大型對日定向裝置大開口復(fù)合材料主承力架傳力設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

劉子仙，許文彬，湯 亮，傅質(zhì)彬，馬志飛，蘭付明，錢志源，姚 剛

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海秦耀航空試驗(yàn)技術(shù)有限公司，上海 201323）

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料具有的優(yōu)異特性，使其對飛行器結(jié)構(gòu)減重具有重要的意義［1-11］。20 世紀(jì)80 年代，美國末開始實(shí)施先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)（Advanced Composite Technology，ACT）發(fā)展計(jì)劃中，特別重視飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，致力于應(yīng)用新的設(shè)計(jì)、材料、制造概念和技術(shù)，開發(fā)低成本、輕量化的結(jié)構(gòu)件。隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航天器承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越成為主流。典型的產(chǎn)品有承力筒、各類儀器安裝平臺的結(jié)構(gòu)板、桁架、儲箱、天線結(jié)構(gòu)、太陽翼結(jié)構(gòu)、相機(jī)結(jié)構(gòu)，艙外各類機(jī)構(gòu)、星敏、相機(jī)等的安裝支架結(jié)構(gòu)等［12-24］。以往航天器型號中的對日定向裝置或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其主要功能為驅(qū)動(dòng)太陽電池翼進(jìn)行對日定向，以驅(qū)動(dòng)功能為主，對承載功能的要求不高，且一般來說，其外形尺寸較小，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為殼體減重的優(yōu)勢不明顯，一般以金屬結(jié)構(gòu)為主。

空間站大型對日定向裝置布置在問天、夢天實(shí)驗(yàn)艙中的資源艙與桁架之間。在發(fā)射段，需將安裝在大型對日定向裝置頂部桁架及桁架上方負(fù)載設(shè)備的載荷傳遞至資源艙；在軌段，需連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)桁架及安裝在桁架兩側(cè)的大面積柔性太陽電池翼，實(shí)現(xiàn)對日定向。因此空間站大型對日定向裝置的主結(jié)構(gòu)，除需具備將對日定向裝置內(nèi)部各機(jī)構(gòu)組件組成一個(gè)整體并提供殼體的功能外，還需具備艙段主承力的功能。集艙段和殼體功能于一體的部件為主承力架，是空間站對日定向裝置主結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分之一。主承力架是大型錐形結(jié)構(gòu)，大端與資源艙連接，小端與桁架接口法蘭連接。為保證大型對日定向裝置內(nèi)部機(jī)構(gòu)組件拆裝的要求，在錐形結(jié)構(gòu)的周向，布置有8 個(gè)均布的大開口，大開口區(qū)域占錐形結(jié)構(gòu)總表面積的32%。在發(fā)射段縱向（沿發(fā)射方向）和橫向過載同時(shí)作用時(shí)，大開孔結(jié)構(gòu)易在開孔邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中或承載能力不足的問題。因此，在設(shè)計(jì)上需采取措施，通過傳力路徑優(yōu)化，使其頂部的載荷按照預(yù)先規(guī)劃的路徑傳遞。

本文根據(jù)空間站大型對日定向裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性，調(diào)整傳力結(jié)構(gòu)，充分利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)。克服結(jié)構(gòu)大開口帶來的承載能力不足問題，設(shè)計(jì)出高剛度、輕量化，結(jié)構(gòu)質(zhì)量與承載比僅為5.2%，同時(shí)集艙段和殼體功能于一體的對日定向裝置主承力架結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。建立限元模型，分別運(yùn)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Tsai-Wu 和最大應(yīng)變2 種強(qiáng)度失效準(zhǔn)則對其進(jìn)行校核；開展靜力試驗(yàn)，采集應(yīng)變與位移信息，并與仿真分析結(jié)果展開對比，其總體趨勢一致，且通過了振動(dòng)試驗(yàn)考核。該裝置保障了大型對日定向裝置在問天和夢天實(shí)驗(yàn)艙中的可靠運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)傳力設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品研制初期，主承力架結(jié)構(gòu)上方的桁架接口法蘭與主承力架，通過32 個(gè)M8 螺釘沿著圓周方向均布連接，承載桁架結(jié)構(gòu)及其上方負(fù)載設(shè)備重約為460 kg。在火箭發(fā)射階段縱向和橫向過載同時(shí)作用下，主承力架本體（不含帽形筋）大開孔位置及部分蒙皮區(qū)域出現(xiàn)承載能力嚴(yán)重不足的現(xiàn)象。主承力架本體在該工況下，采用Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的應(yīng)力云圖如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化前主承力架本體蒙皮發(fā)射段載荷下的應(yīng)力云圖Fig.1 Stress cloud map of the main load-bearing frame body envelope in the launch phase before optimization

