許煥賓 施麗銘 肖偉 陳茹 馬凱 嚴(yán)利娟 張霞

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

薄壁密封艙大承載膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許煥賓1施麗銘1肖偉1陳茹1馬凱1嚴(yán)利娟2張霞2

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

載人航天器大型化、輕量化的特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)采取膠接區(qū)域變厚度設(shè)計(jì)、通氣孔分布式設(shè)計(jì)、打磨工藝設(shè)計(jì)和抽真空加壓設(shè)計(jì)等針對(duì)性改進(jìn)措施，有效解決了“浴盆效應(yīng)”、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(wèn)題。仿真分析和試驗(yàn)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(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(gòu)型，艙內(nèi)通常布置結(jié)構(gòu)板、立梁等結(jié)構(gòu)［1］，為貨物提供螺接固定邊界。但出于特殊要求，某些大質(zhì)量設(shè)備只能直接布置在艙內(nèi)壁上。密封艙一般為薄壁殼體結(jié)構(gòu)，預(yù)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(shè)備固定邊界，不會(huì)破壞艙體結(jié)構(gòu)，可以避免鉆孔引起的應(yīng)力集中，連接效率高、質(zhì)量輕、抗疲勞，可以作為備選方案。但膠接結(jié)構(gòu)對(duì)工件表面質(zhì)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(jié)構(gòu)上實(shí)施膠接鮮有報(bào)道，主要存在以下難點(diǎn)：①大面積曲面結(jié)構(gòu)增加了膠層控制難度，易造成局部膠層不均，形成“浴盆效應(yīng)”；②薄壁結(jié)構(gòu)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(duì)膠層加壓等問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］以鋁鋰合金AL－LI－S－4為研究對(duì)象，研究了材料表面處理和膠接件制備工藝，得出包括機(jī)械打磨、粘接用膠、氧化工藝參數(shù)以及固化工藝等較優(yōu)的參數(shù)。文獻(xiàn)［4－9］就鋁合金表面處理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，為膠接工藝實(shí)施提供了有益借鑒。文獻(xiàn)［10］利用有限元法對(duì)由幾何尺寸引起的膠接接頭強(qiáng)度變化進(jìn)行仿真分析，總結(jié)了膠層厚度、膠接搭接長(zhǎng)度、搭接面積等因素對(duì)膠接強(qiáng)度的影響。以上研究工作對(duì)膠接的機(jī)理進(jìn)行了較為全面的研究，但由于停留在標(biāo)準(zhǔn)樣件層面，與實(shí)際應(yīng)用尚存在較大差別。本文針對(duì)薄壁曲面密封艙艙內(nèi)膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，并對(duì)上述4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提出解決措施，可為密封艙大承載膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。

2 膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)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(qiáng)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(tài)下工作，盡量避免膠層受拉力和剝離力；膠接強(qiáng)度必須高于被膠接件本身的強(qiáng)度。在密封艙內(nèi)壁膠接支座，主要用于承受較大載荷，同時(shí)應(yīng)滿足金屬結(jié)構(gòu)先于膠層剝離發(fā)生屈服的要求，以保證膠層不是最薄弱環(huán)節(jié)。因此與常規(guī)膠接不同，密封艙內(nèi)支座的膠接更應(yīng)注重整體性設(shè)計(jì)，包括膠層強(qiáng)度與母體的剛度匹配性設(shè)計(jì)、支座的等剛度設(shè)計(jì)、艙壁局部形貌處理方法以及空間角度加壓設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2.1 膠接支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(yīng)力集中、抗剪切能力較弱；單支座多孔則可以提供相對(duì)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(shè)計(jì)的難點(diǎn)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(qiáng)度，形成“浴盆效應(yīng)”；曲面匹配間隙不均問(wèn)題；支座膠接面厚度與壁板厚度的剛度匹配問(wèn)題?；谶@些考慮，采取如下措施予以應(yīng)對(duì)。

