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浏览:- 发布日期:2023-02-24 14:32:15【

王树宏1,2,庄 纯1,2,史耀辉1,2,孙友刚3,4,沈 峰1,2,刘图远1,2,张志新1,2

(1.上海复合材料科技有限公司,上海 201112;2.上海航天树脂基复合材料工程技术中心,上海 201112; 3.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804;4.同济大学 磁浮通工程技术研究中心,上海 201804)

摘 要:采用仿真分析的方法,研究了蜂窝区域和压紧衬套区域对太阳翼蜂窝夹层结构上蒙皮 热变形的影响结果表明:蜂窝区域碳纤维的铺层方向对上蒙皮变形有一定影响;在蜂窝夹层结构 的压紧衬套区域中,上蒙皮的最大变形位于发泡胶与铝蜂窝交界处,该处对上蒙皮变形影响明显; 当热压罐温度由130 降为20 ,蜂窝区域以及压紧衬套区域上蒙皮碳纤维与90°碳纤维经 试验测得的变形量与仿真计算结果的差值分别为11.1%,12.0%,14.1%14.9%,证明仿真分析 结果可靠

关键词:太阳翼;蜂窝夹层结构;热变形;影响因素;仿真分析 中图分类号:TB33;TG115.9 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0001-05

太阳电池阵是卫星供配组成,其主要结构为蜂窝夹层[1]的上 蒙皮电池安装,蒙皮部变窝夹的重指标,直接影响片的安装与蜂窝夹层结构的正常使用蜂窝夹层结 构在升温至固化未完成时,胶膜处于黏稠状或者液 ,下蒙皮与蜂窝心部处于相对自由的状态,互影响较小;保温至固化完成时,下蒙皮与蜂窝 心部以高温状态固化为一体,此时认定为初始状态; 降温时,蜂窝夹层结构上蒙皮的变形受到自身变形铝蜂窝和发泡胶等因素的影响,同时碳纤维/铝蜂窝 复合材料具有非均匀各向异性的性质,与一般金属 材料相比,其力学性能要复杂得多[2]因此,研究降 温条件下蜂窝夹层结构上蒙皮的热变形具有十分重 要的意义目前国内外学者对碳纤维/铝蜂窝夹层结构进 行了大量研究,丁延卫等[3]以某卫星的碳纤维/铝蜂 窝太阳翼蜂窝夹层结构为研究对象,对碳纤维层合 板和铝蜂窝心部的弹性常数和热膨胀系数进行等效 计算,发现面板铺层材料特性对基板的热变形影响 很大,在建立分析模型,不能将其等效为各向同性 的均匀材料张弘弛[4]基于反射器实际装配条件, 建立了全尺寸反射器有限元模型,发现反射器工作 面装配的埋块和紧固件能够有效减小工作面变形, 采用精度拟合的方法得到了全尺寸反射器型面精度 的均方差,说明了该反射器具有良好的抵抗热变形 能力和较高的型面精度李贤冰等[5]分析了三明治 夹心板理论、Hoff等刚度理论改进的 Allen理论 及蜂窝夹层结构理论的等效原理,并与实体单元建 立的蜂窝夹层板进行比较,研究了4种等效方法的 静力学和动力学等效精度,为蜂窝夹层结构等效方 法的选取提供参考蜂窝是一种多孔的不连续材料,将蜂窝等效为 均匀材料不能体现其局部性能[6]针对实际铝蜂窝 夹层结构,笔者采用有限元软件进行仿真分析,研究 了蜂窝区域和压紧衬套区域对蜂窝夹层结构上蒙皮 变形的影响,并通过试验验证了仿真分析结果的正 确性,为后续蜂窝夹层结构的设计提供了理论基础。 

1 试验材料及制备方法

1.1 试验材料

太阳翼蜂窝夹层主要由上下碳纤维网格面板与 蜂窝心部胶接而成,板内胶接压紧衬套[7],正面黏贴聚 酰亚胺薄膜,以保证电池片与蜂窝夹层结构本体绝缘 (见图1)。蜂窝夹层板的蜂窝区域和压紧衬套区域结 构如图2所示,蜂窝区域的铝蜂窝厚度为22mm,压紧 衬套采用钛合金制成,压紧衬套与铝蜂窝的交界区域 填充了发泡胶蜂窝夹层碳纤维网格面板的铺层方向 90°,单层碳纤维厚度为0.1mm,碳纤维网格面 板与铝蜂窝之间用胶膜连接(见图3)。 1.2 制备方法 选取 M55J型碳纤维(二氨基缩水甘油型二苯 基甲烷环氧树脂+二氨基二苯砜)制备碳纤维网格面板,碳纤维网格面板和聚酰亚胺薄膜材料的性能 参数[如弹性模量(E)、泊松比(υ)、剪切模量(G)热膨胀系数(α)]如表1所示,其中聚酰亚胺薄膜 厚度为0.05mm。


