薄壁密封艙大承載膠接結構設計

許煥賓 施麗銘 肖偉 陳茹 馬凱 嚴利娟 張霞

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2北京衛星制造廠，北京 100094）

薄壁密封艙大承載膠接結構設計

許煥賓1施麗銘1肖偉1陳茹1馬凱1嚴利娟2張霞2

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2北京衛星制造廠，北京 100094）

載人航天器大型化、輕量化的特點對結構效率提出了更高的要求，文章提出一種薄壁密封艙大承載膠接結構設計方法，通過采取膠接區域變厚度設計、通氣孔分布式設計、打磨工藝設計和抽真空加壓設計等針對性改進措施，有效解決了“浴盆效應”、支座與艙壁的剛度匹配、艙壁局部表面處理以及膠接加壓等問題。仿真分析和試驗表明：支座在膠層剝離前可承受約12 000N的剪力，膠接性能得到明顯提高，此方法可用于密封艙艙內結構設計。

航天器；密封艙；薄壁；膠接；支座

1 引言

大型密封艙一般選用薄壁回旋殼體構型，艙內通常布置結構板、立梁等結構［1］，為貨物提供螺接固定邊界。但出于特殊要求，某些大質量設備只能直接布置在艙內壁上。密封艙一般為薄壁殼體結構，預制螺紋孔極易造成永久性微裂紋缺陷，影響艙體安全，不宜選用。采用膠接支座方式提供設備固定邊界，不會破壞艙體結構，可以避免鉆孔引起的應力集中，連接效率高、質量輕、抗疲勞，可以作為備選方案。但膠接結構對工件表面質量、膠接縫隙均勻度及膠層加壓均有較高的要求，因此不宜傳遞較大載荷［2］。在薄壁密封殼體結構上實施膠接鮮有報道，主要存在以下難點：①大面積曲面結構增加了膠層控制難度，易造成局部膠層不均，形成“浴盆效應”；②薄壁結構不宜承載集中力；③光滑表面不適合直接膠接；④整艙空間位置不易對膠層加壓等問題。文獻［3］以鋁鋰合金AL－LI－S－4為研究對象，研究了材料表面處理和膠接件制備工藝，得出包括機械打磨、粘接用膠、氧化工藝參數以及固化工藝等較優的參數。文獻［4－9］就鋁合金表面處理的研究現狀進行了總結，為膠接工藝實施提供了有益借鑒。文獻［10］利用有限元法對由幾何尺寸引起的膠接接頭強度變化進行仿真分析，總結了膠層厚度、膠接搭接長度、搭接面積等因素對膠接強度的影響。以上研究工作對膠接的機理進行了較為全面的研究，但由于停留在標準樣件層面，與實際應用尚存在較大差別。本文針對薄壁曲面密封艙艙內膠接結構設計展開研究，并對上述4個關鍵問題提出解決措施，可為密封艙大承載膠接結構設計提供有益參考。

2 膠接結構設計及分析

膠接是借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體的一種連接方法，常用于復合材料的連接，用于傳遞較小的載荷。膠接包括單搭接、雙搭接、斜面搭接、階梯形搭接以及蒙皮局部加強膠接等基本連接形式，主要用于單板間的拼接和桿件與接頭間的連接。膠接的基本要求是使膠層在剪切狀態下工作，盡量避免膠層受拉力和剝離力；膠接強度必須高于被膠接件本身的強度。在密封艙內壁膠接支座，主要用于承受較大載荷，同時應滿足金屬結構先于膠層剝離發生屈服的要求，以保證膠層不是最薄弱環節。因此與常規膠接不同，密封艙內支座的膠接更應注重整體性設計，包括膠層強度與母體的剛度匹配性設計、支座的等剛度設計、艙壁局部形貌處理方法以及空間角度加壓設計等內容。

2.1 膠接支座的結構設計

貨物固定孔可以是單支座單孔提供，也可以是單支座多孔。單支座單孔易造成應力集中、抗剪切能力較弱；單支座多孔則可以提供相對較大的膠接面積，減小膠接邊緣的剝離力，但大面積膠接支座設計的難點在于：較大的膠接面積易造成局部排氣不暢，受壓不均，引起局部膠層厚度不均，降低膠接強度，形成“浴盆效應”；曲面匹配間隙不均問題；支座膠接面厚度與壁板厚度的剛度匹配問題。基于這些考慮，采取如下措施予以應對。

（1）選用單支座兩孔方案，支座長度方向與承受剪力方向平行，以提供更大的膠接面積，提升抗剪能力，弱化局部集中力效應。圖1（a）為矩形支座（60mm×100mm），圖1（b）為長圓形支座（60mm× 130mm）。

