武小峰　宮永輝　胡由宏　王偉　田玉坤

摘要：? ? ? 針對(duì)陶瓷導(dǎo)彈天線罩靜熱試驗(yàn)中失效評(píng)估的技術(shù)難點(diǎn)， 本文介紹了基于宏觀斷裂形貌分析、 斷裂過程的聲發(fā)射和高速攝像監(jiān)測(cè)、 陶瓷罩體表面位移/應(yīng)變測(cè)試， 以及失效形式的仿真分析等多種失效分析方法、 分析流程及其試驗(yàn)應(yīng)用案例， 并指出了各種分析技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：? ? ?失效分析; 宏觀斷裂形貌; 聲發(fā)射; 高速攝像; 位移/應(yīng)變; 數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：? ? ? TJ760; V216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? A文章編號(hào)：? ? ?1673-5048（2020）02-0077-07

0引言

陶瓷導(dǎo)彈天線罩結(jié)構(gòu)通常由陶瓷罩體和膨脹系數(shù)接近的連接環(huán)組成， 如圖1所示， 罩體和連接環(huán)之間通過膠接或螺接方式進(jìn)行連接， 其整體固定于彈體之上。 此外為了防止雨蝕對(duì)天線罩性能產(chǎn)生影響， 部分天線罩還帶有雨蝕頭結(jié)構(gòu)。

靜熱試驗(yàn)是考核評(píng)估陶瓷導(dǎo)彈天線罩整體力熱性能的最主要的一種試驗(yàn)方法， 如圖2所示。 其利用石英燈、 石墨等加熱元件的高溫輻射換熱特性， 對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加熱， 并采用伺服油缸等加載設(shè)備實(shí)現(xiàn)力學(xué)載荷的施加。 根據(jù)考核目的的不同， 陶瓷天線罩的靜熱試驗(yàn)分為靜力試驗(yàn)、 熱沖擊試驗(yàn)， 以及靜熱聯(lián)合試驗(yàn)三種類型。

失效分析是以失效機(jī)理為依據(jù)， 通過對(duì)試驗(yàn)過程和結(jié)果信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析， 全面推斷失效形式， 獲取失效原因。 陶瓷導(dǎo)彈天線罩在地面靜熱試驗(yàn)中的失效形式主要可以分為陶瓷罩體斷裂失效、 罩體與連接環(huán)之間的脫粘失效兩大類。 其中，? 脫粘失效多由粘結(jié)膠層的膠接強(qiáng)度不足或超溫使用所導(dǎo)致， 其機(jī)理相對(duì)清晰， 現(xiàn)象較為明確; 而陶瓷罩體的斷裂失效機(jī)理復(fù)雜， 多種因素均會(huì)導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象的發(fā)生， 包括材料缺陷、 力熱承載性能不足、 熱匹配問題等; 再加上陶瓷斷裂速度較快， 開裂過程難以捕捉， 因此關(guān)于陶瓷罩體斷裂的失效分析成為地面試驗(yàn)結(jié)果分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的技術(shù)難點(diǎn)。 表1列出了陶瓷天線罩典型失效形式、 機(jī)理及現(xiàn)象， 從中可以看出， 陶瓷罩體斷裂起始位置的判斷是失效分析的關(guān)鍵。

基于大量靜熱試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累， 目前常用于陶瓷罩體斷裂失效及其起始定位的分析方法主要有： 宏觀斷裂形貌分析[1]、 斷裂過程的聲發(fā)射和高速攝像監(jiān)測(cè)、 陶瓷罩體表面位移/應(yīng)變測(cè)試， 以及失效形式的仿真分析[2-3]等。 通過這些技術(shù)手段， 可以綜合判斷分析陶瓷天線罩的失效起始位置和失效機(jī)理， 為故障分析和進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)服務(wù)。 本文將對(duì)上述幾種分析方法、 流程及其試驗(yàn)應(yīng)用案例進(jìn)行介紹， 并指出各種分析技術(shù)的發(fā)展方向。

1失效分析方法

1.1宏觀斷裂形貌分析方法

熱沖擊或力載荷較小的靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中， 陶瓷罩體斷裂失效多由陶瓷與連接環(huán)或雨蝕頭的熱匹配差異引起， 其斷裂形貌簡(jiǎn)單， 如圖3所示， 裂紋通常起源于連接部位， 罩體表面只有少數(shù)幾條裂紋， 開裂后的罩體結(jié)構(gòu)完整。

