻抗理論模型時，本文主要討論利用壓電片的機電耦合特性，通過壓電片的電阻抗信號反映出被測結構機械阻抗的信息，揭示其機理，而不著重考慮理論模型對于實際三維結構模擬的相似性，并且由于模型的復雜性和求解的困難性，目前二維阻抗模型和三維阻抗模型還難以用于結構的健康監測實踐當中[18]。因此，文中采用物理意義清楚，便于結構參數識別和健康監測的一維阻抗模型。由壓電片(PZT)驅動的一維機電耦合阻抗模型表達式如下[19]：

(1)

式(1)表明，壓電片的機電耦合阻抗信號不僅與壓電材料性質有關，還受到結構的機械阻抗影響，與激勵頻率有關，能反映出結構在高頻段的阻抗變化。

利用機電阻抗方法進行損傷程度評估時，通過分析損傷前后壓電阻抗(導納)信號譜的偏離程度，對損傷程度進行判別，通常采用統計量衡量，統計量偏差越大，表示損傷越嚴重，可對結構損傷程度定量處理。常用的統計量是平均絕對偏差(MAPD，MeanAbsolutePercentageDeviation)，定義為[20]

(2)

式中n為數據點的數目；Ri,1為結構健康狀態導納信號；Ri,2為結構損傷狀態導納信號。

2 藥柱結構界面脫粘損傷檢測數值仿真

本章利用通用有限元軟件ANSYS平臺，進行基于高頻機電阻抗方法的固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘損傷檢測數值仿真。圖1是1/30固體發動機結構界面的三維有限元模型。

如圖1所示，固體發動機三維有限元模型包括復合材料殼體、絕熱層、藥柱結構和壓電片，共62 357個節點和56 200個單元。其中，利用SOLID5耦合場單元來模擬PZT片，在PZT片上表面施加正電壓，下表面施加零電壓。壓電片材料參數如式(3)～式(5)所示，其中[c]為剛度矩陣，[ε]為介電常數矩陣，[e]為壓電應力矩陣。PZT片的密度為ρ=7 550 kg/m3。

(3)

(4)

(5)

利用SOLID46單元模擬復合材料殼體，厚度2 mm，密度1 540 kg/m3，材料參數如表1所示。絕熱層和藥柱結構利用SOLID45單元進行模擬。絕熱層厚度3mm，材料參數如表2所示。

表1 復合材料殼體材料參數

表2 藥柱結構和絕熱層材料參數

通用有限元軟件ANSYS中的諧響應分析功能用來計算壓電片在簡諧電壓載荷作用下的阻抗(導納)信號的穩態響應。固體發動機結構是典型的高阻尼材料結構，且不同材料阻尼相差很大。為簡單起見，本文數值仿真中采用Rayleigh 阻尼模型，其表達式為

(6)

式中α和β分別為質量阻尼系數和剛度阻尼系數。

仿真中α=0，β取值為1.2×10-7。剛度阻尼系數在數值計算中起主要作用，仿真中β取值較大，以模擬高阻尼的發動機結構。

本研究進行固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘數值仿真時，首先通過模態分析確定脫粘損傷的敏感頻率段，以避免通過反復試算盲目選取阻抗譜頻率段的通常做法。模態分析發現，在93 kHz左右，局部振型在脫粘損傷處有明顯變化。因此，選取數值仿真的脫粘敏感頻率段為包含93 kHz的較低頻段10～100 kHz。仿真中，模擬了4種界面脫粘工況：(1)無脫粘(完整狀態)；(2)脫粘面積為(5×5) mm2；(3)脫粘面積為(10×10 )mm2；(4)脫粘面積為(20×20 )mm2。

圖2和圖3分別為各種工況下的導納實部頻譜曲線和損傷指標MAPD統計值。

從圖2和圖3可看出，與無損傷工況下的導納頻譜曲線相比，損傷工況下的導納頻譜曲線存在明顯區別，界面脫粘導致了結構的局部共振頻率在一些波峰處發生偏移，且共振頻率點處峰值產生變化。隨著脫粘區域面積的增大，導納實部頻譜曲線的差別越明顯，MAPD的值也隨之單調增大。數值仿真結果表明，利用機電阻抗方法，通過比較健康和損傷狀態下的導納頻譜曲線，可準確地識別固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘損傷。在量化表征界面脫粘程度時，MAPD值隨著界面脫粘程度的增大而單調增大。

