推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种固体火箭发动机结构完整性和贮存寿命评估技术，特别是一种推 进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法。
【背景技术】
[0002] 通常，贴壁浇注式固体火箭发动机主要由壳体、绝热层、衬层及推进剂构成，推进 剂/衬层的界面粘接性能是决定发动机整体寿命的关键因素。推进剂/衬层界面的微孔洞 和微裂纹在载荷作用下的融合与扩展是导致界面脱粘的主要原因。推进剂/衬层的界面脱 粘直接反映着推进剂/衬层的界面断裂特性，其作用过程复杂、评价指标不确定，因此推进 剂/衬层的界面断裂特性尚处于探索阶段。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供一种推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法， 它能够精确地利用图像处理技术定量计算推进剂/衬层的界面裂纹应力强度因子，有效地 利用应力强度因子-时间曲线确定界面裂纹临界应力强度因子，可靠地实现固体火箭发动 机结构完整性和寿命评估。
[0004] 设计一种推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法，包括下列步骤： 步骤一，试样制备：试样选取和制块，试块切片和切割。试样选取和制块时，选择不 同年限的的含推进剂/衬层界面的样品，样品为含推进剂、衬层、绝热层的长方体试块，规 格为IOmmX IOmmX 20mm，试块的长度方向与推进剂/衬层界面水平方向一致。试块切片和 切割时，采用切片机将试块切成厚度为1mm的切片，切片经冲压模具切割，即获得推进剂/ 衬层界面试样。
[0005] 步骤二，拉伸试验与影像记录：拉伸试验选择有传感器、量程为20N的拉伸机，影 像记录采用CCD数码光学显微镜。拉伸试验时，利用夹具固定推进剂/衬层界面试样，一端 固定推进剂，一端固定绝热层，拉伸机的拉伸速率为5mm/min ;用于影像记录的为25倍CCD 数码光学显微镜，光学镜头置于推进剂/衬层界面试样正前方，镜头聚焦于界面试样裂纹 尖端附近；拉伸中适时调整镜头以保证镜头聚焦于裂纹尖端附近，拉伸过程由C⑶数码光 学显微镜录像记录。
[0006] 步骤三，数据处理与计算分析：采用Matlab软件的数字图像处理技术，通过C⑶数 码光学显微镜获得裂纹起裂与裂纹扩展过程的起裂时间和图像数据，利用数字图像处理技 术对图像数据进行处理，进而获得试样拉伸过程中裂纹尖端前方对应点的位移变化，计算 得到界面裂纹应力强度因子，建立应力强度因子-时间曲线，确定界面裂纹临界应力强度 因子。
[0007] 数据处理时，根据C⑶数码光学显微镜的录像记录找出界面裂纹起裂时间，经过 Matlab软件的数字图像处理，将录像记录转化为一系列的拉伸过程照片，相邻照片之间的 时间间隔为20s。比较试样变形前后的两幅照片，选取裂纹尖端前方r = 2mm处分别对应于 推进剂和衬层边缘的两个点，即A(Xl，yi)和B (x2, y2)，然后通过数字图像处理，得出拉伸过 程中不同时刻A和B两点所对应的新的位置分别为V (x/，y/ )和(X，，y2')。
[0008] 计算分析时，首先计算界面裂纹应力强度因子，在设定推进剂和衬层为弹性材料、 界面试样拉伸过程为平面应变的条件下，通过公式计算出界面裂纹应力强度因子；然后根 据界面裂纹应力强度因子的计算数据，获得不同时刻的推进剂/衬层界面裂纹应力强度因 子，建立应力强度因子-时间曲线，在曲线上找出裂纹起裂时间对应的应力强度因子，即为 界面裂纹临界应力强度因子。
