復合材料艙體結構強度驗證方法研究

【摘要】本文以復合材料艙體結構為研究對象，依據承載考核要求，提出了一種可以在復合材料艙體結構承載位置施加縱向載荷的加載驗證方法，攻克了多點隨動加載技術，解決了產品與模擬件加載過程中干涉的難題，從而實現復合材料艙體結構多點縱向加載考核，并成功應用于某大型復合材料艙體結構靜強度驗證中。檢測結果表明，此加載驗證方法能夠準確、高效完成大型復合材料艙體結構整體載荷的施加，結果滿足使用設計要求，為復合材料艙體結構輕量化設計及強度評估研究提供參考依據。

【關鍵詞】復合材料|艙體|靜強度|驗證方法

艙體結構作為發射及在軌運行階段儀器及設備穩定工作的重要承力結構，需要具備能夠承受大量級載荷的能力，其穩定性、可靠性直接關系發射任務成敗。為滿足艙體結構輕量化發展及增加搭載儀器設備重量的需求，對艙體結構設計及承載能力提出了更高的要求[1]。復合材料具有重量輕、高承載能力等特點，本文以復合材料艙體結構為研究對象，通過開展結構靜強度驗證試驗[2-3]，驗證復合材料艙體的穩定性和安全性。以往的復合材料艙體靜強度驗證中，往往采用固定加載系統對承載結構施加載荷[4-6]。但對于輕量化復合材料、載荷量級高的艙體結構，采用傳統的固定及加載方式會引起結構變形及穩定性無法滿足試驗驗證要求，容易導致加載裝置與艙體結構之間發生干涉，對艙體產生附加外力，造成整艙結構無法精準實現考核，同時，隨著結構變形不斷增加，加載點位置發生偏移，從而影響艙體結構考核的準確性。為了解決復合材料艙體結構多點固定，集中加載位置無法隨動加載難題，本文提出了一種復合材料艙體結構縱向載荷隨動加載驗證方法，并設計垂直雙面組合固連模擬裝置，充分保證了輕量化復合材料艙體結構縱向載荷施加的準確性，并提高驗證結果的可靠性。

一、復合材料艙體特征介紹

復合材料艙體為長方形結構，外形尺寸2.5m×1.5m×1.2m，主要由水平板、側板、立板及集中加載點四部分結構組成，集中加載點位于側板兩邊對稱位置，與水平板、立板相互組合連接，其作用與加載系統連接，向復合材料艙體傳遞載荷，在水平板、側板、立板的邊緣位置布置有多組固定孔，用于艙體結構的固連。

二、試驗加載驗證方案

（一）加載驗證方案設計思路

根據對產品結構分析和考核的要求，加載驗證方案需要具備的優勢包括：（1）裝置必須滿足產品一側偏心加載考核的特點，需與產品結構多個固連位置匹配；（2）裝置需要有高強度、高剛度[7]，加載過程不能產生有害變形，以實現產品靜強度準確驗證的需要；（3）考慮加載中結構可能出現的形變，裝置需要具備隨動加載的能力，保證加載過程中不產生附加外力；（4）鑒于產品整體結構艙內外的布局特點，加載驗證裝置需具備艙內外協調作業空間。

（二）固連裝置設計

復合材料艙體結構固連裝置穩定性對其試驗考核準確性起到至關重要的作用，針對艙體結構縱向載荷隨動施加需求和技術難點，為保證產品靜強度驗證結果的可靠性，設置專用的側面和底面固連方案，實現準確定位安裝[8]，將集中加載位置的縱向載荷精準施加在復合材料艙體結構上。艙體需實現兩平面垂直固連安裝，經過多種加載方案的理論計算及仿真分析，確定垂直雙面組合固連方案為最佳的固連方案，設置一套固連裝置，包括底面固連水平梁、側面固連立梁、底面固連組件、側面固連組件等部分，各梁及組件安裝面均設置有相同間距的安裝孔位，采用螺接方式進行相應對接面的組合連接，連接位置靈活可調，可有效解決固連裝置不可調的問題，通過裝置內各梁及組件相對位置布局，精準連接對應產品接口位置，可在無附加外力情況下，完成復合材料艙體與固連裝置的連接。在側面固連組件上設置兩個進出作業孔，保證艙內作業空間及艙內外聯合作業的協調性。垂直雙面組合固連裝置示意，見圖1所示。

