飛行器管路異質界面損傷超聲導波傳播機理仿真分析

孫海亮，陸浩然，陳海鵬，廖傳軍，武園浩

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076;2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

航天發射具有高投入、高風險特性。進入21世紀，包括美國在內的航天強國均把最大限度降低運載成本作為重要目標。近期低軌互聯網星座發射需求呈爆炸式增長，迫切需要研究能多次使用的航天飛行器[1]。2013年年底，美國國防高級研究計劃局正式發布“試驗性太空飛機”(XS-1)項目的廣泛機構公告，啟動可重復使用太空飛機的方案研究。XS-1每次的發射費用低于500萬美元，約為米諾陶4火箭的1/10。在重復使用飛行器眾多關鍵技術與挑戰中，健康管理和全面維護技術對改進運載飛行器安全性、可靠性、維修性和可操作性具有極其重要的影響。

輸送管路是航天飛行器增壓輸送系統的關鍵產品，它的功能是使推進劑在不夾雜氣體的情況下以一定的壓力和流量從貯箱流向發動機。增壓輸送系統在運載器飛行過程中主要經歷溫度和振動環境變化，運載器返回地面后，對增壓輸送系統希望在不拆卸的情況下進行檢測，判斷是否出現失效、損傷，并判斷損傷的嚴重程度，最終決定能否用于重復發射。作為運送推進劑的基本結構，長距離壓力管道在增壓輸送系統中占有很大比重，并且由于受到飛行中溫度和振動變化的影響，易產生周向焊縫裂紋損傷，因而是地面檢測的重點部件。

增壓輸送系統管路的典型材料為奧氏體不銹鋼，由于輸送的推進劑中包含多種低溫物質，如液氫(20 K)、液氧(88 K)、甲烷(173 K)等，管道的外表面包覆有厚20～30 mm由聚氨酯泡沫構成的絕熱層。在對增壓輸送管路進行檢測時，為了不影響裝配精度，希望不拆卸檢測、不去除絕熱層，進一步增加了管路損傷的檢測難度。

目前用于管路探傷的無損檢測技術主要有漏磁法、超聲法、射線法、渦流檢測法等[2]，這些檢測方法技術成熟、應用時間長、設備較為完善。但上述方法均為點檢測方法，檢測范圍有限，檢測速度慢，且檢測時需要去除管道包覆層，因此不適于增壓輸送管路結構的檢測。超聲導波檢測技術[3-5]是一種近年來新興的無損檢測方法，相比于傳統的無損檢測技術，超聲導波檢測法具有檢測范圍大，檢測效率高，可一次檢測管道全壁厚缺陷，檢測時無需去除管道包覆層等突出優點，在可重復使用增壓輸送管路結構缺陷檢測方面有廣闊的應用前景。

本文使用有限元分析軟件ABAQUS建立飛行器管路損傷和典型管路異質界面(焊縫、充氣充液管路)模型，研究超聲導波在管路損傷和典型異質界面耦合中傳播機理。

1 管路損傷超聲導波檢測

1.1 檢測原理

機械振動在彈性介質中的波稱為彈性波(聲波)，而頻率大于20kHz的聲波則稱為超聲波。當超聲波被局限在具有邊界的介質(如平板、管道等)內傳播時，超聲波將會在邊界處不斷地反射，從而沿著介質的方向傳播形成超聲導波，產生超聲導波的這種具有邊界的介質稱為波導。由于波導的結構不同，在其中傳播的導波頻率和速度也相應發生變化。

用超聲導波對管路進行無損檢測時，可以通過信號發生裝置產生激勵信號，經功率放大器放大后由導波傳感器在管路的一端激發超聲導波。如果導波沿著沒有損傷的管路傳播，那么導波的群速度和相速度就基本保持一致。如果導波在傳播過程中遇到界面不連續處(如管路損傷)，則可能發生反射、散射和模式轉換，這樣就會產生攜帶局部缺陷特征的回波[6]，如圖1所示。通過對回波信號進行分析就可以確定缺陷的位置，回波幅值還能夠用于損傷程度的評定。

圖1 超聲導波檢測原理Fig.1 Detection mechanism of UGW

1.2 管路損傷檢測

飛行器增壓輸送管路具有長距離、薄壁等特點，其典型結構如圖2所示，由補償器、硬管、彎管和法蘭等構成。對于低溫管路還有絕熱結構，包覆在管路外表面。輸送管路工作介質包括液氫(20 K)、液氧(88 K)、煤油(常溫)、四氧化二氮(常溫)或偏二甲肼(常溫)。由于受到焊縫、補償器、支架和法蘭等傳遞路徑的影響，管路損傷檢測困難。此外，由于管路工作時力學環境和熱環境惡劣、外部有包覆層、采用冗余設計提高可靠性等，管路損傷的檢測難度進一步增大。常規無損檢測方法不能滿足飛行器增壓輸送管路損傷檢測的苛刻要求。

