空間站復(fù)合材料收緊裝置剛度及靜力試驗(yàn)分析

王梓橋，周秀燕，許文彬，湯 亮，劉甲秋，朱 楠，楊永生，劉芳芳

（1.哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

柔性太陽翼國內(nèi)首次在中國空間站核心艙成功應(yīng)用，是平臺(tái)及有效載荷正常運(yùn)行的唯一發(fā)電裝置，其成敗直接影響航天器任務(wù)成敗，是空間站系統(tǒng)最復(fù)雜、難度最大的機(jī)電產(chǎn)品之一［1-4］。

不同于剛性或半剛性太陽電池翼的收攏狀態(tài)，柔性太陽翼收攏時(shí)太陽電池板面對(duì)面相互接觸，采取新型的壓緊防護(hù)技術(shù)，以抵抗發(fā)射段產(chǎn)生的過載。目前空間站采用的是低剛度緩沖泡沫均布?jí)壕o力，高剛度收緊裝置傳遞壓緊力。在振動(dòng)環(huán)境中，剛度較好的蜂窩夾層板可以減小柔性陣面的變形［5-10］。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、彎曲強(qiáng)度和剛度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞老化、吸音、隔音及隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，長期以來備受航空結(jié)構(gòu)的關(guān)注［11-20］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的蜂窩芯膠接而成。其中，碳纖維蜂窩夾芯材料上下層為厚度較薄的碳纖維板，主要承擔(dān)面內(nèi)載荷、彎矩及面內(nèi)剪力，碳纖維蜂窩夾芯材料的中間層為厚度較厚、質(zhì)量較輕的蜂窩材料，主要承擔(dān)上下層碳纖維板與夾芯層之間傳遞的載荷和橫向剪力；連接層負(fù)責(zé)將碳纖維薄板與蜂窩夾芯材料連接起來，將剪力由面板傳遞至蜂窩夾芯，或從蜂窩夾芯傳遞至面板［21-23］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以鑲嵌多種類型的埋件，埋件是航天航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用的連接部件，是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)連接時(shí)的主要受力部件，埋件通常是鋁合金、鎂合金等金屬埋件［24-27］。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)收緊裝置是保護(hù)和對(duì)接安裝太陽翼的重要件，如何有效評(píng)估收緊裝置在軌使用工況下的承載能力，準(zhǔn)確測(cè)試收緊裝置的剛度尤為重要。

本文基于收緊裝置在軌狀態(tài)的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行模擬評(píng)估，采用試驗(yàn)板進(jìn)行測(cè)試，擬定6 個(gè)工況進(jìn)行分析，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)并對(duì)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

1 復(fù)合材料收緊裝置介紹

復(fù)合材料收緊裝置包絡(luò)尺寸約2 500 mm×520 mm×60 mm，整體結(jié)構(gòu)為框架式蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，主要由高模量面板、帶孔鋁蜂窩、高剛度加強(qiáng)框架及長短邊框、緩沖泡沫構(gòu)成。加強(qiáng)框架及蜂窩夾層內(nèi)埋多種鋁合金、鎂合金埋件。加強(qiáng)框架由方管、接頭拼接為平面桁架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)鋪層為長度方向?yàn)?°方向，鋪層按照準(zhǔn)各項(xiàng)同性鋪貼，面板采用預(yù)浸料鋪貼，熱壓罐成型工藝，方管、接頭、邊框等由預(yù)浸料鋪貼，模壓工藝制造。復(fù)合材料收緊裝置除緩沖泡沫外，整體覆蓋耐原子氧保護(hù)層。

2 復(fù)合材料收緊裝置試驗(yàn)件試驗(yàn)規(guī)劃

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

靜力試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6 個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，其中4 個(gè)工況為剛度試驗(yàn)，2 個(gè)工況為強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目及順序見表1。帶加強(qiáng)框箱體試驗(yàn)載荷包括0°方向和90°方向，考核試驗(yàn)板受到面內(nèi)、面外剪力和軸向拉力下的彎矩和扭矩。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.1 Test items

圖1 工況試驗(yàn)Fig.1 Test diagram

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

1）試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)制造的基座，基座通過地腳螺栓與地面連接。一側(cè)通過連接件連接于收緊裝置試驗(yàn)板體維修接口上，另一側(cè)連接于基座上；

