某星載二次電源耳片損傷原因分析及改進(jìn)措施

謝小龍，王克成，段立軍，周斌，魏東棟

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

在運(yùn)載火箭發(fā)射及升空的階段，受到火箭脈動(dòng)推力和空氣紊流邊界層的影響，衛(wèi)星平臺(tái)受到?jīng)_擊及振動(dòng)載荷作用。為了驗(yàn)證星載設(shè)備的抗力學(xué)性能，需對(duì)星載設(shè)備進(jìn)行抗力學(xué)試驗(yàn)，保證設(shè)備在發(fā)射及升空階段的可靠性與安全性。

星載二次電源主要通過(guò)耳片固定在衛(wèi)星艙板上，耳片設(shè)計(jì)對(duì)受到力學(xué)載荷作用時(shí)設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。某型號(hào)星載產(chǎn)品在地面進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了耳片安裝孔損傷，本文通過(guò)損傷分析，確定了損傷發(fā)生的原因，提出了避免耳片損傷的措施，并進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，確保產(chǎn)品耳片設(shè)計(jì)可靠。

1 問(wèn)題回顧

力學(xué)試驗(yàn)前，設(shè)計(jì)加工了專門(mén)的力學(xué)試驗(yàn)工裝，并在工裝上設(shè)計(jì)了固定產(chǎn)品的4個(gè)M5螺紋孔。力學(xué)試驗(yàn)時(shí)先用M12六角螺釘將試驗(yàn)工裝固定在力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上，再用4個(gè)M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘將產(chǎn)品固定在試驗(yàn)工裝上。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)工裝的安裝方向調(diào)整產(chǎn)品的試驗(yàn)方向。沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 沖擊試驗(yàn)條件

沖擊試驗(yàn)要求如下：（1）沖擊試驗(yàn)前后應(yīng)進(jìn)行性能測(cè)試；（2）沖擊控制點(diǎn)選在沖擊臺(tái)面上；（3）控制點(diǎn)及鑒定試驗(yàn)組件上均要進(jìn)行響應(yīng)測(cè)量，并需給出時(shí)間歷程曲線，并處理成沖擊響應(yīng)譜（=10）；（4）試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不大于20 ms；（5）為使組件不至于在沖擊試驗(yàn)中超載，在振動(dòng)臺(tái)上做時(shí)應(yīng)注意在逐級(jí)加量中使最終達(dá)到的沖擊譜值控制公差的范圍內(nèi)；在機(jī)械擺式?jīng)_擊臺(tái)上做時(shí)應(yīng)先用與試驗(yàn)組件質(zhì)量相近的配重先進(jìn)行調(diào)臺(tái)，滿足試驗(yàn)條件要求后才正式進(jìn)行試驗(yàn)；（6）控制譜值要求，沖擊響應(yīng)譜值應(yīng)在試驗(yàn)容差要求范圍內(nèi)，并至少有50%響應(yīng)值大于試驗(yàn)規(guī)定值。

試驗(yàn)人員在各項(xiàng)試驗(yàn)開(kāi)始前及同方向三次沖擊試驗(yàn)間檢查了耳片安裝螺釘?shù)木o固力矩，所有力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目完成后再次檢測(cè)了電源箱電性能參數(shù)。結(jié)果標(biāo)明，力學(xué)試驗(yàn)后所有電性能參數(shù)均正常。

力學(xué)試驗(yàn)完成后，對(duì)產(chǎn)品的外形尺寸及安裝接口進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)四個(gè)安裝耳片安裝孔均發(fā)生了損傷，安裝孔內(nèi)側(cè)壁有壓痕，安裝孔直徑外擴(kuò)，安裝耳外側(cè)中間部分外凸。安裝面平面度及其他外形尺寸均與試驗(yàn)前保持一致。耳片損傷照片如圖1所示。

圖1 耳片損傷情況

2 損傷原因分析

故障發(fā)生后，設(shè)計(jì)人員以沖擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)耳片損傷為頂事件進(jìn)行分析，梳理導(dǎo)致耳片損傷的可能事件，得出如圖2所示的故障樹(shù)。

X1事件：結(jié)構(gòu)材料選擇不當(dāng)。二次電源箱結(jié)構(gòu)件選用2A12-H112鋁合金，該材料強(qiáng)度高、重量輕、易加工、不易變形，在航天器材料選用目錄內(nèi)，并已在多種型號(hào)上使用。因此電源箱結(jié)構(gòu)材料選用滿足要求。X1事件可以排除；

