郭云松，徐恒斌，李 平，彭勇晟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031)

高速入水沖擊下傳感器的聚氨酯防護(hù)研究

郭云松，徐恒斌，李 平，彭勇晟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展與提高，現(xiàn)代測量技術(shù)針對高速入水結(jié)構(gòu)測量傳感器的防護(hù)工作提出了要求。通過對三種不同硬度，體系同為PTMG配方的聚氨酯彈性體試片進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、粘接性能試驗(yàn)獲取材料的力學(xué)及粘接性能參數(shù)。進(jìn)一步采用Ansys-Workbench顯式動力學(xué)分析軟件對防護(hù)模型在高速入水沖擊過程進(jìn)行仿真分析，從而得出一種硬度的聚氨酯材料滿足沖擊環(huán)境要求。最后通過防護(hù)樣件的試驗(yàn)沖擊考核結(jié)果，說明聚氨酯彈性體作為高速入水沖擊下傳感器防護(hù)的可行性。

沖擊；傳感器；聚氨酯；彈性體；顯示動力學(xué)

采用電阻應(yīng)變片電測法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測量是對工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力分析和評價(jià)的常用手段[1]，傳感器在惡劣環(huán)境條件下得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，如在稱重傳感器上采用的密封膠密封、膜片焊接密封方式[2]，采用IMR21納米復(fù)合材料進(jìn)行ICMS傳感器的防護(hù)等[3]。

隨著近代工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)變傳感器所承受的力學(xué)環(huán)境愈加復(fù)雜。本文所涉及的應(yīng)變傳感器需粘貼在高速運(yùn)動設(shè)備的輔助測量桿上，并隨測量桿以90 m/s的速度高速沖入水中，采用試驗(yàn)方法測定結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，靜態(tài)水對高速運(yùn)動的測量桿將產(chǎn)生巨大的沖擊作用力，應(yīng)變計(jì)及連接導(dǎo)線需得到有效防護(hù)，以往的密封防護(hù)措施無法滿足水流高速沖刷的要求，通過采用新興澆注型聚氨酯彈性體作為整體防護(hù)措施，并通過Ansys-Workbench顯示動力學(xué)分析軟件對防護(hù)彈性體在高速入水沖擊過程進(jìn)行仿真分析，判斷研究防護(hù)措施的可行性。

1 防護(hù)措施的彈性體模型

防護(hù)與密封是特殊環(huán)境下使用過程中的關(guān)鍵工序，防護(hù)密封效果不好，電阻應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變粘接劑及連接導(dǎo)線會很容易吸收空氣中的水分，很有可能導(dǎo)致應(yīng)變片絲柵間導(dǎo)通或絲柵腐蝕，同時亦可能引起粘貼的應(yīng)變片的基底、絲柵和基底間的粘接層等尺寸發(fā)生變化，造成絕緣電阻、粘接強(qiáng)度和剛度下降，而出現(xiàn)應(yīng)變片電阻值變化，同時在高速入水過程中，會被瞬間的高速水流沖脫。

聚氨酯彈性體硬度范圍廣，低至邵爾A10以下的低模量橡膠，高至邵爾D90的高抗沖擊彈性材料，彈性模量可高達(dá)數(shù)百兆帕。力學(xué)性能好，在橡膠硬度下拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度比通用橡膠高，在塑料硬度下，沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度又比塑料高。其與金屬、木材、陶瓷、極性高分子等材料粘接性能良好。同時，聚氨酯彈性體的加工方法多種多樣：有的采用普通橡膠加工設(shè)備成型，有的采用熱塑性塑料加工設(shè)備成型，有的采用液體澆注成型[4]。基于在力學(xué)性能上的優(yōu)勢及加工成形的便捷條件下，測量桿的防護(hù)方案采用聚氨酯彈性體澆注成型的方式。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)尺寸及耐水要求，采用5 mm厚PTMG系列SHA 85、SHA 90及SHA 95共3種硬度配方進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的獲取及入水仿真計(jì)算分析。