為解決該問題，采取5 項(xiàng)改進(jìn)措施優(yōu)化了主承力架的傳力路徑。

1）取消大開口上方與桁架接口法蘭的螺釘連接。將主承力架上方原來沿著圓周方向均布的32 個(gè)與桁架接口法蘭連接的M8 螺釘，調(diào)整為8 組位于非大開口上方的M6 螺釘，每組6 個(gè)，如圖2（a）所示。

圖2 優(yōu)化方案Fig.2 Prioritization scheme

2）將帽形筋布置在螺釘連接點(diǎn)下方的蒙皮上，縮短傳力路徑，提高傳力效率，如圖2（a）所示；

3）將主承力架分成8 個(gè)區(qū)域，設(shè)置連接加強(qiáng)件，如圖2（b）所示。優(yōu)化連接加強(qiáng)件的結(jié)構(gòu)形式，如圖2（a）所示，進(jìn)一步降低大開口區(qū)域與非開口區(qū)域的剛度比，引導(dǎo)頂部桁架結(jié)構(gòu)及其上方負(fù)載設(shè)備的載荷通過非開口區(qū)域進(jìn)行傳遞。

4）將主承力架本體劃分成為8 個(gè)區(qū)，如圖2（b）所示，定義每個(gè)區(qū)主承力架本體表面蒙皮母線方向?yàn)槔w維0°方向，如圖2（c）所示。優(yōu)化主承力架本體表面蒙皮和帽形筋的碳纖維鋪層方式，在非開孔區(qū)域的本體表面蒙皮和帽形筋增加高模量碳纖維0°層的比例，增強(qiáng)其縱向剛度。開孔區(qū)域上方本體蒙皮增加45°和75°鋪層的比例，提高其抗橫向載荷的能力。

5）將原方案大開口區(qū)域的4 個(gè)R30 圓角增大至R50，并在R 角邊緣借助連接加強(qiáng)件進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)，如圖2（a）所示。

改變連接點(diǎn)位置、非開口區(qū)域與大開口區(qū)域剛度比，將絕大部分由桁架接口法蘭從桁架傳遞到主承力架的載荷，通過非開口區(qū)域的連接加強(qiáng)件、帽形筋及主承力架蒙皮傳遞，進(jìn)而有效改善主承力架在發(fā)射段的整體應(yīng)力分布。優(yōu)化后主承力架結(jié)構(gòu)重量與承載的比例僅約為5.2%。

2 有限元仿真

復(fù)合材料的宏觀強(qiáng)度分析，在工程中使用較多的有最大應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則、最大應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則、Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則、Hill-Tsai 強(qiáng)度準(zhǔn)則等［25］。其中航天產(chǎn)品中以Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則居多，航空產(chǎn)品以最大應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則居多。為充分校核、論證主承力架的結(jié)構(gòu)傳力設(shè)計(jì)方案，建立有限元分析模型，分別采用Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則和最大應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則，對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。

主承力架需經(jīng)歷4 個(gè)工作階段，每個(gè)工作階段頂部桁架端負(fù)載的質(zhì)心位置的過載見表1。大型對日定向裝置內(nèi)部單機(jī)對主承力架的載荷，按照大型對日定向裝置整機(jī)響應(yīng)分析，等效計(jì)算每個(gè)單機(jī)質(zhì)心位置的準(zhǔn)靜態(tài)過載，作為載荷的輸入條件。

表1 主承力架頂部桁架質(zhì)心位置過載條件Tab.1 Overload conditions of the mass center position of the top truss of the main load-bearing frame

采用Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)傳力路徑優(yōu)化后主承力架在最惡劣工況，蒙皮大開孔應(yīng)力集中區(qū)域的失效因子為0.74，如圖3（a），剩余強(qiáng)度系數(shù)1.35；帽形筋位置的失效因子為0.75，如圖3（b），剩余強(qiáng)度系數(shù)1.33，均滿足型號使用要求。

圖3 發(fā)射段最惡劣工況Tsai-Wu 應(yīng)力云圖Fig.3 Tsai-Wu stress cloud map under the worst working conditions by the Tsai-Wu failure criterion

