蜂窩夾層板內(nèi)埋件的承載力研究

李鶯歌 張夏明 張玉生 宮 頊

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 描述了蜂窩夾層板內(nèi)埋件的承載力檢測(cè)條件和結(jié)果，分析了埋件材質(zhì)及埋件周圍填膠量對(duì)其承載力的影響。結(jié)果表明：相同技術(shù)狀態(tài)下，鋁合金與鎂合金埋件的承載能力基本相當(dāng)，而鎂鋰合金埋件的最大彈性變形載荷與鋁合金和鎂合金埋件基本相當(dāng)，但其首次失效和最大破壞載荷相對(duì)較低；對(duì)于同種材質(zhì)的埋件，適當(dāng)增加填膠量，更有利于提高埋件的承載力。研究結(jié)果可作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)依據(jù)。

0 引言

蜂窩夾層板是航天器結(jié)構(gòu)的基本部件［1］，主要用于組成航天器結(jié)構(gòu)艙段，安裝儀器或設(shè)備等有效載荷。其中，航天器蜂窩夾層板之間的連接，以及儀器設(shè)備的安裝主要通過板內(nèi)的埋件來提供接口。埋件是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要受力部件［2］，結(jié)構(gòu)所受載荷是由埋件傳遞并分散于周圍結(jié)構(gòu)中。因此，板內(nèi)埋件的承載力是影響結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素。航天器結(jié)構(gòu)中的蜂窩夾層板內(nèi)，埋件通常主要承受面內(nèi)剪切力和面外拉拔力，為確保埋件系統(tǒng)的承載效果和傳遞載荷能力，保證結(jié)構(gòu)破壞不會(huì)發(fā)生在埋件上，一般要求埋件自身的力學(xué)性能高于蒙皮、蜂窩芯和膠黏劑的對(duì)應(yīng)力學(xué)性能［3-4］。本文主要分析埋件材質(zhì)和埋件周圍填膠量對(duì)其承載力的影響，可據(jù)此確定埋件系統(tǒng)的減重方案，實(shí)現(xiàn)航天器蜂窩夾層板的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可靠性等要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件

1.1.1 尺寸及構(gòu)型

試件尺寸為150 mm×150 mm×25.6 mm，中心膠接一件橫截面為“T”字形的M5 埋件，通過埋件上的螺孔對(duì)試件施加縱向拉伸載荷。

1.1.2 材料

（1）蒙皮：鋁板LY12-CZ（GBn167-82），厚度0.3 mm。

（2）埋件：試件a選用2A12-T4鋁棒（GB/T3191—1998），試件b選用ZK61MT5 鎂棒（GB/T5155—2003），試件c 選用MBLS10A-200 鎂鋰合金棒（Q/SF JS02A—2014），棒材直徑均為22 mm。

（3）鋁蜂窩芯：厚度0.03 mm 有孔鋁箔LF2-Y（HB5443—90），格孔邊長5 mm，芯高25 mm。

（4）膠黏劑：J-47 系列（Q/HSY003—2012），包括底膠J-47B，膠膜J-47C，厚度0.15 mm，發(fā)泡膠J-47D，厚度1 mm。

1.1.3 制備工藝

（1）蒙皮：采用激光切割技術(shù)加工外形和開孔。

（2）埋件：按航天器通用埋件P-YM/ZL-5×250，利用數(shù)控車削加工，并于表面處理后在螺孔內(nèi)鑲嵌鋼絲螺套。

（3）表面處理：鋁合金蒙皮和埋件利用磷酸陽極化處理，鎂合金和鎂鋰合金埋件采取白膜微弧氧化處理；鋁蜂窩芯利用有機(jī)溶劑清洗端面。

（4）蜂窩夾層板膠接工藝：在蒙皮和埋件的膠接面上均勻涂底膠，涂膠量（80±20）g/m2，然后在蒙皮膠接面貼敷膠膜，在埋件圓柱段纏繞發(fā)泡膠至膠圈外徑與埋件法蘭盤平齊，并在試件e 的埋件周圍2 圈蜂窩格孔內(nèi)填充與蜂窩芯等高的發(fā)泡膠進(jìn)行局部加強(qiáng)，最后通過膠黏劑將相關(guān)零件膠接為一體。