靜力試驗(yàn)或力載荷較大的靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中， 陶瓷罩體在初始失效后， 由于加載系統(tǒng)的慣性作用， 會(huì)引發(fā)二次破壞， 導(dǎo)致表面裂紋形貌復(fù)雜， 罩體結(jié)構(gòu)破碎。 典型的斷裂形貌如圖4所示。 復(fù)雜斷裂形貌阻礙了陶瓷罩體斷裂失效起始位置的判斷， 進(jìn)而給天線罩的失效分析帶來了困難。

宏觀裂紋形貌分析是判定初始裂紋源位置最基礎(chǔ)、 最簡(jiǎn)便的一種方法。 將陶瓷罩體碎片進(jìn)行拼合后， 可以依照T形法和分叉法[4]進(jìn)行裂紋先后順序及走向分析， 進(jìn)而判斷裂紋源的位置。 T形法是指當(dāng)試件表面的裂紋構(gòu)成T形關(guān)系時(shí)， 可以根據(jù)裂紋的相對(duì)位置來確定主裂紋， 即裂紋的先后順序。 如圖5（a）所示， 由于裂紋A阻止了裂紋B， C的穿過， 因此A裂紋形成在前， 為主裂紋， B， C裂紋在后， 為次裂紋。 分叉法是指裂紋在擴(kuò)展過程中， 往往會(huì)引生出多條分支裂紋或分叉裂紋。 由于分支裂紋或分叉裂紋是從主裂紋引生的， 因此裂紋的擴(kuò)展方向?yàn)閺闹髁鸭y向分叉或分支裂紋方向， 分叉或分支裂紋匯集的裂紋為主裂紋。

另外， 根據(jù)陶瓷罩體的斷口人字紋路也可以輔助判斷裂紋走向[5-6]。 人字紋路是脆性斷裂的顯著宏觀特征， 如圖6所示， 這種特征一方面表征裂紋在該區(qū)的擴(kuò)展是不穩(wěn)定的、 快速的; 另一方面， 沿著放射方向的逆向或人字紋尖頂可以追溯到裂紋源所在位置。

通過上述宏觀斷裂形貌分析方法， 可以初步確定靜熱試驗(yàn)中斷裂失效的起始區(qū)域， 這為失效形式的進(jìn)一步分析和判定提供了事實(shí)依據(jù)。 盡管如此， 該方法對(duì)分析人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高， 分析結(jié)果受主觀因素影響較大; 另外該方法對(duì)于特別復(fù)雜的斷裂形貌的失效位置判斷仍存在一定困難。 因此， 借助其他測(cè)試分析手段來對(duì)宏觀斷裂形貌分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證， 將主觀經(jīng)驗(yàn)提煉為客觀規(guī)律， 并建立相關(guān)分析比對(duì)數(shù)據(jù)庫， 是未來該項(xiàng)技術(shù)手段的主要發(fā)展方向。

1.2聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析方法

聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生變形或斷裂時(shí)， 以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[4]。 彈性波形式的聲信號(hào)攜帶有大量有價(jià)值的缺陷信息， 通過壓電陶瓷等材料制成的信號(hào)接收設(shè)備， 對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行捕捉分析， 可以獲取材料或結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、 實(shí)時(shí)的特點(diǎn)， 能夠連續(xù)監(jiān)控結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷演化的全過程。

陶瓷材料由于斷裂時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)幅值較高， 因此用聲發(fā)射手段來研究陶瓷材料的斷裂失效過程是非常有效的[7-10]。 根據(jù)斷裂聲信號(hào)傳播距離引起的時(shí)間差異， 可以利用多個(gè)聲發(fā)射傳感器， 布置在陶瓷天線罩表面的不同位置， 進(jìn)而通過信號(hào)分析確定失效發(fā)生的位置。 常溫靜力試驗(yàn)中， 聲發(fā)射傳感器一般布置在陶瓷罩體表面， 如圖7（a）所示; 高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)或靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中， 由于陶瓷表面溫度較高， 可能超過傳感器的耐溫范圍， 因此通常將傳感器布置在連接工裝上， 如圖7（b）所示， 并采用隔熱材料進(jìn)行熱防護(hù)。 需要指出的是， 陶瓷天線罩與轉(zhuǎn)接工裝之間的連接狀態(tài)會(huì)影響到高溫試驗(yàn)中聲信號(hào)的傳播路徑， 因此通過對(duì)連接表面進(jìn)行處理， 保證連接狀態(tài)的一致性是十分必要的。

圖8為某陶瓷基復(fù)合材料天線罩靜力試驗(yàn)聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果， 可以看出位于不同位置的傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)的幅值及時(shí)刻不同; 信號(hào)幅值由通道6， 5， 2， 1依次降低， 同時(shí)信號(hào)到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)刻依次增加， 因此可以確定信號(hào)源發(fā)生在通道6傳感器附近。