按照主承力架本體在不同厚度位置的典型鋪層方式，依據(jù)ASTM 5766/D 5766M-11《聚合物基復(fù)合材料層壓板開孔拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D 6484/D 6484M-14《聚合物基復(fù)合材料層壓板開孔壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM D 5961/D 5961M-17《聚合物基復(fù)合材料層壓板擠壓響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［1］，制作開孔拉伸、開孔壓縮和開孔擠壓試驗(yàn)件，如圖4 所示，對破壞應(yīng)變進(jìn)行測試。

圖4 開孔試件破壞模式照片F(xiàn)ig.4 Failure mode photos of circular hole test pieces

測得按照主承力架典型鋪層順序等效的復(fù)合材料開孔試件，開孔拉伸破壞應(yīng)變?yōu)? 321 με，開孔壓縮破壞應(yīng)變?yōu)? 865 με，開孔擠壓破壞強(qiáng)度為533 MPa。

采用最大應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則，在考慮空間站型號建造規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)和裕度情況下，計(jì)算得到主承力架最大拉應(yīng)變?yōu)? 396 με，如圖5（a）所示，最大壓應(yīng)變?yōu)? 646 με，如圖5（b）所示，均小于開孔壓縮和開孔拉伸的破壞應(yīng)變。主承力架在發(fā)射段工況下的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變均出現(xiàn)在主承力本體大開口圓角位置。

圖5 發(fā)射段最惡劣工況應(yīng)變計(jì)算云圖Fig.5 Cloud maps obtained by stress calculation in the emission section under the worst working conditions

校核螺釘連接點(diǎn)位置的孔擠壓，可見螺釘連接位置應(yīng)力集中最嚴(yán)重區(qū)域出現(xiàn)在帽形筋和連接加強(qiáng)件共同連接區(qū)域，最大應(yīng)力為53.1 MPa，位置如圖6 所示。該擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于采用鋁合金材料的連接加強(qiáng)件和采用碳纖維材料的主承力架本體的開孔擠壓破壞強(qiáng)度。

圖6 孔擠壓位置Fig.6 Schematic of the position where the round hole is squeezed

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 靜力試驗(yàn)

根據(jù)主承力架發(fā)射段的載荷和大開口的分布特點(diǎn)，通過力學(xué)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)靜力試驗(yàn)加載方案，如圖7所示。包括3 種載荷共6 個(gè)工況，見表2。

表2 鑒定級靜力試驗(yàn)載荷和工況Tab.2 Loads and working conditions of the qualification grade static tests

表3 最大測點(diǎn)應(yīng)變和位置匯總Tab.3 Summary of the maximum strains and their locations

圖7 靜力試驗(yàn)加載Fig.7 Schematic diagram of static test loading

圖8 大型對日定向裝置振動(dòng)試驗(yàn)Fig.8 Vibration test for the large-scale solar-oriented device

受應(yīng)變片尺寸限制，應(yīng)變片的粘貼位置與仿真分析的理論應(yīng)變最大位置有一定的偏差，因此實(shí)測最大應(yīng)變比計(jì)算應(yīng)變略小，但總體趨勢與仿真分析一致。

1）加載最惡劣的工況為剪組合工況，即橫向載荷較大時(shí)。

2）應(yīng)變最大的區(qū)域位于大開孔區(qū)域R角位置。

3）與大開孔下方R角位置相比，壓組合與剪組合工況大開孔上方R角位置的應(yīng)變更高。

3.2 振動(dòng)試驗(yàn)

初樣階段和正樣階段，主承力架均隨大型對日定向裝置完成了正弦振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)前后，對主承力架采用超聲波進(jìn)行無損探傷，無新增缺陷。

4 結(jié)束語

本文通過優(yōu)化傳力設(shè)計(jì)，改變連接位置和非開口區(qū)域主承力架本體與大開口區(qū)域的剛度比，大型對日定向裝置頂部桁架及桁架上方負(fù)載設(shè)備的載荷，通過主承力架非開口區(qū)域的連接加強(qiáng)件、帽形筋及蒙皮傳遞。該改進(jìn)優(yōu)化措施有效改善了主承力架結(jié)構(gòu)在發(fā)射段的整體應(yīng)力分布，解決了發(fā)射段大型對日定向裝置大開口復(fù)合材料主承力架承載能力不足的問題，實(shí)現(xiàn)了高剛度和輕量化的目標(biāo)。優(yōu)化后的主承力架結(jié)構(gòu)質(zhì)量與承載的比例僅約為5.2%。