（5）試件固化工藝：采用熱壓固化法，固化溫度130 ℃，保溫時(shí)間2 h，并于室溫下開始抽真空，溫度升至適當(dāng)值時(shí)充氣加壓0.12 MPa［5］。

1.2 測(cè)試夾具

測(cè)試夾具由夾持螺栓、固連螺桿、施力螺桿、調(diào)平塊、底盤和上壓盤等組成。底盤中心有螺紋孔，可利用固連螺桿緊固在試驗(yàn)機(jī)上；上壓盤中心有Φ60 mm 的加載口，試驗(yàn)機(jī)可連接施力螺桿，穿過加載口向試件施加縱向拉伸載荷［6］。試件通過調(diào)平塊和夾持螺栓以水平狀態(tài)居中固定在底盤與上壓盤之間。

1.3 裝夾及加載

利用美國Instron 公司的試驗(yàn)機(jī)測(cè)試埋件的承載力，試件裝夾方式見圖1。

圖1 埋件承載力檢測(cè)安裝示意圖Fig.1 Scheme of post-insert pulling test

2 結(jié)果與討論

2.1 不同材質(zhì)埋件的承載力

分別采用鋁合金、鎂合金和鎂鋰合金制備航天器的通用M5 埋件，再利用相同的工藝制備蜂窩夾層板埋件承載力試件，各類試件的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同材料M5埋件的承載力Tab.1 Pull-out strengths of M5 insert sample of different materials

結(jié)果表明：相同技術(shù)狀態(tài)下，鋁合金與鎂合金埋件的承載力水平?jīng)]有明顯差異，而鎂鋰合金埋件的最大彈性變形載荷與鋁合金和鎂合金埋件基本相當(dāng)，但其首次失效和最大破壞載荷相對(duì)較低。

分析認(rèn)為，蜂窩夾層板內(nèi)埋件所受的縱向拉伸力會(huì)以剪切力形式，通過埋件外側(cè)的膠黏劑傳遞給周圍的鋁蜂窩芯和上下蒙皮，由于膠黏劑的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋁蜂窩芯，因此埋件系統(tǒng)首先發(fā)生變形破壞的應(yīng)該是鋁蜂窩芯，然后埋件連同蒙皮便會(huì)沿受力方向移動(dòng)，隨后發(fā)生埋件與下蒙皮脫粘、埋件區(qū)域上蒙皮斷裂，并最終導(dǎo)致埋件區(qū)域承載失效［7-8］。因此，三種不同材質(zhì)的埋件，其在最大彈性變形點(diǎn)的承載能力主要取決于埋件周圍鋁蜂窩芯的相關(guān)性能，不同材質(zhì)埋件的載荷值基本相當(dāng)；而首次失效載荷和最終破壞載荷則與埋件的原材料性能以及其表面處理質(zhì)量的優(yōu)劣有關(guān)。表2列出了三種金屬棒材的力學(xué)性能，由表2可知，埋件所用鎂合金與鋁合金的力學(xué)性能比較接近，而鎂鋰合金的力學(xué)性能相對(duì)較低，會(huì)一定程度上影響埋件的承載能力。

表2 不同埋件原材料的性能對(duì)比Tab.2 Comparison between raw materials of inserts

進(jìn)一步分析埋件表面處理質(zhì)量對(duì)其承載能力的影響，由于鋁合金埋件采取成熟的磷酸陽極氧化處理法，可在埋件膠接表面形成一層多孔的、適合膠接的氧化膜層，進(jìn)而可增大埋件的膠接面積，提高膠接強(qiáng)度。鎂合金埋件采用表面白膜微弧氧化技術(shù)，即利用在陽極表面的微區(qū)高壓弧光放電，合成出以鎂合金氧化物為主的米白色陶瓷氧化膜層，外表面膜層厚度18～22 μm，膜層粗糙度顯著優(yōu)于金屬基材，因此也可實(shí)現(xiàn)增大膠接面積，提高膠接強(qiáng)度的目的。表面微弧氧化技術(shù)不僅解決了鎂合金表面質(zhì)軟、耐腐蝕性能與膠接性能不佳的缺點(diǎn)，而且提高了鎂合金埋件螺紋處的硬度和耐磨性，滿足重復(fù)拆裝螺釘20 次（QJ3295 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為15 次）后膜層無脫落的技術(shù)指標(biāo)要求［9-11］，實(shí)現(xiàn)了航天器結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。鎂鋰合金埋件表面也進(jìn)行白膜微弧氧化，但鎂鋰合金表面只能在鎂離子區(qū)域形成陶瓷氧化膜，鋰離子區(qū)域無法形成氧化膜，因此埋件表面膜層很薄，約10 μm，且十分光滑，不利于提高埋件與蒙皮的膠接強(qiáng)度，因此鎂鋰合金埋件的首次失效載荷和最終破壞載荷均相對(duì)較低。表3列出了三種原材料表面處理后與J-47 膠黏劑的膠接剪切強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)了分析的有效性。

