空間站復合材料收緊裝置剛度及靜力試驗分析

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.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

柔性太陽翼國內首次在中國空間站核心艙成功應用，是平臺及有效載荷正常運行的唯一發電裝置，其成敗直接影響航天器任務成敗，是空間站系統最復雜、難度最大的機電產品之一［1-4］。

不同于剛性或半剛性太陽電池翼的收攏狀態，柔性太陽翼收攏時太陽電池板面對面相互接觸，采取新型的壓緊防護技術，以抵抗發射段產生的過載。目前空間站采用的是低剛度緩沖泡沫均布壓緊力，高剛度收緊裝置傳遞壓緊力。在振動環境中，剛度較好的蜂窩夾層板可以減小柔性陣面的變形［5-10］。

蜂窩夾層結構質量輕、彎曲強度和剛度大、抗失穩能力強、耐疲勞老化、吸音、隔音及隔熱性能好等優點，長期以來備受航空結構的關注［11-20］。蜂窩夾層結構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，主要承擔面內載荷、彎矩及面內剪力，碳纖維蜂窩夾芯材料的中間層為厚度較厚、質量較輕的蜂窩材料，主要承擔上下層碳纖維板與夾芯層之間傳遞的載荷和橫向剪力；連接層負責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］。蜂窩夾層結構內部可以鑲嵌多種類型的埋件，埋件是航天航空結構設計中廣泛使用的連接部件，是蜂窩夾層結構與其他結構連接時的主要受力部件，埋件通常是鋁合金、鎂合金等金屬埋件［24-27］。

蜂窩夾層結構收緊裝置是保護和對接安裝太陽翼的重要件，如何有效評估收緊裝置在軌使用工況下的承載能力，準確測試收緊裝置的剛度尤為重要。

本文基于收緊裝置在軌狀態的力學環境進行模擬評估，采用試驗板進行測試，擬定6 個工況進行分析，指導產品設計并對剛度、強度進行測試。

1 復合材料收緊裝置介紹

復合材料收緊裝置包絡尺寸約2 500 mm×520 mm×60 mm，整體結構為框架式蜂窩夾層結構，主要由高模量面板、帶孔鋁蜂窩、高剛度加強框架及長短邊框、緩沖泡沫構成。加強框架及蜂窩夾層內埋多種鋁合金、鎂合金埋件。加強框架由方管、接頭拼接為平面桁架結構。設計鋪層為長度方向為0°方向，鋪層按照準各項同性鋪貼，面板采用預浸料鋪貼，熱壓罐成型工藝，方管、接頭、邊框等由預浸料鋪貼，模壓工藝制造。復合材料收緊裝置除緩沖泡沫外，整體覆蓋耐原子氧保護層。

2 復合材料收緊裝置試驗件試驗規劃

2.1 試驗項目

靜力試驗共設計6 個試驗項目，其中4 個工況為剛度試驗，2 個工況為強度試驗，試驗項目及順序見表1。帶加強框箱體試驗載荷包括0°方向和90°方向，考核試驗板受到面內、面外剪力和軸向拉力下的彎矩和扭矩。

表1 試驗項目Tab.1 Test items

圖1 工況試驗Fig.1 Test diagram

2.2 試驗設備

1）試驗采用自行設計制造的基座，基座通過地腳螺栓與地面連接。一側通過連接件連接于收緊裝置試驗板體維修接口上，另一側連接于基座上；

2）標定好的位移傳感器；

3）與傳感器相連的DH3816 靜態應變儀，預加一級小載荷（預試載荷不得超過設計載荷的30%），檢驗系統是否正常。

2.3 測點布置及試驗工況

將標定好的位移傳感器支放在需測位移的特征點處，給出一定的壓縮量，待用直角規校正后，通過磁力表座固定在支架上。將位移傳感器導線分別按編號連接在DH3816 靜態應變儀相應的各個通道上。接通DH3816 靜態應變儀電源，進行初始化，使位移傳感器的初值為0，并且應穩定無漂移。

測點布置如圖2 所示。

圖2 面內/面外剛度試驗位移測點Fig.2 Displacement measuring points of the in-plane and out-of-plane stiffness tests

