太陽翼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮熱變形的影響因素

王樹宏,莊 純,史耀輝,孫友剛,沈 峰,劉圖遠,張志新

(1.上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)中心,上海 201112;3.同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804；4.同濟大學(xué) 磁浮通工程技術(shù)研究中心,上海 201804)

太陽電池陣是衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的重要組成部分，其主要結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層[1]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的上蒙皮是太陽能電池片的安裝面，上蒙皮的局部變形量為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，直接影響后續(xù)電池片的安裝與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的正常使用。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在升溫至固化未完成時，膠膜處于黏稠狀或者液態(tài)，上、下蒙皮與蜂窩心部處于相對自由的狀態(tài)，相互影響較小；保溫至固化完成時，上、下蒙皮與蜂窩心部以高溫狀態(tài)固化為一體，此時認定為初始狀態(tài)；降溫時，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮的變形受到自身變形、鋁蜂窩和發(fā)泡膠等因素的影響，同時碳纖維/鋁蜂窩復(fù)合材料具有非均勻、各向異性的性質(zhì)，與一般金屬材料相比，其力學(xué)性能要復(fù)雜得多[2]。因此，研究降溫條件下蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮的熱變形具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行了大量研究，丁延衛(wèi)等[3]以某衛(wèi)星的碳纖維/鋁蜂窩太陽翼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為研究對象，對碳纖維層合板和鋁蜂窩心部的彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)進行等效計算，發(fā)現(xiàn)面板鋪層材料特性對基板的熱變形影響很大，在建立分析模型時，不能將其等效為各向同性的均勻材料。張弘弛[4]基于反射器實際裝配條件，建立了全尺寸反射器有限元模型，發(fā)現(xiàn)反射器工作面裝配的埋塊和緊固件能夠有效減小工作面變形，采用精度擬合的方法得到了全尺寸反射器型面精度的均方差，說明了該反射器具有良好的抵抗熱變形能力和較高的型面精度。李賢冰等[5]分析了三明治夾心板理論、Hoff等剛度理論、改進的Allen理論及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)理論的等效原理，并與實體單元建立的蜂窩夾層板進行比較，研究了4種等效方法的靜力學(xué)和動力學(xué)等效精度，為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等效方法的選取提供參考。

蜂窩是一種多孔的不連續(xù)材料，將蜂窩等效為均勻材料不能體現(xiàn)其局部性能[6]。針對實際鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，筆者采用有限元軟件進行仿真分析，研究了蜂窩區(qū)域和壓緊襯套區(qū)域?qū)Ψ涓C夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮變形的影響，并通過試驗驗證了仿真分析結(jié)果的正確性，為后續(xù)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料及制備方法

1.1 試驗材料

太陽翼蜂窩夾層主要由上、下碳纖維網(wǎng)格面板與蜂窩心部膠接而成，板內(nèi)膠接壓緊襯套[7]，正面黏貼聚酰亞胺薄膜，以保證電池片與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)本體絕緣(見圖1)。蜂窩夾層板的蜂窩區(qū)域和壓緊襯套區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖2所示，蜂窩區(qū)域的鋁蜂窩厚度為22 mm，壓緊襯套采用鈦合金制成，壓緊襯套與鋁蜂窩的交界區(qū)域填充了發(fā)泡膠。蜂窩夾層碳纖維網(wǎng)格面板的鋪層方向為0°和90°，單層碳纖維厚度為0.1 mm，碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間用膠膜連接(見圖3)。

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意

圖2 蜂窩夾層板的蜂窩區(qū)域和壓緊襯套區(qū)域結(jié)構(gòu)示意

圖3 碳纖維網(wǎng)格面板結(jié)構(gòu)示意

1.2 制備方法

選取M55J型碳纖維(二氨基縮水甘油型二苯基甲烷環(huán)氧樹脂+二氨基二苯砜)制備碳纖維網(wǎng)格面板，碳纖維網(wǎng)格面板和聚酰亞胺薄膜材料的性能參數(shù)[如彈性模量(E)、泊松比(υ)、剪切模量(G)和熱膨脹系數(shù)(α)等]如表1所示，其中聚酰亞胺薄膜厚度為0.05 mm。

表1 碳纖維網(wǎng)格面板和聚酰亞胺薄膜材料的性能參數(shù)

鋁蜂窩為邊長為0.03 mm的六邊形蜂窩，壓緊襯套材料為鈦合金，內(nèi)徑為30 mm，壁厚為2 mm，膠膜厚度為0.15 mm。鋁蜂窩、膠膜、發(fā)泡膠和鈦合金材料的性能參數(shù)如表2所示。

表2 鋁蜂窩、膠膜、發(fā)泡膠和鈦合金材料的性能參數(shù)

2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型及邊界條件

2.1 蜂窩區(qū)域

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩區(qū)域由鋁蜂窩和蒙皮組成，尺寸為100 mm×87 mm×22.65 mm(長×寬×高)，有限元模型如圖4所示，可知上、下蒙皮以及鋁蜂窩均采用四邊形殼單元(S4R)模擬，單元數(shù)分別為36 400，21 025，160 636，節(jié)點數(shù)分別為36 261，24 623，161 371。