進一步探究固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘損傷檢測數值仿真結果，由于固體發動機是一種高阻尼的復雜結構，與金屬結構相比，在一個較大的阻抗掃描頻率范圍內，并不會出現密集的共振峰值。對于固體發動機的多層界面結構，界面脫粘導致局部阻尼的增加和剛度的減小，這些改變導致了界面結構機械阻抗的變化。基于高頻機電阻抗方法，利用粘貼于表面的壓電傳感器測得電阻抗信號，能有效反映發動機界面結構機械阻抗的變化，從而可實現從殼體外表面對固體發動機內部界面脫粘進行實時的健康狀態監測。

3 量化表征脫粘程度實驗研究

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，模型試件包括幾何參數為260 mm×220 mm×2 mm的炭纖維復合材料板、260 mm×220 mm×4mm的絕熱層和200 mm×200 mm×2 mm的丁腈橡膠以模擬推進劑材料。1個PZT傳感器(直徑12 mm，厚度0.6 mm， STEMINC Ltd)和1個Macro-Fiber Composite (MFC)傳感器(28 mm×14 mm×0.254 mm, Smart Material Corporation) 作為主動傳感器，Agilent 4294A精確阻抗分析儀用于壓電傳感器阻抗(導納)值的測量。

實驗過程中，以丁腈橡膠片與絕熱層之間不同的粘結面積來模擬固體發動機藥柱/絕熱層界面脫粘，共研究了以下4種工況：(1)無脫粘(完整狀態)；(2)脫粘面積為(50×200)mm2，脫粘程度25%；(3)脫粘面積為(100×200 )mm2，脫粘程度50%；(4)脫粘面積為(150×200 )mm2，脫粘程度75%。利用阻抗分析儀施加PZT和MFC傳感器持續的1 V電壓激勵，與金屬材料不同，金屬材料通常采用低頻激勵即10 kHz以下，即能取得較好的實驗效果，但復合材料固體發動機試件為高阻尼材料，需采用高頻激勵，以便了解其響應情況。因此，選取了一段較高的頻率范圍進行研究，掃頻范圍為10～600 kHz，采集電導納信號，信號由實部和虛部組成。

3.2 實驗結果分析

利用PZT傳感器和MFC傳感器測量，得到各種工況下的導納頻譜曲線，如圖5所示。

從圖5可看出，健康狀態下的導納頻譜曲線與損傷工況下的導納頻譜曲線存在明顯差異。由于界面脫粘損傷的產生，曲線波峰和波谷處的值發生顯著的變化。尤其是從圖5(b)可更明顯看出，隨著界面脫粘程度的增大，MFC的導納頻譜曲線呈現出整體往下偏移的趨勢。比較PZT傳感器和MFC傳感器測量得到的導納頻譜曲線，可發現PZT傳感器與MFC傳感器的共振頻率不同，相同頻率范圍內，MFC傳感器的共振頻率點多于PZT傳感器。

從圖5可看出，當PZT傳感器的阻抗譜頻率低于180 kHz，MFC傳感器的阻抗譜頻率低于280 kHz時，4種工況的導納頻譜曲線基本重合，說明低于這些頻率時，機電阻抗方法對復合材料殼體/絕熱層/橡膠材料的模型試件界面脫粘損傷檢測并不敏感。分析原因為試件具有高阻尼特性，因此利用機電阻抗方法，對高阻尼模型試件進行結構健康監測時，需要采用高頻激勵。同時，可看出PZT傳感器脫粘敏感頻率低于MFC傳感器脫粘敏感頻率，相同的脫粘面積時，PZT傳感器的損傷指標大于MFC傳感器的損傷指標。因此，在進行結構界面脫粘損傷識別時，PZT傳感器比MFC傳感器更加敏感。但MFC傳感器也具有一些內在優點，如韌性高等，能夠更好地適用于曲面的固體發動機殼體。對于固體發動機界面脫粘損傷檢測，由于MFC傳感器能完整地貼合于殼體表面，且相比PZT傳感器，能承受更大的電壓激勵，探測更大范圍的脫粘損傷，不易受外界環境影響。所以，進行固體發動機界面脫粘損傷檢測時，選用MFC傳感器較好。

