光機(jī)材料與光纖振動傳感器連接力學(xué)可靠性研究

高征，吳俊，臧博，劉禹含，劉朋朋，張鈺民

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

前言

對于亞米級高分光學(xué)載荷，微振動是影響成像清晰度的重要因素，迫切需要高輕小高靈敏度光纖振動傳感器[1]，實(shí)現(xiàn)微振動測量[2]，提升高分成像質(zhì)量。

光纖傳感器主要與空間相機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)金屬材料、鏡體本身和主承力機(jī)構(gòu)件連接3。其連接牢固性對于亞米級高分光學(xué)載荷相機(jī)至關(guān)重要，連接失效會造成無法精確測量。因此針對不同的典型空間相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)材料，需要開展連接力學(xué)可靠性驗(yàn)證研究，確保實(shí)現(xiàn)傳感器與空間相機(jī)結(jié)構(gòu)的有效連接，通過極限力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。

研制典型空間相機(jī)用光機(jī)材料試塊，能夠有效代表現(xiàn)有相機(jī)主要光機(jī)結(jié)構(gòu)組成和光纖振動傳感器安裝對象，充分體現(xiàn)不同光機(jī)材料特性和表面處理工藝下傳感器相應(yīng)連接工藝的牢固可靠。包括光機(jī)部件承力結(jié)構(gòu)用鈦合金試塊、鋁合金試塊和殷鋼試塊，光機(jī)主體承力結(jié)構(gòu)用碳纖維試塊，以及反射鏡基底結(jié)構(gòu)微晶玻璃試塊、熔石英玻璃試塊和陶瓷鏡坯試塊等。通過靜態(tài)試驗(yàn)連接拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度，驗(yàn)證連接工藝可靠性。

1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)傳感器與不同光機(jī)結(jié)構(gòu)材料連接時(shí)的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度4-6，即考核傳感器與不同光機(jī)結(jié)構(gòu)材料粘接時(shí)的拉伸和剪切強(qiáng)度應(yīng)高于0.26 Mpa或傳感器與不同光機(jī)結(jié)構(gòu)材料焊接時(shí)的拉伸和剪切破壞載荷應(yīng)高于58.8 N（即200 g加速度下的最大受力）。

式中：

W—傳感器的重量；

aG—傳感器所受的最大過載；

fS—安全系數(shù)；

Q—連接面積；

J—連接強(qiáng)度。

評估傳感器連接是否適應(yīng)力學(xué)環(huán)境要求并加以改進(jìn)。

試樣采用雙面搭接結(jié)構(gòu)，室溫下在垂直于連接面且在試樣主軸方向上施加一拉伸力，測定試樣承受的最大破壞載荷，取相應(yīng)的搭接面上的平均拉應(yīng)力為拉伸強(qiáng)度；室溫下在平行于連接面且在試樣主軸方向上施加一拉伸力，測定試樣承受的最大破壞載荷，取相應(yīng)的搭接面上的平均剪應(yīng)力為剪切強(qiáng)度。試樣夾具為自動對中插銷型，加載時(shí)拉伸力作用線通過試樣搭接。

傳感器拉伸剪切強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：

τ—拉伸剪切強(qiáng)度；

P—試樣的最大破壞載荷；

B—試樣搭接面寬度；

L—試樣搭接面長度。

本次試驗(yàn)對象為傳感器，體積為15 mm×15 mm×15 mm，重量30 g。對試驗(yàn)件分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)，考察傳感器與不同光機(jī)結(jié)構(gòu)材料連接強(qiáng)度性能與破壞形式。

本次試驗(yàn)采用的拉力試驗(yàn)機(jī)為力試LD26.305電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度等級0.5級，最大力300 kN。傳感器與不同光機(jī)結(jié)構(gòu)材料連接試驗(yàn)件，包括傳感器—鈦合金拉伸連接件、傳感器—鋁合金拉伸連接件、傳感器—殷鋼拉伸連接件、傳感器—微晶拉伸連接件、傳感器—熔石英拉伸連接件、傳感器—碳化硅拉伸連接件、傳感器—復(fù)材拉伸連接件；傳感器—鈦合金剪切連接件、傳感器—鋁合金剪切連接件、傳感器—殷鋼剪切連接件、傳感器—微晶剪切連接件、傳感器—熔石英剪切連接件、傳感器—碳化硅剪切連接件、傳感器—復(fù)材剪切連接件。同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)工裝，對上述試驗(yàn)件進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)，獲得了其強(qiáng)度破壞參數(shù)，為傳感器在后續(xù)型號中的應(yīng)用提供參考。具體試驗(yàn)件材料特性和所用膠參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料型號表

