基于振動試驗的基板剛度測試

劉少鋒，任守志，盛 聰，李珊珊

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.北京遙感設備研究所，北京 100039）

基于振動試驗的基板剛度測試

劉少鋒1，任守志1，盛 聰1，李珊珊2

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.北京遙感設備研究所，北京 100039）

為獲取太陽電池陣基板性能，通常在基板生產過程中同步制作隨爐件，采用三點彎曲法測試隨爐件剛度，進而間接判斷基板的性能。但是由于外界因素的影響，該測試結果難以反映基板的真實剛度。文章提出采用單板振動試驗測試基板彎曲剛度，并針對某型號太陽電池陣基板完成了測試。測試結果表明：基板實際剛度與數值分析結果僅相差2.2%；與三點彎曲法測試結果相比，振動試驗測試結果可以更準確反映基板真實性能。

太陽電池陣基板；隨爐試件；剛度測試；振動試驗

0 引言

太陽電池陣一般由數塊太陽電池板、連接架及機構組成，發射過程中依靠壓緊機構收攏于衛星本體側壁，衛星入軌后，壓緊機構釋放約束，在鉸鏈機構的驅動下展開鎖定，為衛星提供電源[1]。太陽電池板由基板和電池及電路組成，基板是電池及電路的載體。為了減輕重量并提高結構剛度，基板通常采用碳纖維復合材料面板的蜂窩芯夾層結構[2]。為避免與整星頻率耦合，基板設計時一般要求剛度大于某數值，因此基板設計過程需要進行剛度測試，確保滿足指標要求。通常在基板生產過程中同步制作隨爐件，采用三點彎曲法進行隨爐件剛度測試[3]，進而間接判斷基板的性能。但是，隨爐件制備過程復雜且質量難以保證，經常出現同批隨爐件的一致性較差、測試結果離散性較大，甚至與基板產品實際剛度存在較大差異的情況。例如某型號太陽電池陣研制過程中隨爐件剛度測試結果與數值分析結果偏差達40%。因此基板隨爐件剛度測試結果并不能真實反映基板產品的實際剛度性能。

正弦振動試驗能夠準確獲得結構的固有特性[4]，其響應數據可直接用于有限元分析模型的修正。本文提出了基于振動試驗直接測試基板剛度的方法。與依賴隨爐件測試結果間接判斷的方法不同，該方法舍棄隨爐件制備等中間環節，減少外界因素的影響，直接對基板產品進行測試；無需進行模型修正，可以直接獲得基板的真實剛度性能。

本文介紹了基板和試驗系統的組成，給出了測試方法和試驗條件，并將測試結果與數值分析結果進行比較，以驗證該測試方法的有效性。

1 基板簡介

太陽電池陣基板一般采用“面板+鋁合金蜂窩”的3層復合結構，由上、下面板和中間的蜂窩芯組成（見圖1）。面板選用剛度和強度較好的薄板材料，如玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、鋁合金等，目前碳纖維復合材料應用最廣。由于對輕量化要求日益提高，為了進一步減輕基板重量，面板由多層碳纖維復合材料制作的空心網格鋪設而成。蜂窩芯常用鋁合金材料，是由側壁極薄的蜂窩陣列排列而成的輕質結構[5]。面板與鋁合金蜂窩芯通過膠粘劑粘接，利用烘箱進行高溫固化成型。蜂窩夾層板以極少的材料代價獲得了極高的彎曲剛度。

圖1 太陽電池板基板組成Fig.1 Composition of the solar panel substrate

2 基板的振動試驗及剛度測試

2.1 測試方法

正弦振動試驗是將基板試件固連在剛性振動臺上，通過振動臺施加給定的加速度激勵，測量試件結構在該條件下的響應[6]。先按照試驗條件進行正弦振動試驗，獲取基板的固有頻率特性；然后將試驗結果與數值分析結果進行比較，判斷基板的剛度性能。

2.2 試驗系統組成

試驗系統由試件、振動臺、夾具、控制系統、數據采集系統、電荷放大器、傳感器等組成。振動控制點上的響應由加速度傳感器反饋到控制系統進行比較和修正，使驅動信號在控制點上產生的加速度響應符合試驗條件的要求[7]。

基板試件通過壓緊裝置安裝在轉接板上，再將轉接板與振動臺連接（見圖2）。試驗時共設置 5個加速度測點（A1～A5）（見圖2(a)），控制傳感器布置見圖2(b)。

圖2 太陽電池板單板振動試驗狀態示意Fig.2 Configuration of the single solar panel vibration test

2.3 試驗條件

基板試件的主振方向為垂直于面板方向（y向），因此僅進行y向振動試驗，試驗加載順序為0.5g、1g、3g，試驗條件見表1。振動試驗過程中掃描速率為2 oct/min。

表1 太陽電池陣單板正弦振動試驗條件Table 1 Conditions of the single solar panel’s sine vibration test