2）標(biāo)定好的位移傳感器；

3）與傳感器相連的DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀，預(yù)加一級(jí)小載荷（預(yù)試載荷不得超過設(shè)計(jì)載荷的30%），檢驗(yàn)系統(tǒng)是否正常。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

將標(biāo)定好的位移傳感器支放在需測(cè)位移的特征點(diǎn)處，給出一定的壓縮量，待用直角規(guī)校正后，通過磁力表座固定在支架上。將位移傳感器導(dǎo)線分別按編號(hào)連接在DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀相應(yīng)的各個(gè)通道上。接通DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀電源，進(jìn)行初始化，使位移傳感器的初值為0，并且應(yīng)穩(wěn)定無漂移。

測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 面內(nèi)/面外剛度試驗(yàn)位移測(cè)點(diǎn)Fig.2 Displacement measuring points of the in-plane and out-of-plane stiffness tests

1）面內(nèi)剛度測(cè)試位移測(cè)點(diǎn)共10 個(gè)。其中測(cè)點(diǎn)1～4 測(cè)沿板面長邊方向的位移，同一位置的2 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別靠近上下表面；測(cè)點(diǎn)5～10 測(cè)沿板面短邊方向的位移。

2）面外剛度測(cè)試位移測(cè)點(diǎn)共10 個(gè)。其中測(cè)點(diǎn)1～4 測(cè)沿板面長邊方向的位移，同一位置的2 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別靠近上下表面；測(cè)點(diǎn)5～10 測(cè)垂直于板面方向的位移。

3）強(qiáng)度試驗(yàn)位移測(cè)點(diǎn)共12 個(gè)，分為4 個(gè)位置，即4 個(gè)拐角處，每個(gè)位置依次測(cè)沿板面短邊、板面長邊和垂直板面的位移。強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)變每點(diǎn)均粘貼45°三向應(yīng)變（首通道沿板面長邊方向），共26 個(gè)測(cè)點(diǎn)，78 個(gè)通道。其中測(cè)點(diǎn)1～10 粘貼在板面一側(cè)，11～20 對(duì)應(yīng)粘貼在板面另一側(cè)，21～26 粘貼在板側(cè)面。

工況1在E點(diǎn)施加沿+Y方向剪力120 N；

工況2在E點(diǎn)施加沿-Y方向剪力120 N；

工況3在E點(diǎn)施加沿+Z方向剪力110 N；

工況4在E點(diǎn)施加沿-Z方向剪力110 N；

工況5在C點(diǎn)施加+Z方向剪力436.75 N，B點(diǎn)施加+Y方向剪力411.25 N，在E點(diǎn)施加-X方向軸力50.5 N，產(chǎn)生的載荷如下：面內(nèi)彎矩619.75 N·m，面外彎矩684.5 N·m，扭矩56.25 N·m；

工況6在D點(diǎn)施加+Z方向剪力85 N，B點(diǎn)施加+Y方向剪力495.25 N，在E點(diǎn)施加-X方向軸力395.5 N，在A施加+Y方向剪力85 N，產(chǎn)生的載荷如下：面內(nèi)彎矩746.25 N·m，面外彎矩156.5 N·m，扭矩79.5 N·m。

面內(nèi)、面外彎矩加載點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 面內(nèi)、面外彎矩加載點(diǎn)Fig.3 Bending moment loading points on the in-plane and out-of-plane

3 結(jié)果與討論

3.1 面內(nèi)、面外剛度試驗(yàn)

采用在自由端加載相應(yīng)重量砝碼的方式消除結(jié)構(gòu)固重影響，即在收緊裝置的末端，通過滑輪組，吊裝相應(yīng)的砝碼，以克服重力。

將試驗(yàn)狀態(tài)下的收緊裝置試驗(yàn)板看作懸臂梁，根據(jù)梁在端部集中力作用下受彎的計(jì)算公式可反算截面彎曲剛度（EI），即

式中：P為剪力；x為測(cè)點(diǎn)到固支端的距離；l為加載點(diǎn)到固支端的距離；v為測(cè)點(diǎn)的位移。

對(duì)于本項(xiàng)剛度試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)7、8 對(duì)應(yīng)的計(jì)算為式（2），測(cè)點(diǎn)9、10 對(duì)應(yīng)的計(jì)算為式（3）：