另外， 試驗(yàn)前通過對(duì)小試樣進(jìn)行不同加載模式下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)， 并與正式試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比， 可進(jìn)一步獲取天線罩的破壞模式。 圖9為小試樣在拉伸和三點(diǎn)彎曲破壞情況下的典型聲發(fā)射信號(hào)， 其中拉伸情況下， 破壞特征為多個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)， 且衰減過程持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間; 三點(diǎn)彎曲情況下， 破壞特征同樣為多個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)， 但衰減過程較快。 與圖8結(jié)果對(duì)比， 可知天線罩的信號(hào)特征與小試樣三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射信號(hào)特征一致， 其破壞模式近似于三點(diǎn)彎曲破壞。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法靈敏度高、 失效定位準(zhǔn)確， 已成為當(dāng)前陶瓷天線罩靜熱試驗(yàn)中破壞監(jiān)測(cè)的一種重要技術(shù)手段。 盡管如此， 聲發(fā)射技術(shù)后續(xù)仍需解決傳感器耐高溫、 安裝界面聲信號(hào)傳遞， 以及破壞特征的信號(hào)處理和識(shí)別分析等問題， 以進(jìn)一步提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和有效性。

1.3高速攝像監(jiān)測(cè)分析方法

除聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方式外， 高速攝像是監(jiān)測(cè)斷裂過程最直觀的技術(shù)手段。 陶瓷材料裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的速度極限低于聲速的38%[11]， 因此采用百萬幀/秒的高速攝像設(shè)備， 足以滿足陶瓷材料和結(jié)構(gòu)厘米量級(jí)斷裂觀測(cè)的需要。

針對(duì)陶瓷材料或結(jié)構(gòu)在力熱載荷作用下斷裂過程的高速攝像， 已有大量的研究報(bào)道[10，12-16]。 但在天線罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中的應(yīng)用仍存在一定的困難。 首先， 加熱器反射板的存在， 使得高速相機(jī)無法拍攝到天線罩的全貌， 局部斷裂過程只能通過預(yù)制的窗口進(jìn)行觀測(cè); 另外， 為了保證存儲(chǔ)效率， 高速相機(jī)的分辨率普遍較低（一百萬像素左右）， 再加上石英燈的輻射加熱和強(qiáng)光干擾， 使得高速相機(jī)只能放置于安全距離（0.5 m）以外， 并需要采取相應(yīng)的濾光措施（如帶通鏡片）， 這大大降低了拍攝的清晰度。 圖10為高速攝像在天線罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中的探索應(yīng)用， 通過對(duì)比連續(xù)3幀的圖像可以看出， 高速攝像捕捉到了裂紋從無到有， 由左至右的擴(kuò)展過程。

1.4表面位移/應(yīng)變測(cè)試分析方法

表面位移和應(yīng)變是結(jié)構(gòu)在力熱載荷作用下的重要力學(xué)響應(yīng)參數(shù)， 其測(cè)試方法及數(shù)據(jù)分析成為陶瓷天線罩失效評(píng)估的重要技術(shù)途徑。 目前靜熱試驗(yàn)中表面位移和應(yīng)變測(cè)試手段主要包括頂桿式位移計(jì)、 激光位移計(jì)、 靜態(tài)電阻應(yīng)變計(jì)、 光纖應(yīng)變傳感器， 以及數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）設(shè)備等。

傳統(tǒng)位移測(cè)試方法通過接觸（頂桿式）或非接觸（激光）手段， 獲取試驗(yàn)件法線方向位移， 它具有形式簡(jiǎn)單、 可靠性高、 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。 在陶瓷天線罩靜熱試驗(yàn)中， 為了綜合分析天線罩結(jié)構(gòu)的變形情況， 通常在陶瓷天線罩頂端、 根部、 連接鋼環(huán)及底座位置布置相應(yīng)傳感器， 如圖11所示。 高溫試驗(yàn)環(huán)境下， 為了保護(hù)傳感器， 同時(shí)不影響位移測(cè)試精度， 傳感器前端加裝低熱膨脹系數(shù)的石英玻璃桿來傳遞位移。

