碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像檢測(cè)技術(shù)研究

何華鋒 熊建平 王曉勇 李忠仕

裝配·檢測(cè)

碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像檢測(cè)技術(shù)研究

何華鋒 熊建平 王曉勇 李忠仕

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432100）

采用DR成像檢測(cè)技術(shù)，對(duì)碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度進(jìn)行測(cè)量技術(shù)研究，通過(guò)成像軟件的數(shù)據(jù)采集、圖像處理分析、數(shù)值讀取等方法研究，確定絕熱層厚度DR成像檢測(cè)技術(shù)方法。研究結(jié)果表明，DR成像檢測(cè)技術(shù)可用于碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度的測(cè)量。

碳纖維纏繞殼體；厚度；DR成像

1 引言

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、尺寸穩(wěn)定和材料可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)航天器及軍用飛機(jī)上，采用碳纖維纏繞方法制造燃燒室殼體已成為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。碳纖維纏繞殼體內(nèi)側(cè)的絕熱層起到耐燒蝕、絕熱的作用，而絕熱層的常用制造材料有三元乙丙和824兩種。殼體不同部位的絕熱層厚度需要滿足最低值要求，而殼體纏繞成形后固化和絕熱層硫化過(guò)程中，絕熱層可能產(chǎn)生流動(dòng)導(dǎo)致絕熱層厚度不均，所以需要測(cè)量確認(rèn)絕熱層厚度。

目前碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度缺少一個(gè)行之有效的測(cè)量方法。由于碳纖維纏繞殼體材料與鋼殼體材料的的差異性，原有鋼殼體絕熱層厚度的測(cè)量方法已不再適用，需要重新摸索一種新的絕熱層厚度測(cè)量方法。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鋼殼體上的絕熱層厚度通常采用渦流測(cè)厚方法，根據(jù)渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱與渦流線圈距被測(cè)材料表面的距離成正相關(guān)的特性來(lái)測(cè)量的，所以被測(cè)材料導(dǎo)電導(dǎo)磁性直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和絕熱層厚度可測(cè)性[1]。鋼材質(zhì)比較均勻，導(dǎo)電導(dǎo)磁性好，采用渦流法測(cè)量鋼殼體表面附著的絕熱層厚度是一種行之有效的測(cè)量方法。其它常用的超聲波測(cè)厚方法，由于材料表面較軟且不平整，絕熱層材料對(duì)聲波衰減系數(shù)大，導(dǎo)致絕熱層厚度測(cè)量結(jié)果誤差很大，這對(duì)本身厚度不大的材料厚度測(cè)量基本失去意義。工業(yè)CT方法可以實(shí)現(xiàn)絕熱層厚度的測(cè)量，其測(cè)量源也是X射線源，而且工業(yè)CT檢測(cè)系統(tǒng)造價(jià)昂貴、檢測(cè)周期長(zhǎng)等因素限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用[2]。常規(guī)如卡尺測(cè)量方法等由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，實(shí)現(xiàn)不了絕熱層厚度測(cè)量而碳纖維只有較弱的導(dǎo)電性，且碳纖維與樹脂結(jié)合后不同部位的導(dǎo)電性具有較大差異，所以原有鋼殼體的絕熱層厚度測(cè)量方法已不再適用碳纖維纏繞殼體，需要試驗(yàn)采用其它厚度測(cè)量方法測(cè)量碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度。

碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度是一個(gè)普遍關(guān)注的指標(biāo)，它影響到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的工作安全性，研究探索一種適用的絕熱層厚度測(cè)量方法，為設(shè)計(jì)人員及用戶提供絕熱層厚度數(shù)據(jù)，對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性有很大裨益。

本文就絕熱層厚度DR數(shù)字成像檢測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn)，研究碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)、測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和可行性。

2 DR成像技術(shù)材料厚度測(cè)量原理及測(cè)量方法

2.1 測(cè)厚原理

DR數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用初期主要是用于材料內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察。

DR成像測(cè)厚原理主要是應(yīng)用DR成像檢測(cè)系統(tǒng)中的尺寸測(cè)量功能，根據(jù)判斷影像中的材料不同界面位置，再測(cè)量界面之間的距離的一種厚度測(cè)量方法。所以要實(shí)現(xiàn)材料厚度測(cè)量，首先要確認(rèn)DR圖像中需要測(cè)量的材料界面可分辨。DR圖像中的材料界面可分辨性與兩種材料的材質(zhì)有關(guān)系，兩種相鄰材料對(duì)X射線的衰減系數(shù)或者材料密度差異程度越大，形成的影像界面對(duì)比度反差越大，界面越容易分辨，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確，反之亦然[3]。

