I 型蜂窩板埋件強脫分析與臨界力矩試驗研究

王子權(quán)，顧義暢，姚鵬，高雪峰，黃巍，曹敬華，羅智國

上海衛(wèi)星裝備研究所總裝中心，上海 200240

蜂窩板是衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、強度高等特點[1]，為衛(wèi)星上單機、載荷等提供可靠支撐。I 型埋件（圓形埋件）是蜂窩板上常用的埋件型號，具有方便加工與組裝的特點，在許多衛(wèi)星型號上經(jīng)常使用I 型埋件作為單機、載荷等的安裝緊固埋件[2-6]，因此，針對蜂窩板中埋件的力學(xué)性能的研究，對于穩(wěn)固單機、保證整星可靠性具有重要價值[7-10]。李鶯歌等[11-13]分析了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件和蜂窩結(jié)構(gòu)板后埋件拉脫力的影響因素，并進行了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能研究，介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)M5 型埋件的拉脫力測試條件及結(jié)果，為本文埋件拉脫試驗提供了參考；分析了試樣平面尺寸、真空壓力等因素對拉脫力的影響，提出合理優(yōu)化埋件周圍發(fā)泡膠填充量，可達到節(jié)省發(fā)泡膠、提高埋件拉脫力的效果。徐挺等[14]研究了新型后埋件及其自動化后埋工藝，考察了2 種埋件技術(shù)對埋件承載力與承載系數(shù)的影響，結(jié)果表明膠粘劑的分布狀態(tài)對其承載性能有重要影響，新型的后埋工藝可保證工藝穩(wěn)定性、一致性、可靠性。許文彬等[15]進行了常溫和高溫環(huán)境下蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件拉脫性能試驗，對比分析了高溫環(huán)境對埋件拉脫性能的影響，發(fā)現(xiàn)埋件在高溫環(huán)境中受法向拉脫力時，承載力下降為常溫的8%左右，且失效模式由常溫的蜂窩芯剪切破壞變?yōu)槊姘迮c蜂窩芯脫粘破壞；埋件在受面內(nèi)拉脫力時，常溫環(huán)境和高溫環(huán)境下埋件分別呈現(xiàn)出面板壓縮破壞和面板皺褶失穩(wěn)破壞，且拉脫力降為常溫的28%左右。

在衛(wèi)星總裝集成測試（assembly and integration and test，AIT）過程中發(fā)現(xiàn)，在單機和埋件間無間隙裝配情況下，對螺釘實施規(guī)定的擰緊力矩均無拉脫現(xiàn)象發(fā)生。而某衛(wèi)星的平臺艙某側(cè)板電池安裝面采用墊裝石墨膜新技術(shù)對電池進行導(dǎo)熱，按規(guī)定對電池緊固件實施擰緊力矩后，蜂窩板I 型埋件出現(xiàn)了拉脫凹陷現(xiàn)象，對產(chǎn)品造成了不可挽回的損傷。因此，急需針對此現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因、機理，進行工藝基礎(chǔ)研究，為后續(xù)石墨膜導(dǎo)熱技術(shù)普及做好充足準(zhǔn)備。本文根據(jù)實際生產(chǎn)現(xiàn)象，對埋件拉脫的原因進行了分析，并總結(jié)出7 個導(dǎo)致埋件拉脫的主要變量。根據(jù)原因分析，提出試驗方案，對常用的幾種蜂窩板及緊固件規(guī)格進行了試驗研究，采用統(tǒng)計學(xué)中的多項式擬合、反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合等算法對試驗數(shù)據(jù)進行的分析，得出的結(jié)論以供衛(wèi)星熱控設(shè)計和總裝集成參考。

1 埋件拉脫原因分析

墊裝石墨膜結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，其基本結(jié)構(gòu)包括電池緊固件、電池安裝面、石墨膜、蜂窩板及其埋件。

