飞行器管路异质界面损伤超声导波传播机理仿真分析

2021-12-15孙海亮陆浩然陈海鹏廖传军武园浩

宇航总体技术 2021年6期

孙海亮，陆浩然，陈海鹏，廖传军，武园浩

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076;2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

航天发射具有高投入、高风险特性。进入21世纪，包括美国在内的航天强国均把最大限度降低运载成本作为重要目标。近期低轨互联网星座发射需求呈爆炸式增长，迫切需要研究能多次使用的航天飞行器[1]。2013年年底，美国国防高级研究计划局正式发布“试验性太空飞机”(XS-1)项目的广泛机构公告，启动可重复使用太空飞机的方案研究。XS-1每次的发射费用低于500万美元，约为米诺陶4火箭的1/10。在重复使用飞行器众多关键技术与挑战中，健康管理和全面维护技术对改进运载飞行器安全性、可靠性、维修性和可操作性具有极其重要的影响。

输送管路是航天飞行器增压输送系统的关键产品，它的功能是使推进剂在不夹杂气体的情况下以一定的压力和流量从贮箱流向发动机。增压输送系统在运载器飞行过程中主要经历温度和振动环境变化，运载器返回地面后，对增压输送系统希望在不拆卸的情况下进行检测，判断是否出现失效、损伤，并判断损伤的严重程度，最终决定能否用于重复发射。作为运送推进剂的基本结构，长距离压力管道在增压输送系统中占有很大比重，并且由于受到飞行中温度和振动变化的影响，易产生周向焊缝裂纹损伤，因而是地面检测的重点部件。

增压输送系统管路的典型材料为奥氏体不锈钢，由于输送的推进剂中包含多种低温物质，如液氢(20 K)、液氧(88 K)、甲烷(173 K)等，管道的外表面包覆有厚20～30 mm由聚氨酯泡沫构成的绝热层。在对增压输送管路进行检测时，为了不影响装配精度，希望不拆卸检测、不去除绝热层，进一步增加了管路损伤的检测难度。

目前用于管路探伤的无损检测技术主要有漏磁法、超声法、射线法、涡流检测法等[2]，这些检测方法技术成熟、应用时间长、设备较为完善。但上述方法均为点检测方法，检测范围有限，检测速度慢，且检测时需要去除管道包覆层，因此不适于增压输送管路结构的检测。超声导波检测技术[3-5]是一种近年来新兴的无损检测方法，相比于传统的无损检测技术，超声导波检测法具有检测范围大，检测效率高，可一次检测管道全壁厚缺陷，检测时无需去除管道包覆层等突出优点，在可重复使用增压输送管路结构缺陷检测方面有广阔的应用前景。

本文使用有限元分析软件ABAQUS建立飞行器管路损伤和典型管路异质界面(焊缝、充气充液管路)模型，研究超声导波在管路损伤和典型异质界面耦合中传播机理。

1 管路损伤超声导波检测

1.1 检测原理

机械振动在弹性介质中的波称为弹性波(声波)，而频率大于20kHz的声波则称为超声波。当超声波被局限在具有边界的介质(如平板、管道等)内传播时，超声波将会在边界处不断地反射，从而沿着介质的方向传播形成超声导波，产生超声导波的这种具有边界的介质称为波导。由于波导的结构不同，在其中传播的导波频率和速度也相应发生变化。

用超声导波对管路进行无损检测时，可以通过信号发生装置产生激励信号，经功率放大器放大后由导波传感器在管路的一端激发超声导波。如果导波沿着没有损伤的管路传播，那么导波的群速度和相速度就基本保持一致。如果导波在传播过程中遇到界面不连续处(如管路损伤)，则可能发生反射、散射和模式转换，这样就会产生携带局部缺陷特征的回波[6]，如图1所示。通过对回波信号进行分析就可以确定缺陷的位置，回波幅值还能够用于损伤程度的评定。

