飛行器管路異質(zhì)界面損傷超聲導(dǎo)波傳播機(jī)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(tǒng)工程研究所，北京 100076;2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

航天發(fā)射具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)特性。進(jìn)入21世紀(jì)，包括美國(guó)在內(nèi)的航天強(qiáng)國(guó)均把最大限度降低運(yùn)載成本作為重要目標(biāo)。近期低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)射需求呈爆炸式增長(zhǎng)，迫切需要研究能多次使用的航天飛行器[1]。2013年年底，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正式發(fā)布“試驗(yàn)性太空飛機(jī)”(XS-1)項(xiàng)目的廣泛機(jī)構(gòu)公告，啟動(dòng)可重復(fù)使用太空飛機(jī)的方案研究。XS-1每次的發(fā)射費(fèi)用低于500萬(wàn)美元，約為米諾陶4火箭的1/10。在重復(fù)使用飛行器眾多關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)中，健康管理和全面維護(hù)技術(shù)對(duì)改進(jìn)運(yùn)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(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品，它的功能是使推進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)。增壓輸送系統(tǒng)在運(yùn)載器飛行過(guò)程中主要經(jīng)歷溫度和振動(dòng)環(huán)境變化，運(yùn)載器返回地面后，對(duì)增壓輸送系統(tǒng)希望在不拆卸的情況下進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否出現(xiàn)失效、損傷，并判斷損傷的嚴(yán)重程度，最終決定能否用于重復(fù)發(fā)射。作為運(yùn)送推進(jìn)劑的基本結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)距離壓力管道在增壓輸送系統(tǒng)中占有很大比重，并且由于受到飛行中溫度和振動(dòng)變化的影響，易產(chǎn)生周向焊縫裂紋損傷，因而是地面檢測(cè)的重點(diǎn)部件。

增壓輸送系統(tǒng)管路的典型材料為奧氏體不銹鋼，由于輸送的推進(jìn)劑中包含多種低溫物質(zhì)，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(gòu)成的絕熱層。在對(duì)增壓輸送管路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了不影響裝配精度，希望不拆卸檢測(cè)、不去除絕熱層，進(jìn)一步增加了管路損傷的檢測(cè)難度。

目前用于管路探傷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有漏磁法、超聲法、射線法、渦流檢測(cè)法等[2]，這些檢測(cè)方法技術(shù)成熟、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備較為完善。但上述方法均為點(diǎn)檢測(cè)方法，檢測(cè)范圍有限，檢測(cè)速度慢，且檢測(cè)時(shí)需要去除管道包覆層，因此不適于增壓輸送管路結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)[3-5]是一種近年來(lái)新興的無(wú)損檢測(cè)方法，相比于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲導(dǎo)波檢測(cè)法具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)效率高，可一次檢測(cè)管道全壁厚缺陷，檢測(cè)時(shí)無(wú)需去除管道包覆層等突出優(yōu)點(diǎn)，在可重復(fù)使用增壓輸送管路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方面有廣闊的應(yīng)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(zhì)界面(焊縫、充氣充液管路)模型，研究超聲導(dǎo)波在管路損傷和典型異質(zhì)界面耦合中傳播機(jī)理。

1 管路損傷超聲導(dǎo)波檢測(cè)

1.1 檢測(cè)原理

機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)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(dāng)超聲波被局限在具有邊界的介質(zhì)(如平板、管道等)內(nèi)傳播時(shí)，超聲波將會(huì)在邊界處不斷地反射，從而沿著介質(zhì)的方向傳播形成超聲導(dǎo)波，產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的這種具有邊界的介質(zhì)稱為波導(dǎo)。由于波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不同，在其中傳播的導(dǎo)波頻率和速度也相應(yīng)發(fā)生變化。

用超聲導(dǎo)波對(duì)管路進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后由導(dǎo)波傳感器在管路的一端激發(fā)超聲導(dǎo)波。如果導(dǎo)波沿著沒(méi)有損傷的管路傳播，那么導(dǎo)波的群速度和相速度就基本保持一致。如果導(dǎo)波在傳播過(guò)程中遇到界面不連續(xù)處(如管路損傷)，則可能發(fā)生反射、散射和模式轉(zhuǎn)換，這樣就會(huì)產(chǎn)生攜帶局部缺陷特征的回波[6]，如圖1所示。通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)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(píng)定。

圖1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理Fig.1 Detection mechanism of UGW

1.2 管路損傷檢測(cè)

