周星馳 周徐斌 陶炯鳴 王智磊 劉興天

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

鎂合金蒙皮蜂窩板在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

周星馳 周徐斌 陶炯鳴 王智磊 劉興天

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

為了進(jìn)一步降低衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量，采用鎂合金替代鋁合金成為新一代蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮?；赗eissner剪切理論，探究蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮材料變化對(duì)單板力學(xué)性能的影響?；赑atran-Nastran軟件分析并對(duì)比了使用鋁合金和鎂合金蒙皮蜂窩板結(jié)構(gòu)的典型衛(wèi)星平臺(tái)的力學(xué)性能。由于余量較大，提出減小面板厚度使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減重的可能性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，衛(wèi)星在符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)情況下最高減重達(dá)30.7%，因此鎂合金蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)值得在衛(wèi)星中推廣使用。

衛(wèi)星；輕量化；鎂合金；蜂窩結(jié)構(gòu)

1 引言

衛(wèi)星質(zhì)量每降低1 kg，相應(yīng)的運(yùn)載火箭質(zhì)量可以降低200～300 kg[1]，這將極大降低衛(wèi)星的發(fā)射成本。因此，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般會(huì)在滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求的前提下，盡可能降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。傳統(tǒng)鋁制蜂窩夾層結(jié)構(gòu)正是輕量化設(shè)計(jì)中的典型構(gòu)型。但是，衛(wèi)星用鋁合金蜂窩板的面板厚度最低為0.3 mm，故即便有較大余量的情況下仍然不能做到進(jìn)一步減重，這已經(jīng)成為限制衛(wèi)星進(jìn)一步減重的關(guān)鍵因素。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星各項(xiàng)性能指標(biāo)日益提高，對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)提出了更加嚴(yán)苛的輕量化、高承載等要求，因此為了進(jìn)一步降低衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量，開(kāi)始為蜂窩結(jié)構(gòu)尋找更輕、綜合性能更優(yōu)的替代材料。

鎂合金是以鎂為主要原料的高性能輕型結(jié)構(gòu)材料，其密度大約是鋁合金的2/3，比強(qiáng)度與牌號(hào)相關(guān)，部分鎂合金相對(duì)于鋁合金具有更高的比強(qiáng)度，如文獻(xiàn)[2]中指出常用鎂合金AZ91D比強(qiáng)度為138 MPa·cm3/g,高于鋁合金A380的116 MPa·cm3/g。除此之外鎂合金還具有更好的阻尼性能與優(yōu)良導(dǎo)電、防電磁等性能[3]。鎂合金材料目前在衛(wèi)星的支架類(lèi)產(chǎn)品以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件[4]中已獲得廣泛應(yīng)用，但作為蜂窩板面板材料的應(yīng)用在衛(wèi)星上尚無(wú)先例。

與鋁合金蜂窩板不同，現(xiàn)階段很少有針對(duì)鎂合金蒙皮蜂窩板的研究。目前，國(guó)內(nèi)僅有大連交通大學(xué)對(duì)鎂合金蒙皮蜂窩板的制備與力學(xué)性能做了初步探索[5-7]，包括彎曲、壓縮性能和隔聲性能，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段進(jìn)行的研究，并沒(méi)有運(yùn)用到相應(yīng)的工程背景中。

本文為了進(jìn)一步滿(mǎn)足衛(wèi)星輕量化的需求，提出用密度更輕的鎂合金替代鋁合金成為新一代蜂窩結(jié)構(gòu)的面板，研究面板屬性更改后對(duì)單板及整星性能的影響，對(duì)鎂合金蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)在衛(wèi)星上的應(yīng)用可行性作出分析。

2 單板力學(xué)性能分析

2.1基于Reissner剪切理論的剛度矩陣對(duì)比

對(duì)稱(chēng)構(gòu)造的正方形蜂窩結(jié)構(gòu)板如圖1所示，其上下面板的厚度與材料均一致，幾何尺寸為：邊長(zhǎng)L，面板厚度hf，芯層厚度hc。本文中，下標(biāo)f表示面板屬性，下標(biāo)c表示芯子屬性。

圖1 三明治夾芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sandwich structure panel

基于Reissner剪切理論，在蜂窩芯層的橫向剪切模量相等[8]的前提條件下，三明治夾芯結(jié)構(gòu)的拉壓剛度系數(shù)A、彎曲剛度系數(shù)D、橫向剪切剛度系數(shù)C[9]，有

(1)

式中：Ef與μf是面板材料的彈性模量與泊松比；Gc表示蜂窩芯層的橫向剪切模量；Mf表示面板的質(zhì)量；ρf表示面板材料的密度。表1是鎂鋁合金性能對(duì)比表[10-12]，可知，鎂合金彈性模量比鋁合金低，由式(1)可知，幾何尺寸不變的情況下，僅更改面板的材料屬性，對(duì)橫向剪切剛度C沒(méi)有影響，面內(nèi)拉壓剛度A與彎曲剛度D都一定程度上減小。