圖1 石墨膜墊裝安裝簡圖

通過圖1 對實際現(xiàn)象的分析，得出導(dǎo)致埋件拉脫的主要原因為：

1）螺釘擰緊力矩值較大，超過了埋件膠接強度可承受范圍，導(dǎo)致埋件拉脫；

2）使用的螺釘規(guī)格較大，或使用的埋件規(guī)格較小，導(dǎo)致擰緊力矩值必須增大，或埋件規(guī)格與擰緊力矩值不匹配，造成埋件拉脫；

3）蜂窩板厚度不夠，導(dǎo)致膠接面積較小，膠接強度不夠；

4）石墨膜開孔處直徑大于埋件直徑，導(dǎo)致埋件可在一定空間范圍內(nèi)自由移動；

5）電池重量較大，埋件在綜合力、力矩的作用下被拉脫。

根據(jù)圖1 所示的石墨膜安裝簡圖，可得其中7 個導(dǎo)致埋件拉脫的變量，如表1 所示。

不同的緊固件公稱直徑DJ對應(yīng)不同的擰緊力矩，而在生產(chǎn)實踐中，對確定的緊固件公稱直徑DJ，其擰緊力矩是有固定要求的，因此，當(dāng)公稱直徑一定時，對其實施的擰緊力矩也是一定的。由于實際上天緊固件均為鈦合金材料，因此只需對鈦合金螺釘進行研究即可。

石墨膜厚度t主要用于表征石墨膜結(jié)構(gòu)，同時表征石墨膜開孔深度。

石墨膜開孔直徑DS主要用于表征石墨膜開孔直徑，其大小有2 個等級：1）DS≥?，即石墨膜開孔直徑大于埋件直徑；2）DS

分析可知，當(dāng)DS≥?，即石墨膜開孔直徑大于埋件直徑時，埋件通過螺釘實施擰緊力矩后強拉，可在厚度為t的空間范圍內(nèi)自由移動，因此更容易導(dǎo)致埋件拉脫。當(dāng)DS

蜂窩板厚度δ對應(yīng)使用不同長度的埋件， δ越大，則埋件的膠接接觸面積就越大，可知其抗拉脫的能力就越強。蜂窩板的蜂窩芯子蜂窩密度越高，則埋件的膠接接觸面積也越大，增強了埋件抗托拉能力。同時，發(fā)泡膠膠接性能越強，也會增大埋件抗托拉能力。而在實際生產(chǎn)中，蜂窩芯子的蜂窩密度、發(fā)泡膠型號一般不會改變，因此可作為試驗的定常值量使用。

綜合分析可知，緊固件公稱直徑DJ、石墨膜厚度t、石墨膜開孔直徑DS、蜂窩板厚度δ和埋件規(guī)格?可作為試驗可變影響變量，蜂窩芯子密度和發(fā)泡膠型號作為不可變的定常值影響變量，而石墨膜開孔直徑直接表現(xiàn)為埋件與產(chǎn)品之間是否有可使埋件自由移動間隙，即有無間隙，而實踐中在無間隙情況下未有埋件拉脫，因此可直接進行埋件有間隙試驗。

2 埋件拉脫力試驗研究

根據(jù)實際現(xiàn)象與原因分析，設(shè)計M5-TB3-有間隙試驗、M6-TB3-有間隙試驗2 種形式的試驗研究，每種試驗均在不同蜂窩板厚度的情況下進行。

2.1 M5-TB3 有間隙情況

2.1.1 M5-TB3-板厚20-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為20 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了6 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均不能按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實施，因此進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 M5-TB3-板厚20-有間隙

由圖2 可知試驗2 的1.70 N?m 臨界力矩與其他試驗結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗值，造成該奇異值的可能原因是蜂窩與埋件的膠接效果明顯不足或試驗偶然因素。