實驗研究同樣利用MAPD值，對不同工況下界面脫粘程度進行定量分析。圖6為PZT傳感器和MFC傳感器在不同工況下導納頻譜曲線計算得到的MAPD值。

從圖6可看出，PZT傳感器和MFC傳感器的MAPD值均隨著界面脫粘面積的增大而增大，表明機電阻抗方法能有效地定量識別復合材料殼體/絕熱層/橡膠材料試件界面脫粘的趨勢。

需要強調的是，數值仿真與實驗結果的導納頻譜曲線并不一致，共振頻率和界面脫粘敏感頻率范圍也不相同。數值仿真主要是定性地分析機電阻抗方法檢測固體發動機脫粘損傷的可行性，給實驗提供指導思路。導致仿真和實驗結果偏差的主要原因為仿真時有限元模型單元尺寸的限制、材料參數和阻尼模型的選擇等。但數值仿真和實驗研究的結果共同表明，通過比較不同工況下的導納頻譜曲線，利用高頻機電阻抗方法，能有效識別固體發動機界面結構的脫粘程度；通過分析損傷統計指標的變化趨勢，能夠表征試件絕熱層/模擬推進劑橡膠材料界面的脫粘程度。因此，數值仿真和模型試件實驗研究的結果，均可為固體發動機藥柱結構界面脫粘損傷監檢測工作在實際工況下的開展提供理論與技術支撐。

4 結論

(1)以固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘損傷為背景，通過對模擬藥柱/絕熱層界面脫粘的結構健康狀態監測進行數值仿真和實驗，研究了基于高頻機電阻抗方法進行界面脫粘損傷監檢測的應用效果。界面脫粘損傷的出現，導致導納頻譜曲線共振頻率發生偏移，波峰值增大，波谷值減小，利用損傷統計量MAPD對界面脫粘程度進行量化表征，MAPD值均隨著界面脫粘面積的增大而單調增大。結果表明，利用高頻機電阻抗方法，能夠有效地對固體發動機絕熱層/藥柱界面脫粘進行實時健康監測。

(2)PZT傳感器或MFC傳感器粘貼在固體發動機殼體外表面對第三界面脫粘進行實時的健康監測，不需要嵌入傳感器，不影響固體發動機原有的結構完整性，具有良好的實際應用潛力。

(3)比較PZT傳感器和MFC傳感器，雖然PZT傳感器比MFC傳感器更加敏感，但對于固體發動機界面脫粘損傷檢測，由于MFC傳感器能完整地貼合于殼體表面，且相比PZT傳感器，能承受更大的電壓激勵，探測更大范圍的脫粘損傷，不易受外界環境影響。所以，進行固體發動機界面脫粘損傷檢測時，選用MFC傳感器較好。

固體發動機是高阻尼結構，導致使用PZT傳感器和MFC傳感器測量時，只對局部區域內的界面脫粘等損傷具有敏感性。因此，進一步的研究工作為發展或組合設計出使用大電壓持續激勵的阻抗分析儀，以便感知更遠范圍的界面脫粘。

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(編輯：崔賢彬)

Research on health monitoring of insulator/propellant interface debonding in solid rocket motor

ZHANG Shou-cheng,QU Wen-zhong,XIAO Li

(Department of Engineering Mechanics,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In this research,through piezoelectric sensors which were surface-bonded to the composite case from the outside, piezoelectric electromechanical impedance (EMI) structural health monitoring (SHM) technique was applied to identify the debonding condition of insulator/propellant interface structure using finite element analysis and experimental investigation.Mean absolute percentage deviation (MAPD) based damage index was obtained to quantify the changes in impedance spectrum for different debonding conditions.Numerical and experimental results demonstrate that the EMI technique can be used effectively for detecting the debonding damage in SRM.Compared with other detection method,the EMI technique can realize real-time structural health monitoring.MAPD damage index can quantitatively characterize the level of debonding damage.The MFC sensor is flexible,and more suitable for the curving SRM composite case surfaces than the PZT sensor.The EMI technique is expected to be useful for future application of real SRM's SHM.

solid rocket motor;interface debonding;structural health monitoring;electromechanical impedance technique;finite element analysis;mean absolute percentage deviation

2016-05-24；

2016-11-07。

國家自然科學基金(51378402)。

張守誠(1993—)，男，碩士生，研究方向為結構健康監測。E-mail：zhangshoucheng_93@163.com

V435

A

1006-2793(2017)03-0319-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.009