圖2 飛行器增壓輸送管路的典型結構Fig.2 Typical pipeline structures in the pressurization and propellant feed system of aircrafts

超聲導波技術具有在傳播路徑上的能量衰減小，傳播距離遠，可實現大范圍、全方位管路監測的優點，成為管路無損檢測領域的研究熱點。與傳統無損檢測技術相比，超聲導波具有兩個明顯的優勢：

1)導波在波導中傳播時，能量衰減較小，傳播的距離更遠，且在接收點采集到的導波信號包含信息比較完整，通過信號分析可以得到整個管路的損傷狀況；

2)導波在波導中傳播時，可引起管路所有質點的振動，根據不同振動形態可以對管壁表面以及管壁內部的缺陷進行監測。超聲導波技術不僅可以高效、快速、經濟地檢測到管路中存在的缺陷，而且超聲導波易于激勵和接收，受到該領域科研人員和工程技術人員的廣泛關注。

2 管路動力學模型

2.1 幾何模型

本文仿真分析的對象為航天飛行器中普遍使用的傳輸管路，由于管路應用的工況復雜多樣，為簡化分析，本文仿真分析主要使用直管和帶焊縫管路，暫不考慮波紋管、焊接管嘴、突變結構等結構。

直管長度為1 200 mm，直徑為50 mm，管壁厚度為1 mm，如圖3所示。

圖3 直管模型Fig.3 Dynamic model of straight pipeline

帶焊縫的管路中，焊縫布置在管路中部，焊縫厚度與管壁厚度一致，焊縫為環形，焊縫的寬度根據需求變化，焊縫上可設置裂紋，模擬焊接損壞工況，如圖4所示。

圖4 帶焊縫管路模型Fig.4 Dynamic model of pipelines with welding seam

帶裂紋的管路中部設置寬度為1 mm的裂紋，裂紋深度按仿真需求設置為穿透或不穿透管壁，裂紋布置方向分為環向，裂紋長度按仿真需求設置。

2.2 材料屬性

本文仿真分析中的管路均采用低碳鋼作為仿真材料，其材料參數如表1所示。

表1 材料參數

對于帶有焊縫的管路，根據焊縫單向拉伸試驗力學性能測試結果，焊縫密度和彈性模量等材料參數一般為母材的0.85～0.95倍，本文設置為0.9，參數如表2所示。

表2 焊縫材料參數

3 仿真分析參數設置

3.1 時間步設置

顯式有限元相對于隱式有限元的優點是能夠捕捉高頻振蕩，對于碰撞、沖擊這種瞬時高速工況ABAQUS/Explicit模塊具有良好的適用和穩定度，是管路損傷仿真分析的首選。

設置兩個時間步，在第1時間步中施加位移振蕩激勵，然后在第2個時間步中令其失效，使得管路在一定的約束條件下振蕩。第1個時間步步長為0.0 001 s，意味著激勵發生在很短的時間內；第2個時間步長為0.001 s，用于捕捉管路振蕩數據。

3.2 邊界條件設置

本文中的仿真分析共設置2個邊界條件，如圖5～6所示。第1個邊界條件為位移激勵(振蕩激勵)，激勵施加在管路始端(坐標Z=0處)并在第1個時間步內激活，在第2個時間步內失效；第2個邊界條件為位移約束，約束施加在管壁(或外層結構)最外層節點，約束管路的橫向運動(x和y方向)，軸向無約束。

圖5 邊界條件設置Fig.5 Boundary conditions

圖6 激勵信號Fig.6 Excitation signals

4 仿真結果分析

4.1 帶裂紋管路

在直管中部設置環向裂紋，裂紋深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mm，裂紋為管路截面圓上一部分，對應圓心角為30°，長度約為13 mm。裂紋位置和裂紋深度如7所示。

圖7 不同深度的裂紋Fig.7 Cracks with different depths

管路始端(Z=0)施加激勵，計算結束后采集管路始端位移時程數據，如圖8所示。放大第1個裂紋回波可以看到，不同深度的裂紋引起回波的最大振幅不一樣，裂紋深度越大，回波的振幅越大，如圖9所示。

圖8 始端節點位移時程曲線Fig.8 Waveform of the beginning node

圖9 不同深度裂紋的響應波形Fig.9 Response waveforms of cracks with different depths

提取不同深度管路裂紋回波數據，繪制裂紋深度/最大裂紋回波振幅關系曲線，如10所示。

從圖10可以看出，當裂紋未穿透管壁時，裂紋回波的最大振幅與裂紋深度基本呈線性正比關系；當裂紋穿透管壁后，裂紋回波的最大振幅突然增大，但仍呈單調正相關關系。由此得知，可以根據響應波形的幅值，反推出管路損傷程度，為管路損傷定量評估提供理論依據。