（1）選用單支座兩孔方案，支座長(zhǎng)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(yīng)。圖1（a）為矩形支座（60mm×100mm），圖1（b）為長(zhǎng)圓形支座（60mm× 130mm）。

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

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

圖1 膠接支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Structual design of bonding bracket

2.2 支座與薄壁結(jié)構(gòu)的剛度匹配設(shè)計(jì)

蒙皮加筋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是內(nèi)壁光滑，外壁加筋，其內(nèi)表面呈現(xiàn)凹凸不平，加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)位置略高，蒙皮對(duì)應(yīng)位置相對(duì)略低。考慮薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同膠接位置的選取對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)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(qiáng)筋位置重合，見(jiàn)圖2（a），可以同時(shí)搭接兩個(gè)十字交叉筋，利用加強(qiáng)筋分散集中力。

（2）支座與蒙皮位置重合，見(jiàn)圖2（b），蒙皮對(duì)應(yīng)內(nèi)壁輪廓度較好，更有利于提高膠接質(zhì)量。

（3）支座邊緣采用變厚度設(shè)計(jì)，由中間向四周逐漸變薄，實(shí)現(xiàn)等剛度設(shè)計(jì)。

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(duì)工件進(jìn)行表面處理，目的在于優(yōu)化表面形貌、利于膠黏劑滲入、增強(qiáng)工件間的膠接強(qiáng)度。實(shí)施膠接時(shí)，已經(jīng)圍焊成整體艙段，且內(nèi)表面未進(jìn)行陽(yáng)極化處理，粗糙度為Ra3.2，極其光滑，不利于實(shí)施膠接。化學(xué)法和物理法均需將工件整體置于溶液中，容易對(duì)膠接區(qū)域以外的部分造成污染。噴砂處理時(shí)砂流四濺，極易造成內(nèi)表面更大面積的毛化，產(chǎn)生不必要的裂紋。相比而言，機(jī)械打磨可以靈活控制打磨區(qū)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(yáng)極化法表面處理的效果接近［10］。文獻(xiàn)［2］針對(duì)A1－Li合金，選用180＃、320＃和1000＃三種水磨砂紙對(duì)試驗(yàn)工件進(jìn)行表面處理，膠接樣件的剪切強(qiáng)度平均值分別達(dá)到41.42MPa、37.84MPa和33.55MPa?？紤]到密封艙的承壓安全性，180＃砂紙打磨深度過(guò)大，易產(chǎn)生較深的劃痕，因此選擇320＃水磨砂紙實(shí)施對(duì)壁板膠接區(qū)域的打磨。且打磨完成后須對(duì)打磨部位及時(shí)清理，保證膠接前無(wú)水、油等污染物。

2.4 膠接固化的加壓?jiǎn)栴}

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(shí)施膠接時(shí)，由于密封艙膠接面與地面垂直，膠接面為曲面，使用常規(guī)方法很難實(shí)現(xiàn)均勻施加，無(wú)法保證膠接質(zhì)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(guò)抽真空使支座處于1atm的壓力載荷下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支座的垂直加壓，從而保證膠層質(zhì)量。加壓后，應(yīng)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(jié)構(gòu)仿真分析

針對(duì)不同的膠接支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及膠接位置，通過(guò)仿真分析，確定最佳膠接方案。表1為應(yīng)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(qū)域設(shè)計(jì)。圖3（a）和（b）、（c）和（d）、（e）和（f）、（g）和（h）分別為對(duì)應(yīng)表1工況1、2、3、4條件下，壁板和膠層的應(yīng)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(jié)果，分析如下。

（1）工況1壁板最大應(yīng)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(kuò)散明顯，而工況2應(yīng)力主要集中在加筋網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，由于壁板為薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)，不宜承載。因此將支座粘接于加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)位置更有利于承載，支座膠接位置應(yīng)當(dāng)遵循有利于擴(kuò)散集中力的原則。