1）面內剛度測試位移測點共10 個。其中測點1～4 測沿板面長邊方向的位移，同一位置的2 個測點分別靠近上下表面；測點5～10 測沿板面短邊方向的位移。

2）面外剛度測試位移測點共10 個。其中測點1～4 測沿板面長邊方向的位移，同一位置的2 個測點分別靠近上下表面；測點5～10 測垂直于板面方向的位移。

3）強度試驗位移測點共12 個，分為4 個位置，即4 個拐角處，每個位置依次測沿板面短邊、板面長邊和垂直板面的位移。強度試驗應變每點均粘貼45°三向應變（首通道沿板面長邊方向），共26 個測點，78 個通道。其中測點1～10 粘貼在板面一側，11～20 對應粘貼在板面另一側，21～26 粘貼在板側面。

工況1在E點施加沿+Y方向剪力120 N；

工況2在E點施加沿-Y方向剪力120 N；

工況3在E點施加沿+Z方向剪力110 N；

工況4在E點施加沿-Z方向剪力110 N；

工況5在C點施加+Z方向剪力436.75 N，B點施加+Y方向剪力411.25 N，在E點施加-X方向軸力50.5 N，產生的載荷如下：面內彎矩619.75 N·m，面外彎矩684.5 N·m，扭矩56.25 N·m；

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

面內、面外彎矩加載點如圖3 所示。

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

3 結果與討論

3.1 面內、面外剛度試驗

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

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

式中：P為剪力；x為測點到固支端的距離；l為加載點到固支端的距離；v為測點的位移。

對于本項剛度試驗的測點，測點7、8 對應的計算為式（2），測點9、10 對應的計算為式（3）：

試驗前，對面外和面內受剪力情況進行初步有限元分析，如圖4 所示。通過理論分析，加載端位移最大，即測點9、10 為最大位移處。

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

其中測點9、10 靠近加載端，測點在復合材料加強框上；測點7、8 為蜂窩夾芯連接的加強框中部。表2 中為典型測點7～10 剛度計算值，剛度值EI是由圖中曲線經線性擬合獲得P/v值后計算得到。可以看出，2 處測點得到的彎曲剛度有所差別。

表2 收緊裝置剛度試驗結果Tab.2 Results of the tightening device stiffness tests

收緊裝置試驗件除內部加強框外，還帶有增加剛度的側邊框，因此收緊裝置各部分彎曲剛度并不一致。計算值分析：面外剛度加載根部比中部剛度高28.9%～32.9%，面內剛度加載根部比中部剛度高42%。對比面外和面內剛度數據，可知收緊裝置試驗板的面內剛度較大，高于面外剛度1 個量級。

2 個方向試驗的載荷-位移曲線如圖5 和圖6 所示。由面內剛度試驗曲線可知，測點7 和8、測點9和10 分別為對稱關系，證實收緊裝置試驗件結構剛度較好，位移變化具有一致性。

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

圖6 面內剛度試驗Fig.6 In-plane stiffness tests

剛度試驗完成后，對收緊裝置試驗件進行了無損檢測，檢測結果表明，試驗件未出現損傷，滿足設計裕度指標要求。

收緊裝置最大位移對比見表3，由表3 可知，復合材料收緊裝置面外方向理論最大位移為40.89 mm，面內方向最大位移3.97 mm，實測位移分別為36.41 mm及3.59 mm，理論與實際偏差均小于12%，證明復合材料收緊裝置理論預測方法正確，工藝過程控制較好，可以指導后續優化設計。

表3 收緊裝置理論和實測最大位移對比Tab.3 Comparison of the maximum displacements of the tightening device obtained by the theoretical prediction and actual measurement