图1 超声导波检测原理Fig.1 Detection mechanism of UGW

1.2 管路损伤检测

飞行器增压输送管路具有长距离、薄壁等特点，其典型结构如图2所示，由补偿器、硬管、弯管和法兰等构成。对于低温管路还有绝热结构，包覆在管路外表面。输送管路工作介质包括液氢(20 K)、液氧(88 K)、煤油(常温)、四氧化二氮(常温)或偏二甲肼(常温)。由于受到焊缝、补偿器、支架和法兰等传递路径的影响，管路损伤检测困难。此外，由于管路工作时力学环境和热环境恶劣、外部有包覆层、采用冗余设计提高可靠性等，管路损伤的检测难度进一步增大。常规无损检测方法不能满足飞行器增压输送管路损伤检测的苛刻要求。

图2 飞行器增压输送管路的典型结构Fig.2 Typical pipeline structures in the pressurization and propellant feed system of aircrafts

超声导波技术具有在传播路径上的能量衰减小，传播距离远，可实现大范围、全方位管路监测的优点，成为管路无损检测领域的研究热点。与传统无损检测技术相比，超声导波具有两个明显的优势：

1)导波在波导中传播时，能量衰减较小，传播的距离更远，且在接收点采集到的导波信号包含信息比较完整，通过信号分析可以得到整个管路的损伤状况；

2)导波在波导中传播时，可引起管路所有质点的振动，根据不同振动形态可以对管壁表面以及管壁内部的缺陷进行监测。超声导波技术不仅可以高效、快速、经济地检测到管路中存在的缺陷，而且超声导波易于激励和接收，受到该领域科研人员和工程技术人员的广泛关注。

2 管路动力学模型

2.1 几何模型

本文仿真分析的对象为航天飞行器中普遍使用的传输管路，由于管路应用的工况复杂多样，为简化分析，本文仿真分析主要使用直管和带焊缝管路，暂不考虑波纹管、焊接管嘴、突变结构等结构。

直管长度为1 200 mm，直径为50 mm，管壁厚度为1 mm，如图3所示。

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

带焊缝的管路中，焊缝布置在管路中部，焊缝厚度与管壁厚度一致，焊缝为环形，焊缝的宽度根据需求变化，焊缝上可设置裂纹，模拟焊接损坏工况，如图4所示。

图4 带焊缝管路模型Fig.4 Dynamic model of pipelines with welding seam

带裂纹的管路中部设置宽度为1 mm的裂纹，裂纹深度按仿真需求设置为穿透或不穿透管壁，裂纹布置方向分为环向，裂纹长度按仿真需求设置。

2.2 材料属性

本文仿真分析中的管路均采用低碳钢作为仿真材料，其材料参数如表1所示。

表1 材料参数

对于带有焊缝的管路，根据焊缝单向拉伸试验力学性能测试结果，焊缝密度和弹性模量等材料参数一般为母材的0.85～0.95倍，本文设置为0.9，参数如表2所示。

表2 焊缝材料参数

3 仿真分析参数设置

3.1 时间步设置

显式有限元相对于隐式有限元的优点是能够捕捉高频振荡，对于碰撞、冲击这种瞬时高速工况ABAQUS/Explicit模块具有良好的适用和稳定度，是管路损伤仿真分析的首选。

设置两个时间步，在第1时间步中施加位移振荡激励，然后在第2个时间步中令其失效，使得管路在一定的约束条件下振荡。第1个时间步步长为0.0 001 s，意味着激励发生在很短的时间内；第2个时间步长为0.001 s，用于捕捉管路振荡数据。

3.2 边界条件设置

本文中的仿真分析共设置2个边界条件，如图5～6所示。第1个边界条件为位移激励(振荡激励)，激励施加在管路始端(坐标Z=0处)并在第1个时间步内激活，在第2个时间步内失效；第2个边界条件为位移约束，约束施加在管壁(或外层结构)最外层节点，约束管路的横向运动(x和y方向)，轴向无约束。

图5 边界条件设置Fig.5 Boundary conditions

图6 激励信号Fig.6 Excitation signals

4 仿真结果分析

4.1 带裂纹管路

在直管中部设置环向裂纹，裂纹深度分别为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mm，裂纹为管路截面圆上一部分，对应圆心角为30°，长度约为13 mm。裂纹位置和裂纹深度如7所示。

图7 不同深度的裂纹Fig.7 Cracks with different depths

管路始端(Z=0)施加激励，计算结束后采集管路始端位移时程数据，如图8所示。放大第1个裂纹回波可以看到，不同深度的裂纹引起回波的最大振幅不一样，裂纹深度越大，回波的振幅越大，如图9所示。