（2）工況3膠層最大應(yīng)力比工況2高約30%，長(zhǎng)軸兩端中心位置應(yīng)力高約10%，更易發(fā)生剝離，因此支座膠接面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循等剛度設(shè)計(jì)原則，采用變厚度設(shè)計(jì)提升膠接強(qiáng)度，降低局部剝離風(fēng)險(xiǎn)。

（3）與工況1相比，工況4擴(kuò)大了支座沿0°方向的膠接面積。分析結(jié)果表明：工況4沿0°方向的承載區(qū)域更大，同時(shí)膠層的最大應(yīng)力卻降低了約20%。顯然，長(zhǎng)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(zhǎng)圓形變厚度支座設(shè)計(jì)，將其膠接于加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)位置，更有利于提升薄壁結(jié)構(gòu)的膠接強(qiáng)度。

圖3 應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress contour

表2 仿真分析結(jié)果（最大應(yīng)力）Table 2 Simulation result（MAX stress）

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選用矩形支座進(jìn)行膠接性能試驗(yàn)，包括0°剪切破壞試驗(yàn)和90°拉伸破壞試驗(yàn)兩種。

3.1 0°剪切破壞試驗(yàn)

參照?qǐng)D2（a）膠接方式進(jìn)行試驗(yàn)，按0°方向加載直至破環(huán)。力－位移關(guān)系如圖4所示。12 000N時(shí)，剪切力瞬間跌落，此時(shí)連接工裝和支座的鈦釘（M5，1100MPa）的一個(gè)螺釘發(fā)生斷裂（見(jiàn)圖5），另一個(gè)螺釘也發(fā)生嚴(yán)重屈服變形，支座孔局部變形嚴(yán)重，膠層保持良好，壁板局部發(fā)生屈服。此試驗(yàn)說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test result

3.2 90°拉伸破壞試驗(yàn)

參照?qǐng)D2（a）膠接方式進(jìn)行試驗(yàn)，按90°方向加載直至破壞。圖6為拉力－位移關(guān)系曲線。約5000N時(shí)，拉力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，根據(jù)對(duì)應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果可知，此時(shí)測(cè)點(diǎn)5的最大應(yīng)變達(dá)2000με，相應(yīng)壁板應(yīng)力達(dá)140MPa，壁板開(kāi)始發(fā)生屈服；如圖7所示，約11 600N時(shí)，支座長(zhǎng)端開(kāi)始發(fā)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(guò)程Fig.7 Stripping process of adhesive

由試驗(yàn)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(fā)生了屈服，可以確保膠層不是最薄弱環(huán)節(jié)。由于金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力一般小于屈服應(yīng)力，相對(duì)于單個(gè)支座1000N的承載要求，本文所述膠接結(jié)構(gòu)可以提供5倍安全系數(shù)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)薄壁曲面密封艙艙內(nèi)大承載膠接結(jié)構(gòu)展開(kāi)設(shè)計(jì)，通過(guò)膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)，就“浴盆效應(yīng)”、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(wèn)題進(jìn)行了研究，現(xiàn)歸納在薄壁曲面上膠接支座的關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）針對(duì)支座大面積膠接情況，通過(guò)設(shè)置通氣孔消除“浴盆效應(yīng)”，提升膠接能力；

（2）遵循更有利于分散集中力準(zhǔn)則，選取在加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行膠接，同時(shí)對(duì)支座進(jìn)行變厚度設(shè)計(jì)，可以降低壁板局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，避免膠層局部過(guò)早剝離；

（3）選取對(duì)間隙不均勻性不敏感的常溫膠，降低曲面膠接對(duì)膠接性能的影響；

（4）通過(guò)局部打磨的方式對(duì)密封艙壁板進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)支座的多方位加壓，可以保證膠層質(zhì)量；

（6）采用單支座多孔點(diǎn)的設(shè)計(jì)，提供相對(duì)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(nèi)部的輕量化設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)：中國(guó)，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(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

許煥賓，男，博士，工程師，研究方向?yàn)槊芊饨Y(jié)構(gòu)、在軌服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建及大承載可展開(kāi)結(jié)構(gòu)。Email：geshou1588@163.com。