铝蜂窝为边长为0.03mm 的六边形蜂窝,压紧 衬套材料为钛合金,内径为30mm,壁厚为2mm, 胶膜厚度为0.15mm。铝蜂窝胶膜发泡胶和钛合 金材料的性能参数如表2。 

2 蜂窝夹层结构模型及边界条件

2.1 蜂窝区域 

蜂窝夹层结构的蜂窝区域由铝蜂窝和蒙皮组 ,尺 寸 为 100 mm×87 mm×22.65 mm(× ×),有限元模型如图4所示,可知上下蒙皮以 及铝蜂窝均采用四边形壳单元(S4R)模拟,单元数 分别 为 36400,21025,160636,节 点 数 分 别 为 36261,24623,161371。 蒙皮与铝蜂窝均为各向异性材料,蜂窝区域的 边界条件如图5所示,定义蜂窝夹层结构平面法向 为材料的法向,定义蜂窝夹层结构x 轴方向为材料 的主轴方向,在蜂窝左下方碳纤维上a 点添加固定 约束,蜂 窝 两 侧 的 平 面 沿 x 轴 和y 轴 施 加 对 称 约束


2.2 压紧衬套区域

蜂窝夹层结构的压紧衬套区域由压紧衬套泡胶蜂 窝 以 及 蒙 皮 等 组 成,尺 寸 为 210 mm× 218.24mm×22.65mm(××),有限元模型 如图6所示由图6可知:下蒙皮以及铝蜂窝均采用 四 边 形 壳 单 元 (S4R)模 拟,单 元 数 别 为 15769,8049,136764,节 点 数 分 别 为 15529, 10176,135 253;发 泡 胶 采 用 二 次 四 面 体 单 元 (C3D10),358 898 ,461970;次四(C3D10),单元数为28277,44096。 蒙皮与铝蜂异性,压紧衬套区 域的边界条件如图7所示,定义蜂窝夹层结构平面 法向为材料的法向,定义蜂窝夹层结构x 轴方向为 材料轴方,, 紧衬下方b ,1约束,对称面为垂直y 轴的平面,平面2施加对称 约束,对称面为垂直x 轴的平面。 

3 热变形仿真分析 

3.1 蜂窝区域 

在上述蜂窝区域的约束条件下,130 降为20 ℃,然后对蜂窝区域的况进 行仿真分析,结果如图8所示由图8:置处位移为0,蜂窝夹层结构整体向法向; 上蒙皮比下蒙皮多一层聚酰亚胺薄膜,故蜂窝夹层 的上下结构不对称,降温时,蜂窝夹层结构朝上蒙 皮方向发生翘曲8 蜂窝区域热变形的仿真分析结果 9 蜂窝区域碳纤维和90°碳纤维的法向变形量变化曲线 为研究碳纤维铺层方向对上蒙皮热变形的影响, 依据线路A1B1,A2B2(见图8)分别提取局部碳纤 (内侧纤维)90°碳纤维(外侧纤维),统计不同位 置上的法向变形量,结果如图9所示由图9可知: 碳纤维的最大变形0.0198mm,90°碳纤维的 最大变形量为0.0232mm,与两者碳纤维节点的变形 量分别相差0.0018,0.0050mm,说明碳纤维的铺层 方向对蜂窝夹层板上蒙皮热变形有一定影响降温 过程中,碳纤维主要受铝蜂窝和聚酰亚胺薄膜影响, 向内收缩碳纤维的各向热膨胀系数不同,在碳纤维 节点处,随着温度降低,0°碳纤维沿纤维主轴方向(x )膨胀(纤维束沿纤维方向热膨胀系数为负),90°纤维沿纤维主轴方向(x )收缩(纤维束沿垂直纤维 方向热膨胀系数为正),并且90°碳纤维在碳纤维上 ,0°碳纤维有上凸趋势,减小了碳纤维的向下变 形量,90°碳纤维有下凹趋势,增加了90°碳纤维的向 下变形量,所以90°碳纤维的法向变形量大于碳纤 维的法向变形量