2.4 測試結果

A3測點響應曲線見圖3，由響應曲線可以得到基板y向的基頻為81.57 Hz（試驗模態階次是結合模態分析振型進行判斷而得，前2個波峰頻率與一階陣型頻率相差較大，不是主振頻率）。A4測點響應曲線見圖4，由響應曲線可以得到基板y向的基頻為82.04 Hz（前2個波峰頻率與一階陣型頻率相差較大，不是主振頻率）。

圖3 A3測點響應曲線Fig.3 Response curve of A3 measurement point

圖4 A4測點響應曲線Fig.4 Response curve of A4 measurement point

3 試驗結果與數值分析結果對比

3.1 基于基板材料實際性能參數的數值分析

利用NASTRAN 軟件按照圖2狀態建立基板分析模型，基板振動試驗時通過3個壓緊點將基板與振動臺剛性連接，因此模態分析模型中3個壓緊點處視為固支。采用板殼單元劃分單元，根據碳纖維和蜂窩芯的實際性能（M60單向碳纖維材料拉伸模量為320 GPa，鋁合金蜂窩材料2個方向的剪切模量為6.2×107Pa和1.03×108Pa）建立復合材料模態分析模型[8]。該分析方法已十分成熟，分析得到基板y向的基頻為81.16 Hz，基板一階振型如圖5所示。

圖5 基于材料實際性能參數的基板模態分析結果Fig.5 Substrate modal analysis result based on actual performance parameters of material

3.2 基于隨爐件測試結果的數值分析

在基板生產過程中同步制作了3件隨爐件，采用三點彎曲法完成剛度測試。根據測試結果對基板材料的性能參數進行修正，將修正后的參數代入3.1節的分析模型，得到基板y向的基頻為62.54 Hz，基板一階振型如圖6所示。

圖6 基于隨爐件測試數據的基板模態分析結果Fig.6 Substrate modal analysis result based on testing data of the coupon

3.3 結果比對分析

將上述結果進行比對分析，可得以下結論：

1）基于隨爐件剛度測試結果的基板頻率分析值為62.54 Hz，與基于基板材料實際性能參數的數值分析值81.16 Hz偏差為23%，由此推算基板剛度與數值分析結果偏差為40.6%，兩者相差很大。

2）振動試驗測得基板實際固有頻率為82.04 Hz，與81.16 Hz偏差為1.1%，推算基板剛度與數值分析結果偏差為 2.2%，兩者吻合很好。因此，基板產品實際剛度性能符合設計要求，測試方法合理。

[9]指出，彎曲試驗是比較常用的一種試驗方法，但它主要是作為控制材料性能和質量的規范性試驗。由于試驗件存在橫向剪切應力和應變，測定結果不同于單向復合材料縱向彈性模量和強度數據，其數據一般不宜作為設計使用。此外，基板隨爐件測試涉及隨爐件制備、測試過程的許多環節，例如網格面板成型、復合成型、試驗件的機械加工等，質量控制難度大，不僅同批隨爐件間存在差異，試驗件與基板產品也存在差異，導致測試結果離散性大，測試結果與基板真實性能經常存在偏差。

基于振動試驗的測試則不同，直接將真實基板產品安裝于振動臺上，通過振動試驗實測產品的性能，中間不確定因素較少，因而可以更準確反映產品的性能。

4 結束語

為了準確、直接地獲取太陽電池陣基板的剛度性能，本文提出了基于正弦振動試驗的基板剛度測試方法，通過基板的振動試驗得到其固有頻率，判斷基板的剛度性能。將該測試方法用于某新研太陽電池陣基板的剛度測試，經對比，測試結果與數值分析結果偏差2.2%，說明該測試方法合理。

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（編輯：許京媛）

Measurement of the stiffness of the solar panel substrate based on vibration test

LIU Shaofeng1, REN Shouzhi1, SHENG Cong1, LI Shanshan2
(1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China; 2.Beijing Institute of Remote Sensing Equipment, Beijing 100039, China)

During the development of the solar panel substrate, the performance of the substrate needs to be tested.Commonly, the coupon is made and the stiffness of the coupon is tested by the three-point bending method.But the result may be influenced by external factors during the coupon preparation and the stiffness measurement, and therefore might not truly reflect the substrate’s real performance.In this paper, the stiffness of the substrate is obtained by the vibration test, and the test result shows that the deviation between the actual stiffness and the numerical result is only 2.2%.Compared with the result of the three point bending test, the vibration test result reflects better the real performance of the substrate.

solar panel substrate; coupon; measurement of stiffness; vibration test

V414.6

：B

：1673-1379(2016)05-0526-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.012

劉少鋒（1980—），男，碩士學位，主要從事航天器結構與機構設計工作。E-mail: Liusf501@126.com。

2016-04-26；

：2016-09-20

國家重大科技專項工程