蒙皮與鋁蜂窩均為各向異性材料，蜂窩區(qū)域的邊界條件如圖5所示，定義蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面法向為材料的法向，定義蜂窩夾層結(jié)構(gòu)x軸方向為材料的主軸方向，在蜂窩左下方碳纖維上a點添加固定約束，蜂窩兩側(cè)的平面沿x軸和y軸施加對稱約束。

圖4 蜂窩區(qū)域的有限元模型示意

圖5 蜂窩區(qū)域的邊界條件示意

2.2 壓緊襯套區(qū)域

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓緊襯套區(qū)域由壓緊襯套、發(fā)泡膠、鋁蜂窩以及蒙皮等組成，尺寸為210 mm×218.24 mm×22.65 mm(長×寬×高)，有限元模型如圖6所示。由圖6可知：上、下蒙皮以及鋁蜂窩均采用四邊形殼單元(S4R)模擬，單元數(shù)分別為15 769，8 049，136 764，節(jié)點數(shù)分別為 15 529，10 176，135 253；發(fā)泡膠采用二次四面體單元(C3D10)模擬，單元數(shù)為358 898 ，節(jié)點數(shù)為461 970；壓緊襯套采用二次四面體單元(C3D10)模擬，單元數(shù)為28 277，節(jié)點數(shù)為44 096。

蒙皮與鋁蜂窩均為各向異性材料，壓緊襯套區(qū)域的邊界條件如圖7所示，定義蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面法向為材料的法向，定義蜂窩夾層結(jié)構(gòu)x軸方向為材料的主軸方向，壓緊襯套內(nèi)下邊緣約束法向位移，壓緊襯套左下方b點為固定約束，平面1施加對稱約束，對稱面為垂直y軸的平面，平面2施加對稱約束，對稱面為垂直x軸的平面。

圖6 壓緊襯套區(qū)域的有限元模型示意

圖7 壓緊襯套區(qū)域的邊界條件示意

3 熱變形仿真分析

3.1 蜂窩區(qū)域

在上述蜂窩區(qū)域的約束條件下，將加熱溫度由130 ℃降為20 ℃，然后對蜂窩區(qū)域的熱變形情況進行仿真分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：約束位置處位移為0，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體向法向一側(cè)內(nèi)縮；上蒙皮比下蒙皮多一層聚酰亞胺薄膜，故蜂窩夾層的上、下結(jié)構(gòu)不對稱，降溫時，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)朝上蒙皮方向發(fā)生翹曲。

圖8 蜂窩區(qū)域熱變形的仿真分析結(jié)果

圖9 蜂窩區(qū)域0°碳纖維和90°碳纖維的法向變形量變化曲線

為研究碳纖維鋪層方向?qū)ι厦善嶙冃蔚挠绊?，依?jù)線路A1B1，A2B2(見圖8)分別提取局部0°碳纖維(內(nèi)側(cè)纖維)和90°碳纖維(外側(cè)纖維)，統(tǒng)計不同位置上的法向變形量，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：0°碳纖維的最大變形量為0.019 8 mm，90°碳纖維的最大變形量為0.023 2 mm，與兩者碳纖維節(jié)點的變形量分別相差0.001 8，0.005 0 mm，說明碳纖維的鋪層方向?qū)Ψ涓C夾層板上蒙皮熱變形有一定影響。降溫過程中，碳纖維主要受鋁蜂窩和聚酰亞胺薄膜影響，向內(nèi)收縮。碳纖維的各向熱膨脹系數(shù)不同，在碳纖維節(jié)點處，隨著溫度降低，0°碳纖維沿纖維主軸方向(x軸)膨脹(纖維束沿纖維方向熱膨脹系數(shù)為負)，90°碳纖維沿纖維主軸方向(x軸)收縮(纖維束沿垂直纖維方向熱膨脹系數(shù)為正)，并且90°碳纖維在0°碳纖維上方，0°碳纖維有上凸趨勢，減小了0°碳纖維的向下變形量，90°碳纖維有下凹趨勢，增加了90°碳纖維的向下變形量，所以90°碳纖維的法向變形量大于0°碳纖維的法向變形量。

3.2 壓緊襯套區(qū)域

在上述蜂窩區(qū)域的約束條件下，將加熱溫度由130 ℃降為20 ℃，然后對壓緊襯套區(qū)域的熱變形情況進行仿真分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 壓緊襯套區(qū)域熱變形的仿真分析結(jié)果