試驗(yàn)前，對(duì)面外和面內(nèi)受剪力情況進(jìn)行初步有限元分析，如圖4 所示。通過理論分析，加載端位移最大，即測(cè)點(diǎn)9、10 為最大位移處。

圖4 面外、面內(nèi)受剪位移Fig.4 Displacement diagrams of the in-plane and out-of-plane under shear stresses

其中測(cè)點(diǎn)9、10 靠近加載端，測(cè)點(diǎn)在復(fù)合材料加強(qiáng)框上；測(cè)點(diǎn)7、8 為蜂窩夾芯連接的加強(qiáng)框中部。表2 中為典型測(cè)點(diǎn)7～10 剛度計(jì)算值，剛度值EI是由圖中曲線經(jīng)線性擬合獲得P/v值后計(jì)算得到?？梢钥闯觯? 處測(cè)點(diǎn)得到的彎曲剛度有所差別。

表2 收緊裝置剛度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of the tightening device stiffness tests

收緊裝置試驗(yàn)件除內(nèi)部加強(qiáng)框外，還帶有增加剛度的側(cè)邊框，因此收緊裝置各部分彎曲剛度并不一致。計(jì)算值分析：面外剛度加載根部比中部剛度高28.9%～32.9%，面內(nèi)剛度加載根部比中部剛度高42%。對(duì)比面外和面內(nèi)剛度數(shù)據(jù)，可知收緊裝置試驗(yàn)板的面內(nèi)剛度較大，高于面外剛度1 個(gè)量級(jí)。

2 個(gè)方向試驗(yàn)的載荷-位移曲線如圖5 和圖6 所示。由面內(nèi)剛度試驗(yàn)曲線可知，測(cè)點(diǎn)7 和8、測(cè)點(diǎn)9和10 分別為對(duì)稱關(guān)系，證實(shí)收緊裝置試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)剛度較好，位移變化具有一致性。

圖5 面外剛度試驗(yàn)Fig.5 Out-of-plane stiffness tests

圖6 面內(nèi)剛度試驗(yàn)Fig.6 In-plane stiffness tests

剛度試驗(yàn)完成后，對(duì)收緊裝置試驗(yàn)件進(jìn)行了無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)件未出現(xiàn)損傷，滿足設(shè)計(jì)裕度指標(biāo)要求。

收緊裝置最大位移對(duì)比見表3，由表3 可知，復(fù)合材料收緊裝置面外方向理論最大位移為40.89 mm，面內(nèi)方向最大位移3.97 mm，實(shí)測(cè)位移分別為36.41 mm及3.59 mm，理論與實(shí)際偏差均小于12%，證明復(fù)合材料收緊裝置理論預(yù)測(cè)方法正確，工藝過程控制較好，可以指導(dǎo)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表3 收緊裝置理論和實(shí)測(cè)最大位移對(duì)比Tab.3 Comparison of the maximum displacements of the tightening device obtained by the theoretical prediction and actual measurement

3.2 0°、90°強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 0°、90°工況位移分析

為避免收緊裝置自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在收緊裝置的末端，通過滑輪組，吊裝相應(yīng)的砝碼，以克服重力。試驗(yàn)前，對(duì)收緊裝置進(jìn)行了預(yù)加載試驗(yàn)，預(yù)試載荷為設(shè)計(jì)載荷的30%，確定試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝、加載及測(cè)量無異常，卸載回零后開始試驗(yàn)。每一級(jí)的加載載荷為設(shè)計(jì)載荷的10%，加載完畢后，采集對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變及位移值。其中測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)11為自由端測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)短邊、長邊和垂直板面的位移。0°和90°工況強(qiáng)度試驗(yàn)的載荷-位移曲線如圖7 所示。從圖7 中曲線斜率不同可知，強(qiáng)度工況組合載荷作用下，收緊裝置試驗(yàn)件自由端產(chǎn)生了較大的位移，即測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)11位移變化較大。

圖7 0°/90°工況強(qiáng)度試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of the 0 °/90° strength tests

表4～表6 統(tǒng)計(jì)了0°和90°工況下12 個(gè)位移測(cè)點(diǎn)的最大值。

表4 X 向測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量最大值Tab.4 Measured maximum displacement values of the Xdirection measuring points

表5 Y 向測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量最大值Tab.5 Measured maximum displacement values of the Ydirection measuring points