飛行器增壓輸送管路具有長(zhǎng)距離、薄壁等特點(diǎn)，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，由補(bǔ)償器、硬管、彎管和法蘭等構(gòu)成。對(duì)于低溫管路還有絕熱結(jié)構(gòu)，包覆在管路外表面。輸送管路工作介質(zhì)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(bǔ)償器、支架和法蘭等傳遞路徑的影響，管路損傷檢測(cè)困難。此外，由于管路工作時(shí)力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境惡劣、外部有包覆層、采用冗余設(shè)計(jì)提高可靠性等，管路損傷的檢測(cè)難度進(jìn)一步增大。常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法不能滿足飛行器增壓輸送管路損傷檢測(cè)的苛刻要求。

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

超聲導(dǎo)波技術(shù)具有在傳播路徑上的能量衰減小，傳播距離遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、全方位管路監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，成為管路無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：

1)導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，能量衰減較小，傳播的距離更遠(yuǎn)，且在接收點(diǎn)采集到的導(dǎo)波信號(hào)包含信息比較完整，通過(guò)信號(hào)分析可以得到整個(gè)管路的損傷狀況；

2)導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，可引起管路所有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，根據(jù)不同振動(dòng)形態(tài)可以對(duì)管壁表面以及管壁內(nèi)部的缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲導(dǎo)波技術(shù)不僅可以高效、快速、經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)到管路中存在的缺陷，而且超聲導(dǎo)波易于激勵(lì)和接收，受到該領(lǐng)域科研人員和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

2 管路動(dòng)力學(xué)模型

2.1 幾何模型

本文仿真分析的對(duì)象為航天飛行器中普遍使用的傳輸管路，由于管路應(yīng)用的工況復(fù)雜多樣，為簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。

直管長(zhǎng)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(huán)形，焊縫的寬度根據(jù)需求變化，焊縫上可設(shè)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(shè)置寬度為1 mm的裂紋，裂紋深度按仿真需求設(shè)置為穿透或不穿透管壁，裂紋布置方向分為環(huán)向，裂紋長(zhǎng)度按仿真需求設(shè)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(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

對(duì)于帶有焊縫的管路，根據(jù)焊縫單向拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，焊縫密度和彈性模量等材料參數(shù)一般為母材的0.85～0.95倍，本文設(shè)置為0.9，參數(shù)如表2所示。

表2 焊縫材料參數(shù)

3 仿真分析參數(shù)設(shè)置

3.1 時(shí)間步設(shè)置

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

設(shè)置兩個(gè)時(shí)間步，在第1時(shí)間步中施加位移振蕩激勵(lì)，然后在第2個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)間步步長(zhǎng)為0.0 001 s，意味著激勵(lì)發(fā)生在很短的時(shí)間內(nèi)；第2個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，用于捕捉管路振蕩數(shù)據(jù)。

3.2 邊界條件設(shè)置

本文中的仿真分析共設(shè)置2個(gè)邊界條件，如圖5～6所示。第1個(gè)邊界條件為位移激勵(lì)(振蕩激勵(lì))，激勵(lì)施加在管路始端(坐標(biāo)Z=0處)并在第1個(gè)時(shí)間步內(nèi)激活，在第2個(gè)時(shí)間步內(nèi)失效；第2個(gè)邊界條件為位移約束，約束施加在管壁(或外層結(jié)構(gòu))最外層節(jié)點(diǎn)，約束管路的橫向運(yùn)動(dòng)(x和y方向)，軸向無(wú)約束。

圖5 邊界條件設(shè)置Fig.5 Boundary conditions

圖6 激勵(lì)信號(hào)Fig.6 Excitation signals

4 仿真結(jié)果分析

4.1 帶裂紋管路

在直管中部設(shè)置環(huán)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(duì)應(yīng)圓心角為30°，長(zhǎng)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(lì)，計(jì)算結(jié)束后采集管路始端位移時(shí)程數(shù)據(jù)，如圖8所示。放大第1個(gè)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(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.8 Waveform of the beginning node

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

提取不同深度管路裂紋回波數(shù)據(jù)，繪制裂紋深度/最大裂紋回波振幅關(guān)系曲線，如10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)裂紋未穿透管壁時(shí)，裂紋回波的最大振幅與裂紋深度基本呈線性正比關(guān)系；當(dāng)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(diào)正相關(guān)關(guān)系。由此得知，可以根據(jù)響應(yīng)波形的幅值，反推出管路損傷程度，為管路損傷定量評(píng)估提供理論依據(jù)。