獲取位移數(shù)據(jù)后， 通過與加載數(shù)據(jù)對(duì)比， 可以較為明顯地分析出天線罩結(jié)構(gòu)的承載模式變化， 進(jìn)而為失效分析提供數(shù)據(jù)支持。 圖12為某天線罩靜力試驗(yàn)的位移與加載曲線， 可以看出位移曲線的變化趨勢(shì)與加載曲線一致; 100 s左右載荷基本回零時(shí)， 連接環(huán)與底座位移回零， 而陶瓷罩體頂端與根部位移未回零， 說明罩體根部與連接環(huán)之間的連接膠層狀態(tài)發(fā)生變化， 陶瓷罩體有輕微拔出現(xiàn)象; 330 s左右， 試驗(yàn)件發(fā)生斷裂破壞， 各個(gè)傳感器的位移數(shù)據(jù)均發(fā)生不同程度的階躍變化; 此外， 由圖12（b）可知， 整個(gè)試驗(yàn)過程中， 頂端位移與根部位移的比例基本保持不變， 體現(xiàn)了陶瓷罩體的剛性特征， 而根部位移與連接環(huán)位移之比隨載荷的變化而改變， 說明了連接膠層在試驗(yàn)過程中連接狀態(tài)的非線性。

目前常用于陶瓷天線罩表面應(yīng)變測(cè)試的技術(shù)手段是靜態(tài)電阻應(yīng)變計(jì)。 在陶瓷天線罩靜力試驗(yàn)中， 通常采用常溫電阻應(yīng)變計(jì)， 分別通過粘貼和焊接方式， 將應(yīng)變計(jì)安裝于陶瓷罩體和殷鋼環(huán)（也可粘貼）表面重點(diǎn)關(guān)注的位置， 例如受拉面或受壓面根部區(qū)域， 如圖13（a）所示。 在熱沖擊試驗(yàn)和靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中， 由于陶瓷罩體外表面溫度較高， 需要采用高溫電阻應(yīng)變計(jì)。 在實(shí)際應(yīng)用中， 考慮到使用成本以及測(cè)試可靠性問題， 高溫情況下， 陶瓷罩體外表面一般不進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量， 只在溫度較低的罩體內(nèi)表面或殷鋼環(huán)表面開展應(yīng)變測(cè)試， 如圖13（b）所示。

圖14為某天線罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中陶瓷罩體內(nèi)壁軸向應(yīng)變以及相應(yīng)加載和溫度曲線。 由圖可知， 在30 s以內(nèi)， 陶瓷罩體內(nèi)壁溫度較低， 各個(gè)位置的應(yīng)變曲線與加載曲線的變化規(guī)律一致， 受拉側(cè)應(yīng)變（E_A， E_C）為正， 受壓側(cè)應(yīng)變（E_B）為負(fù)， 應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng); 30 s后， 罩體溫度逐漸升高， 引起的熱應(yīng)變逐漸增大， 導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)變無法正常識(shí)別， 因此在高溫環(huán)境下， 需要考慮應(yīng)變計(jì)與被測(cè)材料的熱匹配性， 開展熱輸出標(biāo)定試驗(yàn)來對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 盡管如此， 由于高溫環(huán)境下熱應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中的占比較大， 對(duì)于熱輸出標(biāo)定的誤差分析成為機(jī)械應(yīng)變識(shí)別和提取的關(guān)鍵和攻關(guān)方向。

此外， 光纖應(yīng)變傳感器和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測(cè)試方法也逐漸應(yīng)用在陶瓷天線罩靜熱試驗(yàn)中。 其中光纖應(yīng)變傳感器（如圖15所示）的使用溫度可以超過1 000 ℃[17]， 在高溫試驗(yàn)中具有很廣闊的應(yīng)用前景; 而數(shù)字圖像相關(guān)方法具有全場(chǎng)和非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)， 但在高溫試驗(yàn)中仍需克服強(qiáng)光線、 煙霧的干擾， 以及加熱器遮擋的影響。

1.5數(shù)值仿真分析方法

理論解析、 試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值仿真是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三種最主要的途徑。 對(duì)于陶瓷天線罩， 數(shù)值仿真分析方法克服了理論解析模型過于簡(jiǎn)化， 以及試驗(yàn)驗(yàn)證成本高昂等缺點(diǎn)， 成為其中最高效的技術(shù)手段， 并廣泛應(yīng)用于天線罩的設(shè)計(jì)改進(jìn)[18-21]和失效分析[2-3]中。

[19] 劉鋒， 許斌. 導(dǎo)彈天線罩參數(shù)化有限元建模和熱可靠性分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（S1）： 337-341.

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Zhao Wenpeng. FEM Modeling Simulation and Theoretical Design of Hypersonic Missile Radome [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2007. （in Chinese）

Abstract： Aiming at the technical difficulties of the failure evaluation for ceramic radome in thermal-mechanical test， the failure analysis methods， procedure， and application case based on macroscopic cracking morphology analysis， acoustic emission and high speed camera monitoring of cracking process， the surface displacement and strain test of ceramic radome， and numerical simulation of the failure mode are introduced in this paper， and the development directions of various analysis technologies are given.

Key words： failure analysis; macroscopic cracking morphology; acoustic emission; high speed camera; displacement/strain; numerical simulation