根據(jù)GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》標(biāo)準(zhǔn)制作了三種硬度的拉伸試樣，根據(jù)GB/T 11211-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的測定二板法》標(biāo)準(zhǔn)制作了粘接強(qiáng)度測定的拉伸試樣并進(jìn)行了測試，如圖1。

圖1 粘接強(qiáng)度測試試樣

基于各向同性材料，通過彈性力學(xué)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得出楊氏模量、剪切模量和體積模量直接的關(guān)系表達(dá)式[5]

式中υ為泊松比，E為楊氏模量，G為剪切模量，B為體積模量。

由此，可得出三種不同硬度材料的性能參數(shù)，如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2 高速入水流固耦合分析

判斷傳感器所用的聚氨酯防護(hù)層在實(shí)際使用過程中能否滿足防護(hù)要求，需對高速入水過程中材料的受力情況進(jìn)行仿真分析。結(jié)構(gòu)體入水過程是一個十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，特別是在入水沖擊初期瞬態(tài)間(毫秒級)過程中會遭受巨大的沖擊載荷，這就涉及到結(jié)構(gòu)入水沖擊動力學(xué)問題。早期曾采用了閃光攝影技術(shù)剛性球入水過程影像進(jìn)行分析。二戰(zhàn)后到20世紀(jì)80年代，由于軍事領(lǐng)域的需求，各國學(xué)者針對結(jié)構(gòu)體入水沖擊做了大量的理論與試驗(yàn)分析工作。從20世紀(jì)90年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展及數(shù)值分析方法的不斷完善，利用有限元對流體域和固體域單獨(dú)建立數(shù)值模型，從而可以解決復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)入水問題，為結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[6]。

本文采用Ansys-Workbench軟件Autodyn分析模塊進(jìn)行了測量桿及防護(hù)措施的流固耦合沖擊仿真計(jì)算，Autodyn是一種顯示有限元分析程序，主要用于解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動力學(xué)問題。采用基于Lagrange格式的有限元法（FEM）模擬防護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力，用基于純Euler格式的有限體積方法（FVM）描述材料（氣體和液體）流動，對通過流體與固體界面?zhèn)鬟f相互作用的流體—結(jié)構(gòu)耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和純Euler格式的有限元與有限體積技術(shù)，完成全耦合的流體—結(jié)構(gòu)相互作用模擬，預(yù)測傳感器防護(hù)層的應(yīng)力狀態(tài)，對防護(hù)層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取提供設(shè)計(jì)參數(shù)[7–8]。

流固耦合計(jì)算分析模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

測量桿采用Ansys-Workbench非線性材料庫中的Structural Steel NL材料模型，楊氏模量：2.0×1011Pa，泊松比：0.3。聚氨酯彈性體和水域分別采用顯示材料庫中的Polyureth和Water材料模型。聚氨酯彈性體材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)表1進(jìn)行設(shè)定。

測量桿高速入水沖擊動力學(xué)仿真過程結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出測量桿在整個入水過程的受力狀態(tài)情況及水域的壓力變化情況。在等同條件下三種不同硬度聚氨酯保護(hù)層在入水過程中不同時刻的受力情況如圖4－圖6所示。

由圖4可以看出，SHA 85度聚氨酯防護(hù)層在入水后，由于巨大的沖擊力使彈性體發(fā)生了碎裂和剝離。由圖5可以看出，SHA 90度聚氨酯防護(hù)層由于強(qiáng)大的水壓使得彈性體發(fā)生了彈性變形，但沒有發(fā)生損壞。由圖6可以看出，SHA 95度聚氨酯防護(hù)層在整個入水過程外形保持完好，沒有發(fā)生破損的跡象。