2.2 測(cè)厚方法

DR成像厚度測(cè)量時(shí)，首先必須對(duì)系統(tǒng)成像軟件的測(cè)量尺寸進(jìn)行校準(zhǔn)，目的是為軟件中的測(cè)量工具制訂一個(gè)尺寸衡量標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)采用一個(gè)已知長(zhǎng)度的參照物進(jìn)行成像，例如參照物實(shí)際長(zhǎng)度為100mm，若此時(shí)DR成像測(cè)量的結(jié)果為60mm，校準(zhǔn)時(shí)將60mm標(biāo)定為參照物的真實(shí)長(zhǎng)度100mm，尺寸校準(zhǔn)工作即完成，校準(zhǔn)后的示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量尺寸校準(zhǔn)

尺寸校準(zhǔn)時(shí)參照物的長(zhǎng)度不宜過(guò)大或過(guò)小，參照物太長(zhǎng)超出一幅圖像的長(zhǎng)度時(shí)就不能測(cè)量參照物的影像長(zhǎng)度，太短時(shí)校準(zhǔn)得到的尺寸誤差較大，根據(jù)成像寬度參照物一般應(yīng)選用50～100mm的為宜。尺寸校準(zhǔn)完成后，對(duì)需檢測(cè)的部位進(jìn)行DR成像，在影像中評(píng)定出絕熱層邊界，采用軟件測(cè)量?jī)?nèi)外邊界間的距離值即為絕熱層真實(shí)厚度。如圖2中絕熱層的內(nèi)側(cè)邊界是絕熱層與空氣界面，兩者密度差異大，這個(gè)界面比較容易區(qū)分，絕熱層的外邊側(cè)界是絕熱層與纏繞層界面，這個(gè)界面可識(shí)別性與兩者材質(zhì)對(duì)射線的衰減程度直接相關(guān)，理論上兩者密度差異越大，兩者界面越容易區(qū)分，圖2中距測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)50.00mm的絕熱層真實(shí)厚度測(cè)量值為15.38mm。

圖2 絕熱層厚度測(cè)量示意圖

3 工藝試驗(yàn)

目前碳纖維纏繞殼體絕熱層所采用的材料主要有三元乙丙和824兩種，三元乙丙密度約為1.08g/cm3，824材料密度約為1.25g/cm3，而碳纖維纏繞復(fù)合層的密度約為1.4g/cm3。

3.1 三元乙丙絕熱層厚度測(cè)量試驗(yàn)

采用某碳纖維纏繞殼體解剖件進(jìn)行工藝試驗(yàn)，其絕熱層材料為三元乙丙，尺寸校準(zhǔn)時(shí)分別采用金屬參照物和非金屬參照物，分析參照物材質(zhì)差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，金屬參照物和非金屬參照物長(zhǎng)度均為100mm，如圖3為三元乙丙絕熱層厚度測(cè)量結(jié)果。

圖3 三元乙丙絕熱層厚度測(cè)量結(jié)果圖

從試驗(yàn)測(cè)試圖像上分析，絕熱材料為三元乙丙時(shí)，材料之間的界面分辨清晰，界面影像完整，可以比較容易判斷測(cè)量絕熱層的厚度。材料界面可分辨后可以采用DR軟件的尺寸測(cè)量工具對(duì)絕熱層厚度直接測(cè)量，再采用卡尺測(cè)量斷面的絕熱層厚度，對(duì)比兩種測(cè)量結(jié)果。

表1、表2分別是采用金屬參照物和非金屬參照物時(shí)的絕熱層厚度的測(cè)量結(jié)果，從表1、表2的數(shù)據(jù)分析，采用金屬參照物與采用非金屬參照物校準(zhǔn)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯差異，金屬和非金屬均可作為軟件尺寸校準(zhǔn)的測(cè)量基準(zhǔn)參照物，但參照物形狀應(yīng)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度要適中。從三元乙丙絕熱層測(cè)量結(jié)果分析，采用DR成像方法可清晰分辨絕熱層界面，DR成像法與卡尺測(cè)量法測(cè)量結(jié)果存在一定偏差，最大偏差0.61mm。