表3 不同埋件原材料的膠接剪切強(qiáng)度Tab.3 Adhesive bonding shear strengths of different samples MPa

2.2 不同填膠量的埋件承載力

蜂窩夾層板內(nèi)埋件所受的載荷需要通過其周圍的膠黏劑傳遞并分散到整個(gè)結(jié)構(gòu)中，為分析埋件周圍填膠量對(duì)其承載力的影響，采用鎂鋰合金埋件分別制備不同填膠量的試件d 和試件e，各類試件的測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 不同填膠量M5埋件的承載力Tab.4 Pull-out strengths of M5 insert sample of the different adhesive amount

結(jié)果表明：埋件周圍的填膠量對(duì)其承載能力有顯著影響，埋件周圍額外增加2圈填膠量的試件e，其最大彈性變形載荷、首次失效載荷和最終破壞載荷均優(yōu)于只填膠到埋件法蘭盤外緣的試件d。

馮紀(jì)生等人［7］研究發(fā)現(xiàn)蜂窩夾層板內(nèi)埋件承受縱向拉伸載荷時(shí)，假定膠黏劑充滿蜂窩芯高度方向，則埋件的承載力可按下式計(jì)算：

式中，b為膠黏劑有效沉積半徑，tc為蜂窩夾芯高度，τc為蜂窩剪切強(qiáng)度，為蒙皮厚度。

式中，Gc為蜂窩剪切模量，Ef為蒙皮彈性模量，c2=0.931714，n=0.262866。

據(jù)此得出，膠黏劑的有效沉積半徑對(duì)埋件區(qū)域的承載能力至關(guān)重要。這是由于膠黏劑的有效沉積半徑增大，便會(huì)優(yōu)化埋件區(qū)域的載荷分配狀態(tài)，因此埋件區(qū)域的縱向拉伸載荷承受能力便會(huì)提高。侯向陽等人［8］研究也發(fā)現(xiàn)：當(dāng)埋件承受縱向拉伸載荷時(shí)，以埋件中心為圓心，埋件周圍不同半徑處的蜂窩夾芯應(yīng)力表現(xiàn)為：應(yīng)力最大處位于埋件外圍約10 mm區(qū)域，即埋件外圍2 個(gè)蜂窩格孔處，當(dāng)半徑超過埋件外圍4 個(gè)蜂窩格孔后，蜂窩夾芯的應(yīng)力便趨于平緩。因此，對(duì)于同種材質(zhì)的埋件，在其外圍2 圈蜂窩格孔內(nèi)進(jìn)行填膠加強(qiáng)，以適當(dāng)增加埋件周圍的填膠量，更有利于提高埋件的承載力。

3 結(jié)論

（1）相同狀態(tài)下，鋁合金與鎂合金埋件的承載能力基本相當(dāng)。

（2）相同狀態(tài)下，鎂鋰合金埋件的最大彈性變形載荷與鋁合金和鎂合金埋件基本相當(dāng)，但其首次失效和最大破壞載荷相對(duì)較低。

（3）對(duì)于同種材質(zhì)的埋件，適當(dāng)增加填膠量，更有利于提高埋件的承載力。

（4）可根據(jù)設(shè)計(jì)承載需求，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的埋件材質(zhì)和填膠量，來平衡埋件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和承載力，滿足對(duì)航天器蜂窩夾層板的技術(shù)要求。