排除試驗2 的奇異值影響，對其余試驗值進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖3 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為2.344 0 N?m，3 次擬合平均值為2.330 7 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為2.319 3 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為20 mm 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為2.31~2.34 N?m， 分析可知， 該力矩范圍值為2.325±0.015 N?m，而2.325 N?m 力矩值在M4 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（2.4±0.15 N?m）的負偏差范圍內(nèi)（2.25~2.4 N?m），因此可知即便對M5 規(guī)格埋件，實施M4 鋼絲螺套和M4 規(guī)格螺釘規(guī)定實施力矩，仍然存在埋件拉脫的極高風(fēng)險。

圖3 M5-TB3-板厚20-有間隙統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2 M5-TB3-板厚25-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為25 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了7 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均不能按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實施，因此進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖4 和圖5 所示?？芍囼? 的2.23 N?m 臨界力矩與其他試驗結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗值，試驗5 的4.5 N?m 臨界力矩與其他試驗結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗值。

圖4 M5-TB3-板厚25-有間隙

圖5 M5-TB3-板厚25-有間隙統(tǒng)計結(jié)果

排除試驗1 和試驗5 的奇異值影響，對其余試驗值進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖5 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為3.336 0 N?m，3 次擬合平均值為3.297 9 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為3.312 3 N?m。不難得出，對M5的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為25 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為3.31~3.34 N?m，分析可知，該力矩范圍值為3.325±0.015 N?m，3.325 N?m 力矩值超過了M4-TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（2.4±0.15 N?m）范圍，因此可知對M5 規(guī)格埋件，實施M4 鋼絲螺套和M4 規(guī)格螺釘規(guī)定實施力矩，可避免拉脫損壞。

2.1.3 M5-TB3-板厚30-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了6 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘部分可按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實施，因此進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖6 所示。

對試驗值進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖7 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為4.54 N?m，3 次擬合平均值為4.571 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為4.573 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為4.54~4.57 N?m，分析可知，該力矩范圍值為4.555±0.015 N?m，4.555 N?m 力矩值基本達到了M5-TB3 規(guī)定的期望力矩，但考慮其余振動等非線性因素，不建議使用有間隙的裝配結(jié)構(gòu)。

圖7 M5-TB3-板厚30-有間隙統(tǒng)計結(jié)果

2.1.4 M5-TB3-板厚40-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了6 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均可按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實施，但仍進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖8 所示。

對試驗值進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖9 所示。可知3 次擬合和BP網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為8.15 N?m，3 次擬合平均值為8.21 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為8.22 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為8.1~8.2 N?m，分析可知，該力矩范圍值為8.15±0.05 N?m，8.15 N?m 力矩值超過了M5-TB3 規(guī)定的期望力矩，可正常使用。

2.1.5 M5-TB3-臨界力矩分布

根據(jù)得到的臨界力矩平均值，得到臨界力矩平均值分布如圖10 所示。圖10 處理方法坐標(biāo)中：1 為原始數(shù)據(jù)平均臨界力矩；2 為多項式擬合平均臨界力矩；3 為BP 擬合平均臨界力矩。

圖10 M5-TB3 臨界力矩平均值分布

根據(jù)圖10，依據(jù)線性差值理論，可預(yù)測蜂窩板厚為35mm 時，原始數(shù)據(jù)臨界力矩平均值為6.345 N?m，多項式擬合平均值為6.329 5 N?m，BP 擬合平均值為6.396 5 N?m。再對M5-TB3 螺釘?shù)淖畲髷Q緊力矩（4.6 N?m）進行預(yù)測，可得其對應(yīng)板厚為30.17 mm。以黃綠色帶為分界線，對M5-TB3-有間隙情況按照正常力矩實施擰緊，在板厚超過30 時不會出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，考慮振動等非線性因素，不建議在黃綠色帶分界線邊緣設(shè)計蜂窩板。在有間隙情況下，使用M5-TB3 螺釘?shù)姆涓C板厚建議為31 mm 以上。