表1 金屬參照物的測(cè)量結(jié)果 mm

表2 非金屬參照物的測(cè)量結(jié)果 mm

圖4 距接頭尖點(diǎn)30mm測(cè)量結(jié)果圖

圖5 距接頭尖點(diǎn)50mm測(cè)量結(jié)果圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DR成像法與卡尺法測(cè)量結(jié)果差異，采用殼體解剖試樣進(jìn)行了測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，DR成像圖如圖4、圖5所示。它們分別是距測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)距接頭尖點(diǎn)30mm、50mm的測(cè)量結(jié)果，其余測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)距接頭尖點(diǎn)40mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。

表3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比表 mm

表3顯示絕熱層厚度的DR成像測(cè)量方法與卡尺測(cè)量方法得到數(shù)據(jù)稍有差異，最大差異為0.30mm，測(cè)量結(jié)果總體上較為接近。

3.2 824絕熱層厚度測(cè)量試驗(yàn)

某纖維纏繞殼體內(nèi)的絕熱層材料為824，從DR成像影像上分析，絕熱層內(nèi)側(cè)與空氣的界面區(qū)分沒(méi)問(wèn)題，顯示也很清晰，但824絕熱層與纏繞層界面不清晰，這是由于824材料與碳纖維材料的密度差異不明顯的原因?qū)е碌模瑘D像經(jīng)過(guò)軟件的對(duì)比度調(diào)節(jié)，圖像銳化等處理后，材料界面的可分辨性稍有改善，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。從824絕熱層測(cè)量試驗(yàn)情況分析，824絕熱層的DR成像方法的可測(cè)性較三元乙丙絕熱層差。

圖6 熱層材料為824時(shí)的絕熱層厚度測(cè)量效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

DR數(shù)字成像檢測(cè)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它的主要功能是對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的缺陷尺寸、缺陷位置進(jìn)行測(cè)量和定位，DR成像軟件帶有圖像處理、尺寸測(cè)量等功能，為絕熱層厚度測(cè)量試驗(yàn)提供了條件，正是基于DR成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，開展了纖維纏繞殼體絕熱層厚度測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中的尺寸校準(zhǔn)分別采用了金屬和非金屬試樣，對(duì)三元乙丙和824絕熱層材料的厚度進(jìn)行了測(cè)量，并將DR成像的測(cè)量結(jié)果與卡尺的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a. 絕熱層厚度DR成像法的可測(cè)性與絕熱層本身的材質(zhì)有關(guān)系，兩種常見的絕熱層材料三元乙丙和824中，三元乙丙密度相對(duì)碳纖維纏繞層密度差異較824大，所以三元乙丙絕熱層厚度DR成像法的可測(cè)性較好，而824絕熱層厚度可測(cè)性較差；

b. DR成像軟件尺寸校準(zhǔn)時(shí)所采用的試樣材質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響不明顯，金屬試樣或非金屬試樣均可采用，但對(duì)比試樣的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度選擇要適宜；

c. DR數(shù)字成像測(cè)量方法與卡尺法測(cè)量結(jié)果存在一定差異，畢竟DR數(shù)字成像法不是專用的尺寸測(cè)量工具，它與卡尺的測(cè)量結(jié)果總體差異在10%左右，在可接受的誤差范圍內(nèi)且沒(méi)有其它可行的厚度測(cè)量方法情況下，纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像法測(cè)量結(jié)果可為產(chǎn)品質(zhì)量證明提供很有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

1 李家偉.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2 張俊哲.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1993

3 鄭世才.數(shù)字射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

Research on DR Detection Technology of Thermal Insulation Thickness of Carbon Fiber Winding Shell

He Huafeng Xiong Jianping Wang Xiaoyong Li Zhongshi

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432100)

In this paper, DR imaging detection technology is used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell。Through the research of date acquisition image processing analysis numerical reading software, the DR imaging detection technology method of insulation layer thickness is determined。The research results show that the DR imaging detection technology can be used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell.

carbon fiber windingshell；thickness；DR imaging

TN24

A

何華鋒（1982），高級(jí)工程師，飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)；研究方向：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

2021-01-21