分享：太阳翼蜂窝夹层结构上蒙皮热变形的影响因素

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 ℃时,蜂窝区域以及压紧衬套区域上蒙皮0°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%和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电分系统的重要组成部 分,其主要结构为蜂窝夹层[1]。蜂窝夹层结构的上 蒙皮是太阳能电池片的安装面,上蒙皮的局部变形 量为蜂窝夹层结构的重要指标,直接影响后续电池 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 态,上、下蒙皮与蜂窝心部处于相对自由的状态,相 互影响较小;保温至固化完成时,上、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,在建立分析模型时,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 为0°和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)和 热膨胀系数(α)等]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所示。 

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 成,尺 寸 为 100 mm×87 mm×22.65 mm(长 × 宽×高),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、发 泡胶、铝蜂 窝 以 及 蒙 皮 等 组 成,尺 寸 为 210 mm× 218.24mm×22.65mm(长×宽×高),有限元模型 如图6所示。由图6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 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)模 拟,单 元 数 为 358 898 ,节 点 数 为 461970;压紧衬套采用二次四面体单元(C3D10)模 拟,单元数为28277,节点数为44096。 蒙皮与铝蜂窝均为各向异性材料,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 材料的主轴方向,压紧衬套内下边缘约束法向位移, 压紧衬套左下方b 点为固定约束,平面1施加对称 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,将加热温度由 130 ℃降为20 ℃,然后对蜂窝区域的热变形情况进 行仿真分析,结果如图8所示。由图8可知:约束位 置处位移为0,蜂窝夹层结构整体向法向一侧内缩; 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。 图8 蜂窝区域热变形的仿真分析结果 图9 蜂窝区域0°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0°碳纤 维(内侧纤维)和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: 0°碳纤维的最大变形量为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 轴)膨胀(纤维束沿纤维方向热膨胀系数为负),90°碳 纤维沿纤维主轴方向(x 轴)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0°碳纤维上 方,0°碳纤维有上凸趋势,减小了0°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0°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 ℃降为20 ℃,然后对压紧衬套区域的热变形情 况进行仿真分析,结果如图10所示。

为研究不同材料对蜂窝夹层结构热变形的影 响,依据线路C1D1,C2D2(见图10)分别提取上蒙 皮中分布于压紧衬套、发泡胶以及铝蜂窝的0°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;铝蜂窝的碳纤维节 点与0°碳纤维,90°碳纤维的阶差分别为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,从 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。 图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0°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 测0°碳纤维的最大变形量为0.0216mm,90°碳纤 维的最大变形量为0.0243mm,与两者碳纤维节点 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%和12.0%,试 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。 图13 实测蜂窝区域0°碳纤维和90°碳纤维的法向变形量变化曲线 依据线路 H1L1,H2L2[见图12b)]分别提取 上蒙皮中分布于压紧衬套、发泡胶以及铝蜂窝的0° 碳纤维与90°碳纤维,统计同位置上的法向变形量, 结果如图14所示。由图14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0°碳纤维与 90°碳纤维在发泡胶与铝蜂窝交界区域的变形量最 大,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% 和 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 0°碳 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%和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。 图14 实测压紧衬套区域0°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°碳 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 大,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