X2事件：耳片外形尺寸不合理。將產(chǎn)品安裝接口與衛(wèi)星設(shè)計(jì)與建造規(guī)范進(jìn)行了比對(duì)，耳片設(shè)計(jì)與規(guī)范一致，耳片外形尺寸設(shè)計(jì)是合理的。X2事件可以排除；

X3事件：耳片數(shù)量偏少。產(chǎn)品受到?jīng)_擊時(shí)，受耳片上下端的摩擦力與螺釘對(duì)安裝孔內(nèi)側(cè)壁的擠壓力共同作用。設(shè)計(jì)階段的沖擊校核計(jì)算認(rèn)為4個(gè)螺釘緊固時(shí)產(chǎn)品受到的摩擦力大于沖擊力，4個(gè)安裝點(diǎn)足夠在1 000 g沖擊下緊固產(chǎn)品。沖擊試驗(yàn)表明4個(gè)螺釘緊固時(shí)，產(chǎn)品受到的摩擦力小于沖擊力，螺釘對(duì)安裝孔內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力，擠壓應(yīng)力超過(guò)鋁合金的抗拉強(qiáng)度，造成安裝孔壁損傷。X3事件不可以排除。

X4事件：產(chǎn)品超差。對(duì)產(chǎn)品整機(jī)裝配后的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量，為12 kg，滿足設(shè)計(jì)要求。X4事件可以排除。

X5事件：結(jié)構(gòu)件材料不合格。復(fù)查了該批次結(jié)構(gòu)件加工材料的金屬材料復(fù)驗(yàn)資料，材料的理化性能均符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品使用的材料合格，X5事件可以排除。

X6事件：試驗(yàn)加載過(guò)量級(jí)。對(duì)加載圖譜進(jìn)行了檢查，輸入量級(jí)均在規(guī)定的容差范圍內(nèi)，符合試驗(yàn)要求。對(duì)過(guò)程記錄進(jìn)行檢查，各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)的加載量級(jí)均符合試驗(yàn)大綱要求，不存在試驗(yàn)加載過(guò)量級(jí)的情況，X6事件可以排除。

X7事件：試驗(yàn)設(shè)備故障。檢查了試驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)（周檢）報(bào)告，產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，使用的試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)、傳感器精度均滿足要求，檢測(cè)有效性截止時(shí)間分別是2022年4月15日與2022年6月5日。可以排除試驗(yàn)設(shè)備故障導(dǎo)致電源箱耳片變形的可能。X7事件可以排除。

X8事件：緊固失效。試驗(yàn)時(shí)螺釘擰緊力矩如果達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致耳片和試驗(yàn)工裝之間的摩擦力不足，產(chǎn)品不能有效緊固，過(guò)載時(shí)產(chǎn)品與工裝連接面發(fā)生竄動(dòng)，使安裝耳片和緊固螺釘發(fā)生碰撞，有可能導(dǎo)致耳片發(fā)生變形。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程記錄進(jìn)行了檢查，在各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)前均用規(guī)定的力矩對(duì)4個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行了緊固，力矩扳手經(jīng)檢定合格，并在周檢期內(nèi)。不存在螺釘未按要求力矩?cái)Q緊的情況。X8事件可以排除；

圖2 耳片損傷故障樹(shù)

3 機(jī)理分析

產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品首先依靠螺釘?shù)纳舷戮o固壓力產(chǎn)生的耳片上端與耳片下端的摩擦力起作用，當(dāng)沖擊瞬間的慣性力超出摩擦力后，產(chǎn)品依靠耳片上下端所受到的摩擦力與螺釘對(duì)安裝孔內(nèi)側(cè)壁的正向擠壓力共同起作用。校核計(jì)算采用以下公式：

式中，F表示沖擊受到的慣性力；表示產(chǎn)品的質(zhì)量；表示根據(jù)沖擊量級(jí)確定的加速度，為1 000 g；表示將沖擊力轉(zhuǎn)換為靜力的系數(shù)；表示安裝點(diǎn)數(shù)量，即安裝螺釘數(shù)量；表示所有螺釘提供的總摩擦力；表示螺釘平墊與耳片上端之間的摩擦系數(shù)；表示試驗(yàn)夾具與耳片下端之間的摩擦系數(shù)；F表示螺釘緊固后螺釘對(duì)耳片的預(yù)緊力；F表示單個(gè)安裝孔內(nèi)壁受到的緊壓力。