（2）在支座膠接面預留冒膠孔，增加大面積膠接時的排氣通道，增加局部膠瘤，提升膠接性能。

（3）選用對間隙不均勻性不敏感的常溫固化Redux420雙組分環氧膠。Redux420膠具備良好的膠接性能，室溫固化240h后剪切強度可達到25MPa；由于Redux420膠收縮率低、粘接強度高、對間隙的不均勻性不敏感等優點，適用于在密封艙曲面上膠接。同時，Redux420膠還具備防火、防靜電、阻燃性、防霉、無毒性、低有害氣體揮發等特點，且材料熱穩定性較高，可以保證艙內航天員的安全。

圖1 膠接支座結構設計Fig.1 Structual design of bonding bracket

2.2 支座與薄壁結構的剛度匹配設計

蒙皮加筋結構的特點是內壁光滑，外壁加筋，其內表面呈現凹凸不平，加強筋對應位置略高，蒙皮對應位置相對略低。考慮薄壁結構特點，不同膠接位置的選取對薄壁結構的剛度匹配必然有所影響。選取如下兩種典型膠接位置。

（1）支座與加強筋位置重合，見圖2（a），可以同時搭接兩個十字交叉筋，利用加強筋分散集中力。

（2）支座與蒙皮位置重合，見圖2（b），蒙皮對應內壁輪廓度較好，更有利于提高膠接質量。

（3）支座邊緣采用變厚度設計，由中間向四周逐漸變薄，實現等剛度設計。

圖2 支座膠接位置Fig.2 Bonding position of bracket

2.3 膠接前的局部表面形貌處理方法

膠接前對工件進行表面處理，目的在于優化表面形貌、利于膠黏劑滲入、增強工件間的膠接強度。實施膠接時，已經圍焊成整體艙段，且內表面未進行陽極化處理，粗糙度為Ra3.2，極其光滑，不利于實施膠接。化學法和物理法均需將工件整體置于溶液中，容易對膠接區域以外的部分造成污染。噴砂處理時砂流四濺，極易造成內表面更大面積的毛化，產生不必要的裂紋。相比而言，機械打磨可以靈活控制打磨區域，操作方便、清潔容易，且砂紙打磨法處理后的鋁合金接頭的膠接性能與磷酸陽極化法表面處理的效果接近［10］。文獻［2］針對A1－Li合金，選用180＃、320＃和1000＃三種水磨砂紙對試驗工件進行表面處理，膠接樣件的剪切強度平均值分別達到41.42MPa、37.84MPa和33.55MPa。考慮到密封艙的承壓安全性，180＃砂紙打磨深度過大，易產生較深的劃痕，因此選擇320＃水磨砂紙實施對壁板膠接區域的打磨。且打磨完成后須對打磨部位及時清理，保證膠接前無水、油等污染物。

2.4 膠接固化的加壓問題

Redux420膠為常溫固化膠，要求在0.05MPa外壓下固化240h。常用的加壓方式包括配重塊法、沙袋法等。實施膠接時，由于密封艙膠接面與地面垂直，膠接面為曲面，使用常規方法很難實現均勻施加，無法保證膠接質量。因此采用真空加壓的方式，將真空袋覆罩在支座上方，通過抽真空使支座處于1atm的壓力載荷下，可以實現對支座的垂直加壓，從而保證膠層質量。加壓后，應保證所有通氣孔均有膠溢出，通孔及支座周邊留有膠瘤。

2.5 膠接結構仿真分析

針對不同的膠接支座的結構設計方案及膠接位置，通過仿真分析，確定最佳膠接方案。表1為應用ANSY軟件仿真分析工況，包括不同支座膠接位置，不同形狀的支座和不同的膠接區域設計。圖3（a）和（b）、（c）和（d）、（e）和（f）、（g）和（h）分別為對應表1工況1、2、3、4條件下，壁板和膠層的應力分布云圖。

表1 仿真分析工況Table 1 Simulation cases

圖3和表2為仿真結果，分析如下。

（1）工況1壁板最大應力比工況2小約42%；工況1壁板筋將支座的集中力向周圍擴散明顯，而工況2應力主要集中在加筋網格區域內，由于壁板為薄壁蒙皮結構，不宜承載。因此將支座粘接于加強筋對應位置更有利于承載，支座膠接位置應當遵循有利于擴散集中力的原則。

（2）工況3膠層最大應力比工況2高約30%，長軸兩端中心位置應力高約10%，更易發生剝離，因此支座膠接面設計應遵循等剛度設計原則，采用變厚度設計提升膠接強度，降低局部剝離風險。

（3）與工況1相比，工況4擴大了支座沿0°方向的膠接面積。分析結果表明：工況4沿0°方向的承載區域更大，同時膠層的最大應力卻降低了約20%。顯然，長圓形支座更有利于分散集中力，提升膠接安全性。