2 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

利用拉力試驗(yàn)機(jī)開展傳感器連接拉伸強(qiáng)度的試驗(yàn)。考慮光纖傳感器尺寸較小，不便直接夾持，同時(shí)直接夾持可能造成光纖振動傳感器的損壞，導(dǎo)致后續(xù)驗(yàn)證無法開展，因此采用兩試塊間夾持一個(gè)傳感器的方法開展試驗(yàn)。試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)流程

拉伸試驗(yàn)傳感器連接件兩端螺接有拉伸試驗(yàn)工裝，通過工裝與拉力機(jī)連接，一端固支，另一端受拉。試驗(yàn)前施加微小拉力消除安裝間隙，對拉力計(jì)校零后開始正式試驗(yàn)。

針對傳感器—鈦合金拉伸連接件、傳感器—鋁合金拉伸連接件、傳感器—殷鋼拉伸連接件，傳感器與兩金屬試件進(jìn)行雙面粘接或焊接，金屬試件與試驗(yàn)機(jī)安裝接口為兩個(gè)φ16.5通孔。將傳感器—鈦合金拉伸連接件、傳感器—鋁合金拉伸連接件、傳感器—殷鋼拉伸連接件兩端通過M16螺釘和M16六角螺母與拉伸試驗(yàn)機(jī)上下兩夾頭連接緊固。

針對傳感器—微晶拉伸連接件、傳感器—熔石英拉伸連接件、傳感器—碳化硅拉伸連接件、傳感器—復(fù)材拉伸連接件，首先將非金屬試片與傳感器進(jìn)行雙面粘接或焊接，考慮到兩邊非金屬試片間距較小，裝配操作空間不足，將兩邊非金屬試片錯(cuò)位45 °后與傳感器連接，然后與兩個(gè)拉伸連接棒進(jìn)行兩端螺接，考慮操作方便采用M4十字槽盤頭螺釘緊固。拉伸連接棒與試驗(yàn)機(jī)安裝接口為兩個(gè)φ16.5通孔。將傳感器—微晶拉伸連接件、傳感器—熔石英拉伸連接件、傳感器—碳化硅拉伸連接件、傳感器—復(fù)材拉伸連接件兩端通過M16螺釘和M16六角螺母與拉伸試驗(yàn)機(jī)上下兩夾頭連接緊固。具體試件拉伸示意圖如圖2所示，記錄拉伸過程中拉伸力的數(shù)據(jù)，拉伸適當(dāng)距離至傳感器脫粘，拉伸速度2 mm/min。

圖2 連接試件拉伸試驗(yàn)示意圖

選取傳感器—鈦合金連接件和傳感器—微晶拉伸連接件拉伸試驗(yàn)安裝及試驗(yàn)前后試驗(yàn)狀態(tài)如圖3所示。

圖3 連接試件拉伸試驗(yàn)圖

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

曲線圖如圖4所示。

圖4 傳感器拉伸連接件拉力-應(yīng)變曲線

分析上述圖曲線可以得到以下結(jié)論：

1）傳感器與不同光機(jī)材料粘接時(shí)的拉伸強(qiáng)度均滿足考核要求；

2）傳感器與復(fù)材粘接時(shí)的拉伸強(qiáng)度最弱；

3）傳感器與微晶、熔石英玻璃材料或SiC陶瓷材料粘接時(shí)拉伸破壞形式均為試片材料本身破壞，說明材料強(qiáng)度自身低于膠粘接強(qiáng)度。

3 剪切試驗(yàn)

與拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)相同，同樣采用兩試塊間夾持一個(gè)傳感器的方法開展試驗(yàn)。試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)流程

剪切試驗(yàn)傳感器連接件兩端螺接有剪切試驗(yàn)工裝，通過工裝與拉力機(jī)連接，一端固支，另一端受拉。試驗(yàn)前施加微小拉力消除安裝間隙，對拉力計(jì)校零后開始正式試驗(yàn)。