[0009] 本发明的有益技术效果是：由于在推进剂/衬层的界面脱粘评价指标中引入了界 面裂纹临界应力强度因子的概念，因而建立了推进剂/衬层的界面断裂特性与火箭发动机 结构完整性、贮存寿命之间的数值关系。同时由于检测过程采用了 C⑶数码光学显微镜， 因而为图像记录、时间比对和图像处理提供了方便。另外由于应用了带软件的数字图像处 理技术，因而为位移变化的识别、应力强度因子-时间曲线的建立等后续分析计算提供了 可能。本发明还具有制样方便、指标合理、计算精准和数据可靠的优点。
【附图说明】
[0010] 图1是切片示意图。
[0011] 图2是试样示意图。
[0012] 图3是应力强度因子-时间曲线图。
[0013] 图中，1、推进剂，2、衬层，3、绝热层。
【具体实施方式】
[0014] 下面通过附图提供的实施例对本发明进一步说明。
[0015] 以NEPE/HTPB/EDPM体系为例，其中，NEPE为硝酸酯增塑聚醚，HTPB为端羟基聚丁 二烯，EDPM为三元乙丙橡胶，检测NEPE/HTPB/EDPM推进剂粘接体系的推进剂/衬层界面裂 纹应力强度因子。
[0016] 步骤一，试样制备：试样选取和制块，试块切片和切割。试样选取和制块时，选择 不同年限的的含推进剂/衬层界面的样品，样品为含推进剂、衬层、绝热层的长方体试块， 规格为IOmmX IOmmX 20mm，试块的长度方向与推进剂/衬层界面水平方向一致。试块切片 和切割时，采用切片机将试块切成厚度为1mm的切片，切片经冲压模具切割，即获得推进剂 /衬层界面试样。
[0017] 首先将含有NEPE/HTPB/EDPM推进剂粘接体系的推进剂/衬层界面样品进行切片， 手工完成切片，利用游标卡尺测量切片厚度，选择厚度为〇. 95~I. 05mm之间的切片，再用 模具对切片进行切割，获得NEPE/HTPB/EDPM推进剂粘接体系的推进剂/衬层界面试样。
[0018] 步骤二，拉伸试验与影像记录：拉伸试验选择有传感器、量程为20N的拉伸机，影 像记录采用CCD数码光学显微镜。拉伸试验时，利用夹具固定推进剂/衬层界面试样，一端 固定推进剂，一端固定绝热层，拉伸机的拉伸速率为5mm/min ;用于影像记录的为25倍CCD 数码光学显微镜，光学镜头置于推进剂/衬层界面试样正前方，镜头聚焦于界面试样裂纹 尖端附近；拉伸中适时调整镜头以保证镜头聚焦于裂纹尖端附近，拉伸过程由C⑶数码光 学显微镜录像记录。
[0019] 步骤三，数据处理与计算分析：数据处理选择Matlab软件的数字图像处理技术， 通过CCD数码光学显微镜获得裂纹起裂与裂纹扩展过程的起裂时间和图像数据，利用数字 图像处理技术对图像数据进行处理，进而获得试样拉伸过程中裂纹尖端前方对应点的位移 变化，计算得到界面裂纹应力强度因子，建立应力强度因子-时间曲线，确定界面裂纹临界 应力强度因子。
[0020] 数据处理时，根据C⑶数码光学显微镜的录像记录找出界面裂纹起裂时间。首先， 用Premiere软件对录像记录进行转换，得出一系列拉伸过程图片，相邻照片之间的时间间 隔为20s ;其次，用基于Matlab软件的数字图像处理进行解析，比较试样变形前后的两幅照 片，选取裂纹尖端前方r = 2mm处分别对应于推进剂和衬层边缘的两个点，即A(Xl，yi)和 B(x2，y2);然后，通过数字图像处理，得出拉伸过程中不同时刻A和B两点所对应的新的位置 分别为A' (X/，y/ )和B' (?'，y2');最终，计算出不同时刻下推进剂/衬层界面 的应力强度因子，绘出应力强度因子-时间曲线。