图8 始端节点位移时程曲线Fig.8 Waveform of the beginning node

图9 不同深度裂纹的响应波形Fig.9 Response waveforms of cracks with different depths

提取不同深度管路裂纹回波数据，绘制裂纹深度/最大裂纹回波振幅关系曲线，如10所示。

从图10可以看出，当裂纹未穿透管壁时，裂纹回波的最大振幅与裂纹深度基本呈线性正比关系；当裂纹穿透管壁后，裂纹回波的最大振幅突然增大，但仍呈单调正相关关系。由此得知，可以根据响应波形的幅值，反推出管路损伤程度，为管路损伤定量评估提供理论依据。

图10 回波振幅与裂纹深度关系Fig.10 Relationship between waveform and crack depth

4.2 带焊缝管路

在直管中部设置宽度分别为1，2，5，10 mm的焊缝，并设置固定穿透裂纹，裂纹所对圆心角为90°，裂纹与焊缝位置以及焊缝宽度如图11和图12所示。

图11 裂纹与焊缝位置Fig.11 Locations of crack and welding seam

图12 不同的焊缝宽度Fig.12 Welding seams of different widths

管路始端(Z=0)施加激励，计算结束后提取管路始端位移时程数据，放大第1个裂纹回波可以看到回波振幅略有不同，如图13所示。可以看出，当裂纹固定不变，焊缝的宽度不断增大时，管路始端接收到的回波幅值基本一致。结果表明，焊缝存在对超声导波在管壁中的传播影响不大，可以利用超声导波检测含焊缝管路的损伤特征。

图13 不同宽度焊缝的响应波形Fig.13 Waveforms of different welding seam widths

4.3 充气/液管路

由于超声导波在管路中传播时，管壁是波导，管路内的气体/液体介质对超声导波的传播影响较小。以充气管路为研究对象，气压为1 MPa。为防止管壁穿透气体泄漏，管路中部设置深度为0.8 mm 的裂纹，裂纹对应圆心角分别为12°，30°，48°，90°，120°，180°，裂纹形貌如图14所示。

图14 不同裂纹长度充气管路Fig.14 Pipelines with cracks of different lengths

导管内壁施加1 MPa气压，如图15所示。

图15 压力边界条件Fig.15 Pressure boundary condition

管路始端(Z=0)施加激励，计算结束后采集导管始端的振荡回波，放大第1个裂纹回波可以看到，不同长度的裂纹引起回波的振幅不同，裂纹回波的最大振幅与裂纹长度基本呈线性正比关系，如图16所示。

图16 裂纹响应波形Fig.16 Response waveforms of pipelines with cracks

和无气压管路的振荡曲线进行对比，如图17所示。可以看出，当导管内为真空时(无气压)，裂纹回波的振荡波形与充气时基本一致。充液管路的仿真结果与充气管路一致。上述结果表明，气压/液压的存在不影响超声导波在管壁中的传播，可以利用超声导波提取充气/充液管路的损伤特征。

图17 裂纹响应波形对比Fig.17 Waveform comparisons with/without pressure

4.4 仿真结果与试验结果比较

以带裂纹管路为例，比较仿真分析结果与试验结果[7-8]。本次试验中使用的带损伤管路如图18所示，管路长度为1 200 mm，直径为Ø30 mm，壁厚为1 mm。激发用PZT传感器和接收传感器布置在管路左端；在管路中间用线切割方法预制裂纹，裂纹损伤处距接收传感器的距离约为250 mm，损伤深度为0.3 mm。

图18 带损伤的试验管路Fig.18 Experiment pipeline with artificial damage

激励信号是加窗调制的窄带单频正弦信号，信号具有精确的中心频率和有限带宽，这有助于减少无用频率成分并且降低传播过程中的频散效应。本次试验中，激励信号选择Hanning窗调制的中心频率为80 Hz的单频信号。采样频率为2.5 MHz。检测信号的处理结果如图19所示，激励信号波包和端面反射信号波包形状清晰，此外，损伤信号波包同样很清晰。在信号降噪结果的Hilbert包络中，激励波包包络和损伤波包包络的距离等于损伤到接收传感器的距离。