針對傳感器—鈦合金剪切連接件、傳感器—鋁合金剪切連接件、傳感器—殷鋼剪切連接件，傳感器與兩金屬試件進(jìn)行雙側(cè)面粘接或焊接，金屬試件與試驗(yàn)機(jī)安裝接口為兩個(gè)φ16.5通孔。將傳感器—鈦合金剪切連接件、傳感器—鋁合金剪切連接件、傳感器—殷鋼剪切連接件兩端通過M16螺釘和M16六角螺母與拉伸試驗(yàn)機(jī)上下兩夾頭連接緊固。

針對傳感器—微晶剪切連接件、傳感器—熔石英剪切連接件、傳感器—碳化硅剪切連接件、傳感器—復(fù)材剪切連接件，首先將非金屬試片與傳感器進(jìn)行雙側(cè)面粘接或焊接，然后與兩個(gè)剪切連接棒進(jìn)行兩端螺接。考慮到兩邊非金屬試片間距較小，裝配操作空間不足，考慮操作方便采用M3內(nèi)六角圓柱頭螺釘和背部螺母的方式進(jìn)行緊固。剪切連接棒與試驗(yàn)機(jī)安裝接口為兩個(gè)φ16.5通孔。將傳感器—微晶剪切連接件、傳感器—熔石英剪切連接件、傳感器—碳化硅剪切連接件、傳感器—復(fù)材剪切連接件兩端通過M16螺釘和M16六角螺母與拉伸試驗(yàn)機(jī)上下兩夾頭連接緊固。具體試件剪切試驗(yàn)示意圖如圖6所示，記錄拉伸過程中拉伸力的數(shù)據(jù)，拉伸適當(dāng)距離至傳感器脫粘，拉伸速度2 mm/min。

圖6 連接試件剪切試驗(yàn)示意圖

選取傳感器—鈦合金剪切連接件和傳感器—微晶剪切連接件試驗(yàn)安裝及試驗(yàn)前后試驗(yàn)狀態(tài)如圖7所示。

圖7 連接試件剪切試驗(yàn)圖

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 剪切試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

曲線圖如圖8所示。

圖8 剪切連接件拉力-應(yīng)變曲線

分析上述圖曲線可以得到以下結(jié)論：

1）傳感器與不同光機(jī)材料粘接時(shí)的剪切強(qiáng)度均滿足考核要求；

2）傳感器與復(fù)材粘接時(shí)的剪切強(qiáng)度最弱，并弱于拉伸強(qiáng)度；

3）傳感器與微晶、熔石英玻璃材料或SiC陶瓷材料粘接時(shí)剪切破壞形式均為試片材料本身破壞，說明材料強(qiáng)度自身低于膠粘接強(qiáng)度。

4 結(jié)論

傳感器連接件采用膠粘連接工藝，優(yōu)勢在于粘接層產(chǎn)生的等效應(yīng)力和摩擦應(yīng)力較小，在膠層厚度較小的情況下可以產(chǎn)生較強(qiáng)的粘接強(qiáng)度，且膠粘工藝操作便捷，對外界環(huán)境條件要求較低。

通過試驗(yàn)可知：

1）拉伸、剪切滿足最大極限，主動段可能受力環(huán)境下的連接牢固度，能保證光纖傳感器后續(xù)入軌使用；

2）復(fù)合材料因其鋪層方式導(dǎo)致實(shí)際粘接面積厚度較低，引發(fā)安全裕度偏低。需加大粘接厚度，進(jìn)一步研究粘接加強(qiáng)；

3）對于光纖接觸式振動傳感器還需進(jìn)一步分析，確保連接對傳感器高測量精度無影響。

試驗(yàn)證明，高輕小高靈敏度光纖振動傳感器連接工藝通過了與光學(xué)遙感器鏡體本身、支撐結(jié)構(gòu)、主承力結(jié)構(gòu)的典型光機(jī)材料連接強(qiáng)度考核試驗(yàn)，為我國光學(xué)遙感器在軌力學(xué)場的建立、顫振影響溯源定量化分析提供了信息支援基礎(chǔ)。