圖10 回波振幅與裂紋深度關(guān)系Fig.10 Relationship between waveform and crack depth

4.2 帶焊縫管路

在直管中部設(shè)置寬度分別為1，2，5，10 mm的焊縫，并設(shè)置固定穿透裂紋，裂紋所對(duì)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(lì)，計(jì)算結(jié)束后提取管路始端位移時(shí)程數(shù)據(jù)，放大第1個(gè)裂紋回波可以看到回波振幅略有不同，如圖13所示?？梢钥闯?，當(dāng)裂紋固定不變，焊縫的寬度不斷增大時(shí)，管路始端接收到的回波幅值基本一致。結(jié)果表明，焊縫存在對(duì)超聲導(dǎo)波在管壁中的傳播影響不大，可以利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)含焊縫管路的損傷特征。

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

4.3 充氣/液管路

由于超聲導(dǎo)波在管路中傳播時(shí)，管壁是波導(dǎo)，管路內(nèi)的氣體/液體介質(zhì)對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播影響較小。以充氣管路為研究對(duì)象，氣壓為1 MPa。為防止管壁穿透氣體泄漏，管路中部設(shè)置深度為0.8 mm 的裂紋，裂紋對(duì)應(yīng)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(zhǎng)度充氣管路Fig.14 Pipelines with cracks of different lengths

導(dǎo)管內(nèi)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(lì)，計(jì)算結(jié)束后采集導(dǎo)管始端的振蕩回波，放大第1個(gè)裂紋回波可以看到，不同長(zhǎng)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(zhǎng)度基本呈線性正比關(guān)系，如圖16所示。

圖16 裂紋響應(yīng)波形Fig.16 Response waveforms of pipelines with cracks

和無(wú)氣壓管路的振蕩曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示?？梢钥闯?，當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)為真空時(shí)(無(wú)氣壓)，裂紋回波的振蕩波形與充氣時(shí)基本一致。充液管路的仿真結(jié)果與充氣管路一致。上述結(jié)果表明，氣壓/液壓的存在不影響超聲導(dǎo)波在管壁中的傳播，可以利用超聲導(dǎo)波提取充氣/充液管路的損傷特征。

圖17 裂紋響應(yīng)波形對(duì)比Fig.17 Waveform comparisons with/without pressure

4.4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

以帶裂紋管路為例，比較仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[7-8]。本次試驗(yàn)中使用的帶損傷管路如圖18所示，管路長(zhǎng)度為1 200 mm，直徑為?30 mm，壁厚為1 mm。激發(fā)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(yù)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(yàn)管路Fig.18 Experiment pipeline with artificial damage

激勵(lì)信號(hào)是加窗調(diào)制的窄帶單頻正弦信號(hào)，信號(hào)具有精確的中心頻率和有限帶寬，這有助于減少無(wú)用頻率成分并且降低傳播過(guò)程中的頻散效應(yīng)。本次試驗(yàn)中，激勵(lì)信號(hào)選擇Hanning窗調(diào)制的中心頻率為80 Hz的單頻信號(hào)。采樣頻率為2.5 MHz。檢測(cè)信號(hào)的處理結(jié)果如圖19所示，激勵(lì)信號(hào)波包和端面反射信號(hào)波包形狀清晰，此外，損傷信號(hào)波包同樣很清晰。在信號(hào)降噪結(jié)果的Hilbert包絡(luò)中，激勵(lì)波包包絡(luò)和損傷波包包絡(luò)的距離等于損傷到接收傳感器的距離。

圖19 試驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果Fig.19 Detection result of experiment signals

分析結(jié)果表明，對(duì)于帶裂紋管路，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果一致，管路損傷處會(huì)發(fā)生反射、散射和模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了攜帶局部缺陷特征的回波，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析就可以確定缺陷的位置。

5 結(jié)論

管路中的環(huán)向裂紋深度越大，產(chǎn)生的裂紋回波響應(yīng)波形的振幅越大，呈正相關(guān)關(guān)系，可根據(jù)超聲導(dǎo)波響應(yīng)波形的大小反推出管路裂紋深度，為管路損傷定量評(píng)估提供理論依據(jù)。

對(duì)于帶有焊縫的管路，不同的焊縫寬度其響應(yīng)波形變化不大，仿真結(jié)果表明焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波在管壁中的傳播影響不大，可以利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)含焊縫管路的損傷特征。

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