[0021] 计算分析时，首先计算界面裂纹应力强度因子，在设定推进剂和衬层为弹性材料、 界面试样拉伸过程为平面应变的条件下，通过公式计算出界面裂纹应力强度因子；然后根 据界面裂纹应力强度因子的计算数据，获得不同时刻的推进剂/衬层界面裂纹应力强度因 子，建立应力强度因子-时间曲线，在曲线上找出裂纹起裂时间对应的应力强度因子，即为 界面裂纹临界应力强度因子。
[0022] 根据图3-应力强度因子-时间曲线图，从拉伸录像记录中查出界面试样的裂纹起 裂时间为392s，对应的应力强度因子为0. 158漏，这样可以确定NEPE/HTPB/EDPM推 进剂粘接体系的推进剂/衬层界面裂纹的临界应力强度因子为Kc = 0. 158 。
【主权项】
1. 一种推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法，其特征在于：包括下列步 骤： 步骤一，试样制备：试样选取和制块，试块切片和切割； 步骤二，拉伸试验与影像记录：拉伸试验选择有传感器、量程为20N的拉伸机，影像记 录采用C⑶数码光学显微镜； 步骤三，数据处理与计算分析：数据处理选择带Matlab软件的数字图像处理技术，通 过CCD光学显微镜获得裂纹起裂与裂纹扩展过程的起裂时间和图像数据，利用数字图像处 理技术对图像数据进行处理，进而获得试样拉伸过程中裂纹尖端前方对应点的位移变化， 计算得到界面裂纹应力强度因子，建立应力强度因子-时间曲线，确定界面裂纹临界应力 强度因子。2. 根据权利要求1所述的推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法，其特征 是：数据处理时，根据C⑶数码光学显微镜的录像记录找出界面裂纹起裂时间，经过Matlab 软件的数字图像处理，将录像记录转化为一系列的拉伸过程照片，相邻照片之间的时间间 隔为20s ; 比较试样变形前后的两幅照片，选取裂纹尖端前方r = 2mm处分别对应于推进剂和衬 层边缘的两个点，即A(Xl，yi)和B(x2, y2)，然后通过数字图像处理，得出拉伸过程中不同时 刻A和B两点所对应的新的位置分别为A' (x/，y/ )和B' (?'，y2')。3. 根据权利要求1所述的推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法，其特征 是：计算分析时，首先计算界面裂纹应力强度因子，在设定推进剂和衬层为弹性材料、界面 试样拉伸过程为平面应变的条件下，通过公式计算出界面裂纹应力强度因子；然后根据界 面裂纹应力强度因子的计算数据，获得不同时刻的推进剂/衬层界面裂纹应力强度因子， 建立应力强度因子-时间曲线，在曲线上找出裂纹起裂时间对应的应力强度因子，即为界 面裂纹临界应力强度因子。
【专利摘要】本发明是一种用于固体火箭发动机结构完整性和贮存寿命评估的推进剂/衬层界面裂纹临界强度应力因子检测方法。它包括三个步骤，步骤一，试样制备:试样选取和制块,试块切片和切割；步骤二，拉伸试验与影像记录；步骤三，数据处理与计算分析。它利用拉伸机对试样进行单向拉伸，采用CCD数码光学显微镜得到裂纹起裂与扩展过程的起裂时间和影像记录，通过数字图像处理技术对所得图像进行处理，获得试样拉伸中裂纹尖端前方对应点的位移变化，计算出推进剂/衬层界面裂纹应力强度因子随时间的变化关系，最终由上述变化关系和裂纹起裂时间得出推进剂/衬层界面裂纹临界应力强度因子。本发明具有制样方便、指标合理、计算精准和数据可靠的优点。
【IPC分类】G01N3/00, G01N3/06
【公开号】CN105092360
【申请号】CN201410198902
【发明人】庞爱民, 张峰涛, 池旭辉, 彭松, 杨根, 杜锡娟, 朱学珍
【申请人】湖北航天化学技术研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月13日