3.2 0°、90°強度試驗

3.2.1 0°、90°工況位移分析

為避免收緊裝置自重對試驗結果的影響，在收緊裝置的末端，通過滑輪組，吊裝相應的砝碼，以克服重力。試驗前，對收緊裝置進行了預加載試驗，預試載荷為設計載荷的30%，確定試驗系統的安裝、加載及測量無異常，卸載回零后開始試驗。每一級的加載載荷為設計載荷的10%，加載完畢后，采集對應測點的應變及位移值。其中測點7～測點11為自由端測點，對應短邊、長邊和垂直板面的位移。0°和90°工況強度試驗的載荷-位移曲線如圖7 所示。從圖7 中曲線斜率不同可知，強度工況組合載荷作用下，收緊裝置試驗件自由端產生了較大的位移，即測點7～測點11位移變化較大。

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

表4～表6 統計了0°和90°工況下12 個位移測點的最大值。

表4 X 向測點位移測量最大值Tab.4 Measured maximum displacement values of the Xdirection measuring points

表5 Y 向測點位移測量最大值Tab.5 Measured maximum displacement values of the Ydirection measuring points

表6 Z 向測點位移測量最大值Tab.6 Measured maximum displacement values of the Zdirection measuring points

從表4～表6 數據可知：兩個方向均為Y向位移最大，Z向位移其次，X向位移相對較小。位移數據的線性度均較好，證實在加載過程中結構剛度未出現明顯改變。

3.2.2 0°、90°工況應變分析

通過78 個通道采集到26 個測點的載荷-位移數據，正面測點（測點1～10）的應變-載荷曲線如圖8和圖9 所示，反面測點（測點11～20）的應變-載荷曲線如圖10 和圖11 所示，側面測點（測點21～26）的應變-載荷曲線如圖12 所示。

圖8 編號1～4 測點載荷-應變曲線Fig.8 load-strain curves of Nos.1～4 measuring points

圖9 編號5～10 測點載荷-應變曲線Fig.9 Load-strain curves of Nos.5～10 Measuring points

圖10 編號11～14 測點載荷-應變曲線Fig.10 Load-strain curves of Nos.11～14 measuring points

圖11 編號15～20 測點載荷-應變曲線Fig.11 Load-strain curves of Nos.15～20 measuring points

圖12 編號21～26 測點載荷-應變曲線Fig.12 Load-strain curves of Nos.21～26 measuring points

由圖可知，遠離根部的正面和反面測點（5～10，15～20）的線性度更好，表明試驗的加載均勻，加載過程中結構的剛度未出現明顯改變。

通過位移數據可知，0°工況強度正面測點測得的應變最大值為-986 με（測點3-0°），反面測點測得的應變最大值為595 με（測點14-45°）。90°工況強度正面測點測得的應變最大值為-2 363 με（測點3-0°），反面測點測得的應變最大值為579 με（測點14-45°）。其中，90°工況與0°工況正反面最大應變值對應的測點相同（正面測點3-0°、反面測點14-45°），因此可知，收緊裝置試驗板正面測點3 位置，即加載端固定點內側上方位置，在兩個強度工況下，此處區域局部受壓嚴重，可設計進行補強。

強度試驗完成后，對試驗件進行了無損檢測，檢測結果表明，試驗件未出現損傷，滿足設計裕度指標要求。

3.3 結果分析

本次靜力試驗，有效測得了收緊裝置的面外、面內兩個方向剛度，考核了結構0°和90°方向的承載能力，達到了預期試驗目的。試驗后經無損檢測，試驗件未出現損傷。

1）通過剛度試驗可知，帶有邊框及加強框的蜂窩夾層結構，面內剛度高于面外剛度一個量級。

2）通過強度試驗可知，Y向位移最大，Z向位移其次，X方向位移較小。

3）對比0°工況與90°工況，均為加載端固定點內側上方位置應變最大，此區域局部受壓嚴重，可在后續設計中進行補強。

4）復合材料收緊裝置理論與實際偏差均小于12%，證明復合材料收緊裝置理論預測方法正確，工藝過程控制較好，可以指導后續結構優化設計。

通過該試驗，有效地對產品進行了剛度、強度考核，驗證了設計的合理性和工藝的可行性，對產品后續設計具有重要應用價值。

4 結束語

本文研究了收緊裝置設計載荷下的剛度和強度，通過計算得到收緊裝置樣機的剛度數據，并根據在軌狀態對0°、90°強度位移和應變進行了評估，根據試驗數據對后續結構研究做進一步優化。