（三）加載驗證裝置設計

加載驗證裝置的可靠性對載荷精準施加及結構強度評估起到關鍵性作用，對艙體結構需實現大載荷縱向穩定考核，經過多種加載方案的理論計算及仿真分析，確定的高度5m，寬度4m的大跨距龍門加載方案為最佳的加載驗證方案，設置一套加載驗證裝置，包括固定梁、加載立梁、加載橫梁 、縱向加載組件等部分，其中大跨距加載龍門各梁及組件間均采用螺接方式連接，通過其靈活可調的特點，實現加載橫梁安裝平面中心位置與艙體兩個集中加載點縱向軸線空間相交，大跨距龍門加載裝置示意見圖2所示。在加載橫梁上依次安裝加載作動筒及加載鉸鏈，將加載作動筒及加載鉸鏈縱向軸線與艙體集中加載點縱向軸線保持重合，實現艙體縱向載荷隨動加載及結構強度驗證，整體驗證裝置整體示意，見圖3所示，裝置穩定性撓曲方程按照公式（1）計算。

式中：F為集中載荷（N）；E為彈性模量（Pa）；I為慣性矩（mm4）；L為梁的長度（mm），X為距固支位置距離（mm）。

三、驗證方法應用

將隨動加載驗證方法應用于復合材料艙體結構強度驗證考核中。設置固連裝置1套，加載裝置1套，覆蓋艙體10處固連和2處集中考核位置；通過加載鉸鏈配合加載作動筒，完成多量級加載驗證試驗，現場驗證示意見圖4所示。在集中加載點兩側布置多組應變片，通過測量集中加載點加載后的應變結果，計算出加載集中點的加載載荷結果，并與理論載荷分配結果進行對比分析，如表 1 所示；由表 1 可以看出，驗證試驗加載作動筒集中載荷經隨動加載傳遞后，復合材料艙體所承受加載載荷誤差均在 1% 以內，滿足試驗加載誤差要求。試驗過程中載荷逐級施加，記錄關鍵位置測點S05，S06等處的應變數據，與理論結果進行對比分析，見圖5所示，通過應變結果對比可分析出逐級加載后，應變測量結果基本上呈線性變化，理論應變數據與試驗測量應變數據結果吻合性良好。通過上述數據可以分析出，加載驗證方法可靠性、穩定性高，傳力路徑精準，真實可靠的反映艙體受載狀況，可為復合材料艙體結構提供有效結構強度驗證。

四、結語

以復合材料艙體結構為研究對象，分析了復合材料艙體結構縱向隨動加載方法實施的必要性，提出并設計了一套基于復合材料艙體固連及加載的試驗裝置，經過驗證試驗確認了加載方法的加載精度，最終應用于某大型復合材料艙體結構靜強度試驗驗證中，解決了復合材料艙體與固連裝置及加載裝置間諸多干涉問題。通過加載驗證方法的研究及應用結果表明： 復合材料艙體結構的隨動加載方法能夠準確、高效完成艙體結構載荷的施加，滿足驗證要求。驗證后產品完好，測得關鍵應變數據隨加載量級呈線性變化，滿足結構2倍以上承載要求，通過測量結果表明加載驗證方法載荷傳遞路徑精準，能夠真實可靠的驗證產品結構強度，為復合材料艙體結構輕量化設計及強度評估研究提供參考依據。中國軍轉民

參考文獻

[1]果琳麗，王平，梁魯，等.載人月面著陸及起飛技術初步研究[J]. 航天返回與遙感，2013，34（4）：10-16.

[2]范俊杰，呂秋鋒，寧曉周，等.一種兼具衛星艙板功能的相機承力板設計[J]. 航天返回與遙感，2021，42（3）：88-97.

[3]陳烈民，沃西源.航天器結構材料的應用和發展[J].航天返回與遙感，2007，28（1）：58-61.

[4]魏生道.結構靜力試驗技術[M].北京：宇航出版社，1988.

[5]馮紀生，俞云書，金烽.衛星結構試驗方法：GJB2497-95[S]，1995.

[6]王云霞 楊樂 富婷婷.機載固體火箭發動機殼體吊耳加強結構強度計算與試驗研究[J].強度與環境，2015，42（6）： 17-22.

[7]劉剛，胡照，白光明，等 .板架式衛星方圓過渡結構設計與靜力試驗驗證[J].強度與環境，2019，46（6）：36-40.

[8]郝亞新，劉敏，孫玉瑋， 等. 國際空間站環境試驗標準及力、熱試驗方法綜述[J]. 航天器環境工程，2021，38（4）：487-494.

（作者簡介：周國棟，北京空間機電研究所工程師，碩士研究生，研究方向為復合材料結構靜強度試驗技術及無損檢測技術；劉禹含、劉麗英、高征，北京空間機電研究所）