表1 鎂鋁合金性能對(duì)比

但是如果允許更改面板厚度，使得夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量不變前提下，根據(jù)表1知鎂合金與鋁合金的比剛度Ef/ρf基本可以認(rèn)為相同，因此可以認(rèn)為拉伸剛度A不變。但是由于鎂合金密度比鋁合金小，在保證夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量一定時(shí)，面板厚度hf增加，使得彎曲剛度D與剪切剛度C都有所增加，因此鎂合金替代鋁合金蒙皮在剛度屬性上存在優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)一步，分別使鎂合金和鋁合金蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)的拉伸剛度、彎曲剛度與剪切剛度相等，給出不同芯子厚度的鎂合金與鋁合金蒙皮質(zhì)量比，如表2所示(鋁蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)面板厚0.3 mm)。

表2 同剛度蜂窩板鎂鋁蒙皮質(zhì)量比

結(jié)果顯示，拉伸剛度相等時(shí)，鎂鋁蒙皮的質(zhì)量相等；但彎曲剛度與剪切剛度相等時(shí)，鎂蒙皮結(jié)構(gòu)質(zhì)量均較輕。因此單板結(jié)構(gòu)在輕量化上存在優(yōu)勢(shì)。

2.2基于Reissner剪切理論的模態(tài)對(duì)比

王盛春等[13]給出四邊簡(jiǎn)支條件下基于Reissner理論的模態(tài)求解，基于此，并在蜂窩芯子橫向剪切模量相等的條件下，求得圖1所示蜂窩結(jié)構(gòu)的基頻Ω1公式為

(2)

夾層結(jié)構(gòu)尺寸不變，將面板材料由鋁合金改成鎂合金后，彎曲剛度D減小，剪切剛度C不變，顯然基頻會(huì)降低。

保證夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量一定，將式(1)代入式(2)得到

(3)

此時(shí)，Ω12隨著面板厚度hf增加而增大，而等重量的條件下，鎂合金的面板厚度更厚，所以基頻也更高。因此，等質(zhì)量的前提條件下，使用鎂合金蒙皮的蜂窩結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率上仍然存在優(yōu)勢(shì)。

基頻與芯子的規(guī)格存在較大關(guān)系，故本節(jié)不討論等基頻下鎂鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比。

3 鎂鋁蒙皮箱式衛(wèi)星仿真結(jié)果對(duì)比

3.1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)介紹

衛(wèi)星由7塊蜂窩板組成，是典型的箱體式結(jié)構(gòu)。圖2為該箱體式衛(wèi)星的有限元模型。本節(jié)坐標(biāo)軸定義如下，坐標(biāo)原點(diǎn)為與分離解鎖裝置相連結(jié)構(gòu)板的一個(gè)頂點(diǎn),X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸指向衛(wèi)星本體對(duì)地結(jié)構(gòu)板，Y軸按照右手定則確定。各結(jié)構(gòu)板主要參數(shù)見(jiàn)表3所示(其中芯材規(guī)格參數(shù)為鋁箔厚度/芯格邊長(zhǎng))，儀器設(shè)備安裝在各自結(jié)構(gòu)板上。

圖2 衛(wèi)星有限元模型Fig.2 Finite element model of satellite

各蜂窩結(jié)構(gòu)板簡(jiǎn)化為復(fù)合材料殼單元，各板中預(yù)埋梁材料T700，簡(jiǎn)化為準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料梁?jiǎn)卧粚⒏鬏d荷單機(jī)包括太陽(yáng)陣模型，采用集中質(zhì)量點(diǎn)等效，通過(guò)多點(diǎn)約束(MPC)連接到星體模型上。星上其它儀器設(shè)備，如總體電路電纜、總裝直屬件等按非結(jié)構(gòu)質(zhì)量處理，分布于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)板上?；赑atran-Nastran軟件完成衛(wèi)星的模態(tài)、靜力與正弦掃描分析對(duì)比。

3.2質(zhì)量特性對(duì)比

將7塊蜂窩板的蒙皮由鋁合金改為鎂合金后，質(zhì)量特性對(duì)比見(jiàn)表4所示，此時(shí)整星結(jié)構(gòu)減重18.6%(0.54 kg)。質(zhì)心位置變化不大。

表4 質(zhì)量特性對(duì)比

3.3模態(tài)對(duì)比分析

約束條件為星箭分離面固支，模態(tài)特性對(duì)比見(jiàn)表5所示，各個(gè)振型的模態(tài)頻率均減小，但仍符合設(shè)計(jì)要求。

表5 模態(tài)特性對(duì)比

3.4靜力對(duì)比分析

靜力分析中，設(shè)置橫向過(guò)載+7.5gn，縱向過(guò)載-18gn。(“+”表示壓縮；“-”表示拉伸，下同)