為研究不同材料對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)熱變形的影響，依據(jù)線路C1D1，C2D2(見圖10)分別提取上蒙皮中分布于壓緊襯套、發(fā)泡膠以及鋁蜂窩的0°碳纖維與90°碳纖維，統(tǒng)計不同位置上的法向變形量，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：0°碳纖維與90°碳纖維在發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域的法向變形量最大，分別約為0.020 1，0.023 7 mm，與壓緊襯套處的階差分別為0.019 2，0.022 7 mm；鋁蜂窩的碳纖維節(jié)點與0°碳纖維，90°碳纖維的階差分別為0.002 0，0.005 0 mm，兩個方向的階差與之前蜂窩區(qū)域的分析結(jié)果一致，證明了蜂窩區(qū)域上蒙皮熱變形仿真分析結(jié)果的正確性。隨著溫度降低，整個蜂窩夾層結(jié)構(gòu)向內(nèi)收縮，法向變形量為負。因發(fā)泡膠的法向剛度小于壓緊襯套與鋁蜂窩的法向剛度，熱膨脹系數(shù)大于壓緊襯套與鋁蜂窩的熱膨脹系數(shù)，所以三者交界區(qū)域以發(fā)泡膠的變形為主。當(dāng)溫度降低時，發(fā)泡膠向內(nèi)收縮，發(fā)泡膠區(qū)域的法向變形量最大，故上蒙皮碳纖維的法向變形量隨著遠離壓緊襯套先變大后變小。

綜上所述，碳纖維的鋪層方向?qū)Ψ涓C夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮熱變形有一定影響，但發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域?qū)ι厦善嶙冃蔚挠绊懜蟆?/p>

圖11 壓緊襯套區(qū)域0°碳纖維和90°碳纖維的法向變形量變化曲線

4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制備及變形測量

采用熱壓罐成型工藝制備蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的溫度以0.3 ℃/min的降溫速率，從130 ℃降至20 ℃，降溫時間共為367 min。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)已固化為一體，較低的降溫速率可以保證蜂窩夾層結(jié)構(gòu)受熱均勻，使材料的變形盡可能只受溫差影響。隨后脫膜修整，采用三維近景攝影測量法進行上蒙皮變形量的測試，成型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的宏觀形貌如圖12所示。

圖12 成型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的宏觀形貌

依據(jù)線路E1F1，E2F2[見圖12a)]分別提取上蒙皮0°碳纖維與90°碳纖維，統(tǒng)計不同位置上的法向變形量，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：實測法向變形量的整體趨勢與仿真分析結(jié)果一致，其中實測0°碳纖維的最大變形量為0.021 6 mm，90°碳纖維的最大變形量為0.024 3 mm，與兩者碳纖維節(jié)點的變形量分別相差0.002 0，0.005 6 mm，與兩者仿真分析結(jié)果的相對誤差分別為11.1%和12.0%，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果的吻合度高，可驗證仿真分析結(jié)果的正確性。

圖13 實測蜂窩區(qū)域0°碳纖維和90°碳纖維的法向變形量變化曲線

依據(jù)線路H1L1,H2L2[見圖12b)]分別提取上蒙皮中分布于壓緊襯套、發(fā)泡膠以及鋁蜂窩的0°碳纖維與90°碳纖維，統(tǒng)計同位置上的法向變形量，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：實測法向變形量的整體趨勢與仿真分析結(jié)果一致，其中0°碳纖維與90°碳纖維在發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域的變形量最大，分別約為0.023 2，0.027 4 mm，與壓緊襯套區(qū)域的階差分別為0.021 9，0.026 1 mm，與兩者仿真分析結(jié)果的相對誤差分別為14.1%和14.9%，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果的吻合度較高；鋁蜂窩的碳纖維節(jié)點與0°碳纖維、90°碳纖維的階差分別為0.002 2，0.005 6 mm，與兩者仿真分析結(jié)果的相對誤差分別為10.0%和12.0%，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果的吻合度較高，可驗證仿真分析結(jié)果的正確性。

圖14 實測壓緊襯套區(qū)域0°碳纖維和90°碳纖維的法向變形量變化曲線

經(jīng)試驗驗證，仿真分析的結(jié)果真實可靠，進一步證明了碳纖維的鋪層方向?qū)Ψ涓C夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮熱變形有一定影響，但發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域?qū)ι厦善嶙冃蔚挠绊懜蟆?/p>

5 結(jié)論

(1) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩區(qū)域上蒙皮的變形主要受碳纖維鋪層方向影響，其中纖維節(jié)點與90°碳纖維交界處的變形量最大，仿真階差約為0.00 50 mm，實測階差為0.005 6 mm，兩者相對誤差為12.0%，吻合度高。

(2) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓緊襯套區(qū)域上蒙皮的變形量隨著逐漸遠離襯套孔先變大后變小，在鋁蜂窩與發(fā)泡膠交界區(qū)域的變形量最大，仿真階差約為0.022 7 mm，實測階差為0.026 1 mm，兩者相對誤差為14.9%，吻合度較高，證明仿真分析結(jié)果準確。

(3) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上蒙皮的熱變形影響明顯，其中壓緊襯套區(qū)域相較蜂窩區(qū)域的上蒙皮變形量更大，最大階差位于發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域。