2.2 M6-TB3 有間隙情況

根據(jù)對M5-TB3 有間隙時的結(jié)果可知，對M6-TB3 螺釘一定無法在板厚為20 和25 mm 的蜂窩板上實施力矩，因此對M6-TB3 螺釘進行板厚至少30 mm 的蜂窩板進行試驗。

2.2.1 M6-TB3-板厚30-有間隙

對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了5 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M6 螺釘均不能按照規(guī)定的7.25±0.25 N?m 力矩實施，因此進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖11 所示。

圖11 M6-TB3-板厚30-有間隙

對試驗進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖12 所示。可知3 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為5.224 N?m，3 次擬合平均值為5.199 6 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為5.212 3 N?m。不難得出，對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為30 mm 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為5.20~5.22 N?m， 分析可知， 該力矩范圍值為5.21±0.01 N?m，5.21 N?m 力矩值在M5 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（4.4±0.2 N?m）以上，因此可知對M6 規(guī)格埋件，實施M5 鋼絲螺套和M5 規(guī)格螺釘規(guī)定實施力矩，可正常使用。

圖12 M6-TB3-板厚30-有間隙統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2 M6-TB3-板厚40-有間隙

對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進行有間隙拉脫試驗，共進行了5 次試驗，試驗發(fā)現(xiàn)對M6 螺釘均可按照規(guī)定的7.25±0.25 N?m 力矩實施，但仍進行了臨界力矩拉脫試驗，試驗結(jié)果如圖13 所示。

圖13 M6-TB3-板厚40-有間隙

對試驗進行多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖14 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為9.396 N?m，3 次擬合平均值為9.380 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為9.386 N?m。不難得出，對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進行有間隙裝配，其臨界實施力矩為9.38~9.40 N?m，分析可知，該力矩范圍值為9.39±0.01 N?m，9.39 N?m 力矩值在M6 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（7.25±0.25 N?m）以上，可正常使用。

圖14 M6-TB3-板厚40-有間隙統(tǒng)計結(jié)果

2.2.3 M6-TB3-臨界力矩分布

得到平靜臨界力矩分布如圖15 所示。圖15 處理方法坐標(biāo)中：1 為原始數(shù)據(jù)平均臨界力矩；2 為多項式擬合平均臨界力矩；3 為BP 擬合平均臨界力矩。依據(jù)線性差值理論，可預(yù)測板厚為35 mm時，原始數(shù)據(jù)臨界力矩平均值為7.31 N?m；多項式擬合平均值為7.289 8 N?m；BP 擬合平均值為7.299 N?m。

圖15 M6-TB3 臨界力矩平均值分布

再對M6-TB3 螺釘?shù)淖畲髷Q緊力矩（7.5 N?m）進行預(yù)測，可得其對應(yīng)板厚為35.46 mm。以圖15中黃綠色帶為分界線，對M6-TB3-有間隙情況，按照正常力矩實施擰緊，在板厚超過35 mm 時不會出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，考慮振動等非線性因素，不建議在黃綠色帶分界線邊緣設(shè)計蜂窩板。在有間隙情況下，使用M6-TB3 螺釘?shù)姆涓C板厚建議為36 mm以上。

3 結(jié)論

本文分析了埋件拉脫原因，總結(jié)出其中的影響變量，并根據(jù)分析設(shè)計了試驗方案。1）進行了M5-TB3、M6-TB3 規(guī)格螺釘在埋件有間隙情況下的埋件拉脫驗證試驗，得到其臨界擰緊力矩值。2）對試驗數(shù)據(jù)進行原始數(shù)據(jù)、多項式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合處理，得到了臨界力矩值的范圍和隨試驗變量的分布情況。通過線性插值理論，對蜂窩板厚度為35 mm 時的臨界力矩值進行了估計，試驗結(jié)論為衛(wèi)星熱控設(shè)計和總裝集成提供了有力參考。

但文中未對蜂窩芯子密度和發(fā)泡劑型號進行控制變量分析，這2 種變量主要在膠接面積和膠接強度兩方面對臨界拉脫力矩產(chǎn)生影響。