表6 Z 向測(cè)點(diǎn)位移測(cè)量最大值Tab.6 Measured maximum displacement values of the Zdirection measuring points

從表4～表6 數(shù)據(jù)可知：兩個(gè)方向均為Y向位移最大，Z向位移其次，X向位移相對(duì)較小。位移數(shù)據(jù)的線性度均較好，證實(shí)在加載過程中結(jié)構(gòu)剛度未出現(xiàn)明顯改變。

3.2.2 0°、90°工況應(yīng)變分析

通過78 個(gè)通道采集到26 個(gè)測(cè)點(diǎn)的載荷-位移數(shù)據(jù)，正面測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1～10）的應(yīng)變-載荷曲線如圖8和圖9 所示，反面測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)11～20）的應(yīng)變-載荷曲線如圖10 和圖11 所示，側(cè)面測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)21～26）的應(yīng)變-載荷曲線如圖12 所示。

圖8 編號(hào)1～4 測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變曲線Fig.8 load-strain curves of Nos.1～4 measuring points

圖9 編號(hào)5～10 測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變曲線Fig.9 Load-strain curves of Nos.5～10 Measuring points

圖10 編號(hào)11～14 測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變曲線Fig.10 Load-strain curves of Nos.11～14 measuring points

圖11 編號(hào)15～20 測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變曲線Fig.11 Load-strain curves of Nos.15～20 measuring points

圖12 編號(hào)21～26 測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變曲線Fig.12 Load-strain curves of Nos.21～26 measuring points

由圖可知，遠(yuǎn)離根部的正面和反面測(cè)點(diǎn)（5～10，15～20）的線性度更好，表明試驗(yàn)的加載均勻，加載過程中結(jié)構(gòu)的剛度未出現(xiàn)明顯改變。

通過位移數(shù)據(jù)可知，0°工況強(qiáng)度正面測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變最大值為-986 με（測(cè)點(diǎn)3-0°），反面測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變最大值為595 με（測(cè)點(diǎn)14-45°）。90°工況強(qiáng)度正面測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變最大值為-2 363 με（測(cè)點(diǎn)3-0°），反面測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變最大值為579 με（測(cè)點(diǎn)14-45°）。其中，90°工況與0°工況正反面最大應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)相同（正面測(cè)點(diǎn)3-0°、反面測(cè)點(diǎn)14-45°），因此可知，收緊裝置試驗(yàn)板正面測(cè)點(diǎn)3 位置，即加載端固定點(diǎn)內(nèi)側(cè)上方位置，在兩個(gè)強(qiáng)度工況下，此處區(qū)域局部受壓嚴(yán)重，可設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)件未出現(xiàn)損傷，滿足設(shè)計(jì)裕度指標(biāo)要求。

3.3 結(jié)果分析

本次靜力試驗(yàn)，有效測(cè)得了收緊裝置的面外、面內(nèi)兩個(gè)方向剛度，考核了結(jié)構(gòu)0°和90°方向的承載能力，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?。試?yàn)后經(jīng)無損檢測(cè)，試驗(yàn)件未出現(xiàn)損傷。

1）通過剛度試驗(yàn)可知，帶有邊框及加強(qiáng)框的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，面內(nèi)剛度高于面外剛度一個(gè)量級(jí)。

2）通過強(qiáng)度試驗(yàn)可知，Y向位移最大，Z向位移其次，X方向位移較小。

3）對(duì)比0°工況與90°工況，均為加載端固定點(diǎn)內(nèi)側(cè)上方位置應(yīng)變最大，此區(qū)域局部受壓嚴(yán)重，可在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4）復(fù)合材料收緊裝置理論與實(shí)際偏差均小于12%，證明復(fù)合材料收緊裝置理論預(yù)測(cè)方法正確，工藝過程控制較好，可以指導(dǎo)后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過該試驗(yàn)，有效地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度考核，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和工藝的可行性，對(duì)產(chǎn)品后續(xù)設(shè)計(jì)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

本文研究了收緊裝置設(shè)計(jì)載荷下的剛度和強(qiáng)度，通過計(jì)算得到收緊裝置樣機(jī)的剛度數(shù)據(jù)，并根據(jù)在軌狀態(tài)對(duì)0°、90°強(qiáng)度位移和應(yīng)變進(jìn)行了評(píng)估，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)研究做進(jìn)一步優(yōu)化。