圖10 回波振幅與裂紋深度關系Fig.10 Relationship between waveform and crack depth

4.2 帶焊縫管路

在直管中部設置寬度分別為1，2，5，10 mm的焊縫，并設置固定穿透裂紋，裂紋所對圓心角為90°，裂紋與焊縫位置以及焊縫寬度如圖11和圖12所示。

圖11 裂紋與焊縫位置Fig.11 Locations of crack and welding seam

圖12 不同的焊縫寬度Fig.12 Welding seams of different widths

管路始端(Z=0)施加激勵，計算結束后提取管路始端位移時程數據，放大第1個裂紋回波可以看到回波振幅略有不同，如圖13所示。可以看出，當裂紋固定不變，焊縫的寬度不斷增大時，管路始端接收到的回波幅值基本一致。結果表明，焊縫存在對超聲導波在管壁中的傳播影響不大，可以利用超聲導波檢測含焊縫管路的損傷特征。

圖13 不同寬度焊縫的響應波形Fig.13 Waveforms of different welding seam widths

4.3 充氣/液管路

由于超聲導波在管路中傳播時，管壁是波導，管路內的氣體/液體介質對超聲導波的傳播影響較小。以充氣管路為研究對象，氣壓為1 MPa。為防止管壁穿透氣體泄漏，管路中部設置深度為0.8 mm 的裂紋，裂紋對應圓心角分別為12°，30°，48°，90°，120°，180°，裂紋形貌如圖14所示。

圖14 不同裂紋長度充氣管路Fig.14 Pipelines with cracks of different lengths

導管內壁施加1 MPa氣壓，如圖15所示。

圖15 壓力邊界條件Fig.15 Pressure boundary condition

管路始端(Z=0)施加激勵，計算結束后采集導管始端的振蕩回波，放大第1個裂紋回波可以看到，不同長度的裂紋引起回波的振幅不同，裂紋回波的最大振幅與裂紋長度基本呈線性正比關系，如圖16所示。

圖16 裂紋響應波形Fig.16 Response waveforms of pipelines with cracks

和無氣壓管路的振蕩曲線進行對比，如圖17所示?？梢钥闯?，當導管內為真空時(無氣壓)，裂紋回波的振蕩波形與充氣時基本一致。充液管路的仿真結果與充氣管路一致。上述結果表明，氣壓/液壓的存在不影響超聲導波在管壁中的傳播，可以利用超聲導波提取充氣/充液管路的損傷特征。

圖17 裂紋響應波形對比Fig.17 Waveform comparisons with/without pressure

4.4 仿真結果與試驗結果比較

以帶裂紋管路為例，比較仿真分析結果與試驗結果[7-8]。本次試驗中使用的帶損傷管路如圖18所示，管路長度為1 200 mm，直徑為?30 mm，壁厚為1 mm。激發用PZT傳感器和接收傳感器布置在管路左端；在管路中間用線切割方法預制裂紋，裂紋損傷處距接收傳感器的距離約為250 mm，損傷深度為0.3 mm。

圖18 帶損傷的試驗管路Fig.18 Experiment pipeline with artificial damage

激勵信號是加窗調制的窄帶單頻正弦信號，信號具有精確的中心頻率和有限帶寬，這有助于減少無用頻率成分并且降低傳播過程中的頻散效應。本次試驗中，激勵信號選擇Hanning窗調制的中心頻率為80 Hz的單頻信號。采樣頻率為2.5 MHz。檢測信號的處理結果如圖19所示，激勵信號波包和端面反射信號波包形狀清晰，此外，損傷信號波包同樣很清晰。在信號降噪結果的Hilbert包絡中，激勵波包包絡和損傷波包包絡的距離等于損傷到接收傳感器的距離。

圖19 試驗信號檢測結果Fig.19 Detection result of experiment signals

分析結果表明，對于帶裂紋管路，仿真分析與試驗結果一致，管路損傷處會發生反射、散射和模式轉換，產生了攜帶局部缺陷特征的回波，通過對回波信號進行分析就可以確定缺陷的位置。

5 結論

管路中的環向裂紋深度越大，產生的裂紋回波響應波形的振幅越大，呈正相關關系，可根據超聲導波響應波形的大小反推出管路裂紋深度，為管路損傷定量評估提供理論依據。

對于帶有焊縫的管路，不同的焊縫寬度其響應波形變化不大，仿真結果表明焊縫對超聲導波在管壁中的傳播影響不大，可以利用超聲導波檢測含焊縫管路的損傷特征。

對于充氣/充液管路，仿真結果表明氣壓/液壓的存在不影響超聲導波在管壁中的傳播，可以利用超聲導波提取充氣/充液管路的損傷特征。