太陽翼蜂窩夾層結構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.上海復合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天樹脂基復合材料工程技術中心,上海 201112;3.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804；4.同濟大學 磁浮通工程技術研究中心,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，其主要結構為蜂窩夾層[1]。蜂窩夾層結構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構的重要指標，直接影響后續(xù)電池片的安裝與蜂窩夾層結構的正常使用。蜂窩夾層結構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，蜂窩夾層結構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/鋁蜂窩復合材料具有非均勻、各向異性的性質，與一般金屬材料相比，其力學性能要復雜得多[2]。因此，研究降溫條件下蜂窩夾層結構上蒙皮的熱變形具有十分重要的意義。

目前國內外學者對碳纖維/鋁蜂窩夾層結構進行了大量研究，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構為研究對象，對碳纖維層合板和鋁蜂窩心部的彈性常數和熱膨脹系數進行等效計算，發(fā)現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理論及蜂窩夾層結構理論的等效原理，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和動力學等效精度，為蜂窩夾層結構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其局部性能[6]。針對實際鋁蜂窩夾層結構，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)域對蜂窩夾層結構上蒙皮變形的影響，并通過試驗驗證了仿真分析結果的正確性，為后續(xù)蜂窩夾層結構的設計提供了理論基礎。

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、下碳纖維網格面板與蜂窩心部膠接而成，板內膠接壓緊襯套[7]，正面黏貼聚酰亞胺薄膜，以保證電池片與蜂窩夾層結構本體絕緣(見圖1)。蜂窩夾層板的蜂窩區(qū)域和壓緊襯套區(qū)域結構如圖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，碳纖維網格面板與鋁蜂窩之間用膠膜連接(見圖3)。

圖1 蜂窩夾層結構示意

圖2 蜂窩夾層板的蜂窩區(qū)域和壓緊襯套區(qū)域結構示意

圖3 碳纖維網格面板結構示意

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)制備碳纖維網格面板，碳纖維網格面板和聚酰亞胺薄膜材料的性能參數[如彈性模量(E)、泊松比(υ)、剪切模量(G)和熱膨脹系數(α)等]如表1所示，其中聚酰亞胺薄膜厚度為0.05 mm。

表1 碳纖維網格面板和聚酰亞胺薄膜材料的性能參數

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

2 蜂窩夾層結構模型及邊界條件

2.1 蜂窩區(qū)域

蜂窩夾層結構的蜂窩區(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，單元數分別為36 400，21 025，160 636，節(jié)點數分別為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，定義蜂窩夾層結構平面法向為材料的法向，定義蜂窩夾層結構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

蜂窩夾層結構的壓緊襯套區(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，單元數分別為15 769，8 049，136 764，節(jié)點數分別為 15 529，10 176，135 253；發(fā)泡膠采用二次四面體單元(C3D10)模擬，單元數為358 898 ，節(jié)點數為461 970；壓緊襯套采用二次四面體單元(C3D10)模擬，單元數為28 277，節(jié)點數為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，定義蜂窩夾層結構平面法向為材料的法向，定義蜂窩夾層結構x軸方向為材料的主軸方向，壓緊襯套內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，蜂窩夾層結構整體向法向一側內縮；上蒙皮比下蒙皮多一層聚酰亞胺薄膜，故蜂窩夾層的上、下結構不對稱，降溫時，蜂窩夾層結構朝上蒙皮方向發(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對上蒙皮熱變形的影響，依據線路A1B1，A2B2(見圖8)分別提取局部0°碳纖維(內側纖維)和90°碳纖維(外側纖維)，統(tǒng)計不同位置上的法向變形量，結果如圖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對蜂窩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，向內收縮。碳纖維的各向熱膨脹系數不同，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，結果如圖10所示。

圖10 壓緊襯套區(qū)域熱變形的仿真分析結果

為研究不同材料對蜂窩夾層結構熱變形的影響，依據線路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)域的分析結果一致，證明了蜂窩區(qū)域上蒙皮熱變形仿真分析結果的正確性。隨著溫度降低，整個蜂窩夾層結構向內收縮，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，熱膨脹系數大于壓緊襯套與鋁蜂窩的熱膨脹系數，所以三者交界區(qū)域以發(fā)泡膠的變形為主。當溫度降低時，發(fā)泡膠向內收縮，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，碳纖維的鋪層方向對蜂窩夾層結構上蒙皮熱變形有一定影響，但發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域對上蒙皮熱變形的影響更大。

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 蜂窩夾層結構的制備及變形測量

采用熱壓罐成型工藝制備蜂窩夾層結構，蜂窩夾層結構的溫度以0.3 ℃/min的降溫速率，從130 ℃降至20 ℃，降溫時間共為367 min。蜂窩夾層結構已固化為一體，較低的降溫速率可以保證蜂窩夾層結構受熱均勻，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，成型蜂窩夾層結構的宏觀形貌如圖12所示。

圖12 成型蜂窩夾層結構的宏觀形貌

依據線路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，與兩者仿真分析結果的相對誤差分別為11.1%和12.0%，試驗結果與仿真分析結果的吻合度高，可驗證仿真分析結果的正確性。

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，與兩者仿真分析結果的相對誤差分別為14.1%和14.9%，試驗結果與仿真分析結果的吻合度較高；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，與兩者仿真分析結果的相對誤差分別為10.0%和12.0%，試驗結果與仿真分析結果的吻合度較高，可驗證仿真分析結果的正確性。

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

經試驗驗證，仿真分析的結果真實可靠，進一步證明了碳纖維的鋪層方向對蜂窩夾層結構上蒙皮熱變形有一定影響，但發(fā)泡膠與鋁蜂窩交界區(qū)域對上蒙皮熱變形的影響更大。

5 結論

(1) 蜂窩夾層結構的蜂窩區(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) 蜂窩夾層結構的壓緊襯套區(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，證明仿真分析結果準確。

(3) 蜂窩夾層結構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。