綜上所述，選用較大面積的長圓形變厚度支座設計，將其膠接于加強筋對應位置，更有利于提升薄壁結構的膠接強度。

圖3 應力分布云圖Fig.3 Stress contour

表2 仿真分析結果（最大應力）Table 2 Simulation result（MAX stress）

3 試驗驗證

選用矩形支座進行膠接性能試驗，包括0°剪切破壞試驗和90°拉伸破壞試驗兩種。

3.1 0°剪切破壞試驗

參照圖2（a）膠接方式進行試驗，按0°方向加載直至破環。力－位移關系如圖4所示。12 000N時，剪切力瞬間跌落，此時連接工裝和支座的鈦釘（M5，1100MPa）的一個螺釘發生斷裂（見圖5），另一個螺釘也發生嚴重屈服變形，支座孔局部變形嚴重，膠層保持良好，壁板局部發生屈服。此試驗說明在不考慮壁板、支座變形的情況下，膠層可以承受至少12 000N的剪切力。

圖4 拉力隨位移變化情況Fig.4 Pull varying with displacement

圖5 實驗結果Fig.5 Test result

3.2 90°拉伸破壞試驗

參照圖2（a）膠接方式進行試驗，按90°方向加載直至破壞。圖6為拉力－位移關系曲線。約5000N時，拉力曲線出現拐點，根據對應變的測量結果可知，此時測點5的最大應變達2000με，相應壁板應力達140MPa，壁板開始發生屈服；如圖7所示，約11 600N時，支座長端開始發生剝離，隨拉力增大，剝離層迅速向支座短軸蔓延，直至完全剝離。

圖6 拉力隨位移變化情況Fig.6 Pull varying with displacement

圖7 膠接支座剝離過程Fig.7 Stripping process of adhesive

由試驗可知，在壁板屈服前，支座可以承受約5000N的拉力；在膠層完全剝離之前，最大拉力不小于11 000N。由此可知，壁板先于膠層剝離發生了屈服，可以確保膠層不是最薄弱環節。由于金屬結構的許用應力一般小于屈服應力，相對于單個支座1000N的承載要求，本文所述膠接結構可以提供5倍安全系數。

4 結論

本文針對薄壁曲面密封艙艙內大承載膠接結構展開設計，通過膠接結構設計、仿真分析及試驗，就“浴盆效應”、膠接膠接支座與薄壁密封艙的剛度匹配、膠接前密封艙局部表面形貌處理以及膠接固化加壓等問題進行了研究，現歸納在薄壁曲面上膠接支座的關鍵技術如下。

（1）針對支座大面積膠接情況，通過設置通氣孔消除“浴盆效應”，提升膠接能力；

（2）遵循更有利于分散集中力準則，選取在加強筋對應位置進行膠接，同時對支座進行變厚度設計，可以降低壁板局部失穩風險，避免膠層局部過早剝離；

（3）選取對間隙不均勻性不敏感的常溫膠，降低曲面膠接對膠接性能的影響；

（4）通過局部打磨的方式對密封艙壁板進行微觀形貌處理，既不影響整艙性能，又可以滿足膠接要求；

（5）采用抽真空加壓方式，實現對支座的多方位加壓，可以保證膠層質量；

（6）采用單支座多孔點的設計，提供相對較大的膠接面積，減小膠接邊緣的剝離力。

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［1］張琳.一種航天器密封艙內部的輕量化設備安裝結構：中國，CN201218002884.6［P］.2014－08－13 Zhang Lin.A light－weighting structure for device installa－tion inner spacecraft cabin：China，CN201218002884.6［P］.2014－08－13

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（編輯：李多）

Design of Large Load Bonding Structure of Sealed Cabin with Thin Wall

XU Huanbin1SHI Liming1XIAO Wei1CHEN Ru1MA Kai1YAN Lijuan2ZHANG Xia2
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2Beijing Spacecrafts，Beijing 100094，China）

Large－scale and lightweighting feature of manned spacecraft bring forward higher quirement to the structure efficiency.The paper presents a method used to design large load bonding structure of sealed cabin with thin wall.By taking improved measures，including braket variable thickness design，distributed vent design，sanding process design and vacuum pumping pressure design，the following problems have been solved：“Bathtub effect”，stiffness matching between bracket and panel of sealed cabin，optimizing partial surface micro topography and multi direction compression.Simulation results and tests results demonstrate that the bearing shear force before peeling reaches up to 12000N，and bonding property is improved significantly.The method is available to the inner structure design of sealed cabin.

spacecraft；sealed cabin；thin wall；bonding；bracket

V261.3

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.007

2016－07－06；

2016－08－10

國家重大科技專項工程

許煥賓，男，博士，工程師，研究方向為密封結構、在軌服務平臺構建及大承載可展開結構。Email：geshou1588@163.com。