3.2 压紧衬套区域 

在上述蜂窝区域的约束条件下,将加热温度由 130 20 ,域的热变形情 仿真分,10


为研究不同材料对蜂窝夹层结构热变形的影 ,线C1D1,C2D2(10)皮中0°维与90°碳纤维,统计,果如图11所示由图11可知:0°碳纤维与90°碳纤 维在发泡胶与铝蜂窝交界区域的法向变形量最大, 分别约为0.0201,0.0237mm,与压紧衬套处的阶 差分别为0.0192,0.0227mm;点与碳纤,90°0.0020,0. 0050mm,两个方向的阶差与之前蜂窝区域的分析 结果一致,证明了蜂窝区域上蒙皮热变形仿真分析 结果的正确性随着温度降低,整个蜂窝夹层结构 向内收缩,法向变形量为负因发泡胶的法向刚度 小于压紧衬套与铝蜂窝的法向刚度,热膨胀系数大 于压紧衬套与铝蜂窝的热膨胀系数,所以三者交界 区域以发泡胶的变形为主当温度降低时,发泡胶 向内收缩,发泡胶区域的法向变形量最大,故上蒙皮 碳纤维的法向变形量随着远离压紧衬套先变大后 变小综上所述,碳纤维的铺层方向对蜂窝夹层结构 上蒙皮热变形有一定影响,但发泡胶与铝蜂窝交界 区域对上蒙皮热变形的影响更大。 


4 蜂窝夹层结构的制备及变形测量 

采用热压罐成型工艺制备蜂窝夹层结构,蜂窝 夹层 结 构 的 温 度 以 0.3 ℃/min 的 降 温 速 率,130 降至20 ℃,降温时间共为367min。蜂窝夹 层结构已固化为一体,较低的降温速率可以保证蜂 窝夹层结构受热均匀,使材料的变形尽可能只受温 差影响随后脱膜修整,采用三维近景摄影测量法 进行上蒙皮变形量的测试,成型蜂窝夹层结构的宏 观形貌如图12所示12 成型蜂窝夹层结构的宏观形貌 依据线路E1F1,E2F2[见图12a)]分别提取上 蒙皮碳纤维与90°碳纤维,统计不同位置上的法 向变形量,结果如图13所示由图13可知:实测法 向变形量的整体趋势与仿真分析结果一致,其中实 碳纤维的最大变形量0.0216mm,90°碳纤 维的最大变形量为0.0243mm,者碳纤维节点 的变形量分别相差0.0020,0.0056mm,与两者仿 真分析结果的相对误差分别为11.1%12.0%,验结果与仿真分析结果的吻合度高,可验证仿真分 析结果的正确性13 实测蜂窝区域碳纤维和90°碳纤维的法向变形量变化曲线 依据线路 H1L1,H2L2[12b)]蒙皮中分0° 维与90°,, 1414:实测变形整体仿,90°碳纤维在发泡胶与铝蜂窝交界区域的变形量最 ,分别约为0.0232,0.0274mm,与压紧衬套区域 的阶差分别为0.0219,0.0261mm,与两者仿真分 析结果的相对误 差 分 别 为 14.1% 14.9%,试 验 结果与仿真 分 析 结 果 的 吻 合 度 较 高;铝 蜂 窝 的 碳 纤维节 点 与 纤 维、90°碳 纤 维 的 阶 差 分 别 为 0.0022,0.0056mm,与两者仿真分析结果的相对 误差分别为10.0%12.0%,试验 结 果 与 仿 真 分 析结果的吻 合 度 较 高,可 验 证 仿 真 分 析 结 果 的 正 确性14 实测压紧衬套区域碳纤维和90°碳纤维的 法向变形量变化曲线 经试验验证,仿真分析的结果真实可靠,进一步 证明了碳纤维的铺层方向对蜂窝夹层结构上蒙皮热 变形有一定影响,但发泡胶与铝蜂窝交界区域对上 蒙皮热变形的影响更大

5 结论

(1)蜂窝夹层结构的蜂窝区域上蒙皮的变形主 要受碳纤维铺层方向影响,其中纤维节点与90°纤 维 交 界 处 的 变 形 量 最 大,仿 真 阶 差 约 为 0.0050mm,实测阶差为0.0056 mm,两者相对误 差为12.0%,吻合度高(2)蜂窝夹层结构的压紧衬套区域上蒙皮的变 形量随着逐渐远离衬套孔先变大后变小,在铝蜂窝 与发泡胶 交 界 区 域 的 变 形 量 最 大,仿 真 阶 差 约 为 0.0227mm,实测阶差为0.0261 mm,两者相对误 差为14.9%,吻合度较高,证明仿真分析结果准确(3)蜂窝夹层结构上蒙皮的热变形影响明显, 其中压紧衬套区域相较蜂窝区域的上蒙皮变形量更 ,最大阶差位于发泡胶与铝蜂窝交界区域

    来源:材料与测试网

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