螺釘平墊材料為鋼，結(jié)構(gòu)件材料為2A12，力學(xué)夾具材料為2A12，經(jīng)查，為0.3，為1.35，8.8級(jí)M5螺釘緊固后的預(yù)緊力F為6 257 N。

產(chǎn)品質(zhì)量為12 kg，A值取值2，受到的總摩擦力為41 296 N，慣性力F為58 800 N，產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時(shí)慣性力大于總摩擦力，產(chǎn)品發(fā)生移動(dòng)，緊固螺釘對(duì)耳片安裝孔側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力。

對(duì)產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)的受力情況進(jìn)行仿真分析，應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖中可以看到耳片安裝孔處的應(yīng)力最大，達(dá)到了809.2 Mpa，超過(guò)了2A12的抗拉強(qiáng)度400 Mpa，耳片會(huì)發(fā)生過(guò)塑性損傷。

圖3 更改前耳片位置應(yīng)力云圖

4 改進(jìn)措施

根據(jù)損傷機(jī)理分析、耳片損傷主要原因是沖擊載荷作用時(shí)，產(chǎn)品耳片安裝孔受到擠壓力作用，擠壓應(yīng)力超出了許用應(yīng)力，耳片安全裕度≤0導(dǎo)致的，增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度，提高產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)中防止耳片損傷的能力。更改后，產(chǎn)品的本體尺寸及最大外形尺寸均不會(huì)發(fā)生變化。安裝耳片數(shù)量由4個(gè)改為6個(gè)。

4.1 更改措施分析

更改后產(chǎn)品受到的總摩擦力為61 944 N，慣性力F為58 800 N，產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時(shí)慣性力小于總摩擦力，產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

圖4 更改后耳片位置應(yīng)力云圖

4.2 更改影響分析

增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度，提高產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)中防止耳片損傷的能力。更改后產(chǎn)品的電性能不受影響，重量增加約30 g，本體尺寸與最大外形尺寸均不發(fā)生更改，R腳位置不變，安裝尺寸有所改變。更改后增加了安裝孔數(shù)量，需增加安裝螺釘數(shù)量。更改后散熱面積增加，各熱耗器件的溫度比更改前降低，機(jī)箱內(nèi)部各模塊力學(xué)環(huán)境不會(huì)變壞，各器件力學(xué)環(huán)境不會(huì)惡化。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分析仿真結(jié)果的正確性，加工了質(zhì)量模擬件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，質(zhì)量模擬件的組裝形式、結(jié)構(gòu)尺寸、重量、耳片位置、建造材料均與產(chǎn)品完全一致，由三個(gè)機(jī)架、前后側(cè)蓋板、內(nèi)部配重件以及上側(cè)蓋板組成，質(zhì)量模擬件重量為12 kg，安裝孔孔徑為φ5.5 mm。將質(zhì)量模擬件按照產(chǎn)品試驗(yàn)條件加載沖擊載荷，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

沖擊試驗(yàn)后各耳片及安裝孔未發(fā)生損傷，說(shuō)明更改措施有效，增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品緊固力，提高產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)時(shí)耳片部位的安全裕度，解決耳片安裝孔損傷的問(wèn)題。

6 結(jié) 論

本文以某產(chǎn)品研制過(guò)程中，耳片安裝孔發(fā)生擠壓損傷為切入點(diǎn)，探討了產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時(shí)耳片數(shù)量的計(jì)算方法，并以此對(duì)耳片損傷機(jī)理進(jìn)行了全面分析，通過(guò)仿真計(jì)算確認(rèn)了耳片損傷的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施，并完成了驗(yàn)證計(jì)算與仿真計(jì)算。

為確認(rèn)更改措施的可靠性，加工了質(zhì)量模擬件，完成了力學(xué)沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品的抗力學(xué)性能，避免沖擊試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品耳片位置發(fā)生損傷。

產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)后耳片受損質(zhì)量問(wèn)題定位準(zhǔn)確，機(jī)理清楚，有效解決了產(chǎn)品研制過(guò)程中出現(xiàn)的耳片損傷問(wèn)題，又為后續(xù)產(chǎn)品的研制提供了復(fù)核計(jì)算方法與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，具有較大的借鑒和參考價(jià)值。