進(jìn)一步，對測量桿及聚氨酯防護(hù)層在整個入水過程中提取了水流沖擊作用下的應(yīng)力結(jié)果，如圖7－圖8所示。由圖7可以看出，不同硬度聚氨酯彈性體所防護(hù)的測量桿，在沖擊過程中應(yīng)力最大值基本上沒有變化，聚氨酯的包覆對測量結(jié)果影響有限。圖8所示，SHA 85度聚氨酯在入水時刻的沖擊應(yīng)力雖然不是最大，但在整個沖擊過程中發(fā)生了彈性體碎裂，可知整個沖擊過程中防護(hù)層與水的作用還是比較復(fù)雜的。

3 測試樣件

根據(jù)仿真分析結(jié)果，可采用SHA90度和SHA95度的聚氨酯彈性體配方進(jìn)行防護(hù)方案制作，根據(jù)測量桿的結(jié)構(gòu)形式、傳感器及布設(shè)導(dǎo)線的粘貼位置進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。

圖3 測量桿入水沖擊過程仿真

圖4 SHA85度聚氨酯保護(hù)層入水沖擊結(jié)果

圖5 SHA90度聚氨酯保護(hù)層入水沖擊結(jié)果

圖6 SHA95度聚氨酯保護(hù)層入水沖擊結(jié)果

圖7 測量桿入水沖擊應(yīng)力結(jié)果

圖8 聚氨酯防護(hù)層入水沖擊應(yīng)力結(jié)果

制作過程中，由于SHA 95度聚氨酯在聚合物彈性體聚合生成過程中反應(yīng)劇烈，澆注成型時間不足50 s，在現(xiàn)有模具所采用自然流動澆注工藝的制約下，無法順利生產(chǎn)，因此最終采用SHA 90度的配方進(jìn)行了測量桿防護(hù)層的加工生產(chǎn)，該配方的固化時間約2 min，能夠滿足彈性體澆注的工藝控制要求。

加工后的測量桿進(jìn)行了真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下的高速入水沖擊測試，入水速度約90 m/s。測量桿防護(hù)層在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生損壞，應(yīng)變傳感器測試效果良好，試驗(yàn)后的測量桿如圖9所示。

圖9 聚氨酯防護(hù)層樣件試驗(yàn)后結(jié)果

4 結(jié)語

本文針對一例高速入水粘帖應(yīng)變片式測量桿裝置進(jìn)行了沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)，采用Ansys-Workbench軟件Autodyn分析模塊模擬了多種硬度材料作為防護(hù)層時結(jié)構(gòu)體入水的沖擊問題，通過分析入水沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)，彈性體沖擊碎裂、變形的仿真結(jié)果可以確定所選防護(hù)用材料的硬度。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高彈性聚氨酯材料作為高速入水沖擊環(huán)境下的傳感器防護(hù)方案可行，防護(hù)效果良好，可為澆注型聚氨酯在其他傳感器防護(hù)用途上提供參考。

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Research on Polyurethane Elastomer Properties for Sensor Protection under High Speed Water Impacting

GUO Yun-song,XU Heng-bin,LI Ping,PENG Yong-sheng
（704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China）

With the development of modern industries,the modern measurement technology proposes a new and higher requirement of sensor protection in the underwater structure measurement under high-speed water impact.In this paper,the tensile test and cohesion test of three polyurethane elastomer specimens of same PTMG prescription with different hardness are done.The parameters of the mechanical and cohesion properties of polyurethane are obtained.The Ansys-Workbench explicit dynamic software is employed to simulate the procedure of the high-speed water impact.One of the three specimens is selected whose hardness can satisfy the requirement in the impact environment.Finally,results of the impact test of the impact protection specimens are examined,which indicates that using the polyurethane elastomers for sensor protection under high-speed water impact is feasible.

shock;sensor;polyurethane;elastomer;explicit dynamic

TB52+.3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.043

1006-1355(2017)05-0210-04

2017-04-17

郭云松（1979－），男，蒙古族，遼寧省喀左縣人，高級工程師，目前從事船舶輔機(jī)設(shè)備減振降噪抗沖擊研究。

E-mail:kayunsong@163.com