靜力分析對(duì)比見(jiàn)表6所示，有限元分析中，鋁合金的許用應(yīng)力250 MPa，鎂合金許用應(yīng)力220 MPa(分別為L(zhǎng)Y12CZ和AZ31-H24的屈服強(qiáng)度)，基于霍夫曼準(zhǔn)則求解最小安全裕度。結(jié)果顯示鎂合金蒙皮模型的最大變形有所增加，最大應(yīng)力卻有所減小，同時(shí)，最小安全裕度鎂合金略有提高。證明更換蒙皮材料后靜力分析仍符合設(shè)計(jì)需求。

表6 靜力分析對(duì)比

3.5正弦掃描對(duì)比分析

以星箭分離面幾何中心作為輸入點(diǎn)，正弦響應(yīng)輸入條件見(jiàn)表7所示。臨界阻尼系數(shù)為0.05。

表7 衛(wèi)星頻率響應(yīng)輸入條件

以+Y板太陽(yáng)陣測(cè)點(diǎn)響應(yīng)為例，兩種模型的正弦響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)表8所示，曲線對(duì)比見(jiàn)圖3。

表8 典型測(cè)點(diǎn)正弦響應(yīng)對(duì)比

結(jié)果顯示，鎂蒙皮模型出現(xiàn)明顯的頻率前移的現(xiàn)象。除了Z方向響應(yīng)增大外，其余方向響應(yīng)沒(méi)有明顯影響。兩種模型的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，鎂合金模型X與Z方向最大應(yīng)力略微增加，Y方向卻大幅度減小。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)正弦響應(yīng)對(duì)比圖Fig.3 Diagram of sinusoidal response contrasts

4 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減重探索

目前，衛(wèi)星用鋁合金蜂窩板的面板厚度最低為0.3 mm，故即便有較大余量的情況下仍然不能做到進(jìn)一步減重。更換為同尺寸鎂合金蒙皮后，該衛(wèi)星減重已經(jīng)很明顯，但是設(shè)計(jì)指標(biāo)余量仍然較大。0.2 mm鎂蒙皮蜂窩板目前工藝不存在問(wèn)題，只是成本太高，小規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。而且，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)正在努力降低其生產(chǎn)成本，所以本節(jié)基于Patran-Nastran軟件對(duì)使用0.2 mm鎂蒙皮蜂窩板的該衛(wèi)星的模態(tài)與靜力做出仿真分析，以探討進(jìn)一步減重的可能性。

衛(wèi)星的仿真條件與第3節(jié)相同，仿真結(jié)果見(jiàn)表9所示，顯示此時(shí)衛(wèi)星模態(tài)分析的頻率與靜力分析的最大應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且減重30.7%(0.89 kg)。

表9 Mg-0.2模型仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比了鎂鋁蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，認(rèn)為鎂蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)無(wú)論是單板還是整星，在輕量化領(lǐng)域均有明顯的優(yōu)勢(shì)。單板結(jié)構(gòu)中，由于等質(zhì)量時(shí)，鎂蒙皮蜂窩性能較優(yōu)，因此等性能時(shí)，鎂蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)質(zhì)量也較輕。在整星對(duì)比中，對(duì)于有著較大設(shè)計(jì)余量的小衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，如本文中的箱體式小衛(wèi)星，將鋁面板材料更換為鎂合金后，減重為18.6%，進(jìn)一步將鎂蒙皮厚度減小為0.2 mm時(shí)，衛(wèi)星減重為30.7%，衛(wèi)星仍符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。這將大大降低發(fā)射成本。因此，用鎂合金替代鋁合金成為新一代蜂窩結(jié)構(gòu)的蒙皮可行，值得在此類(lèi)小衛(wèi)星中推廣使用。

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Applications of Magnesium Alloy Skin Honeycomb Sandwich Panel on Satellite

ZHOU Xingchi ZHOU Xubin TAO Jiongming WANG Zhilei LIU Xingtian

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

To reduce the weight of the satellite further, magnesium alloy is considered to substitute aluminum alloy skin at aluminum honeycomb sandwich structure panel. The influence of material on the mechanical property of sandwich structure panel is analyzed based on Reissner theory. The mechanical properties of sandwich panel are tested and the mechanical properties of satellite used magnesium/aluminum alloy skin honeycomb sandwich panels are analyzed and compared based on Patran-Nastran software. Because of the margin design, the thickness of skin is considered to decrease so that the weight can be reduced further. The solutions show that the lightening of the satellite is as high as 30.7%，so the magnesium alloy skin honeycomb sandwich panel should be used widely on the satellite.

satellite；light weight；magnesium alloy；honeycomb structure

V414.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.008

2017-06-22；

2017-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51505294)

周星馳，女，碩士研究生，研究方向航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。Email：zhouxingchi_mx@163.com。

(編輯：張小琳)