刁常堃 周 強 金瑋瑋 沈鋒鋼 楊淇帆 嚴利娟

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載人航天器光殼結構用膠接支座設計與強度分析

刁常堃1周 強1金瑋瑋1沈鋒鋼1楊淇帆2嚴利娟2

（1. 中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094；2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

針對載人航天器密封艙的光殼結構，設計了一種變厚度的膠接支座，并對其膠接強度進行了仿真分析和試驗驗證，得出了膠接支座的承載能力，為在光殼結構上使用膠接的形式進行安裝孔設計時提供了設計參考。

光殼結構；膠接支座；膠接強度

1 引言

載人航天器一般為密封結構，密封艙選用蒙皮加網格筋的結構形式，內壁為光殼結構。載人航天器艙外通常通過提前設置法蘭進行設備安裝，電纜、管路通過在艙外網格筋上的交叉處設置安裝孔固定，艙內通常設置蜂窩結構的儀器板，在儀器板上設置螺紋孔進行設備、電纜、管路等的安裝固定。為了最大程度地利用艙內空間，提高裝載效率，在艙內沒有儀器板的艙體內壁，也需要進行電纜、管路以及小型設備的布局和安裝，故需要在艙內光殼結構處提供相應的安裝孔?？紤]艙體密封性、安全性、長壽命以及加工工藝等因素，該類區(qū)域不能直接設置螺紋孔，如果通過較遠距離的儀器板或框結構進行轉接后再提供安裝孔則重量代價較大，尤其是只固定電纜、管路類產品時，轉接支架的重量會比其承載載荷還要重。為了解決該類問題，采用小型膠接支座的形式對載人航天器密封艙內壁設置安裝孔的形式是比較優(yōu)化的選擇。同時，考慮后期改裝或設計優(yōu)化等需要在結構上新增安裝孔的設計，通過膠接支座的形式也是周期最短、代價最低的方案。

已有較多的文獻對膠接的機理和強度分析做過較為全面的研究，文獻[1]分析了膠層厚度、搭接長度、搭接面積等幾何尺寸對膠接接頭強度的影響，得出了各幾何尺寸對膠接接頭強度的影響趨勢；文獻[2]分析了膠接材料表面處理方法、膠層的厚度、墊片厚度和試樣的夾距距離、涂膠時的晾置時間等因素對膠接強度的影響，并通過試驗測試結果得出影響關系；文獻[3]利用有限元法研究了接頭在不同參數(shù)下的失效模式、破壞形貌和極限載荷等的變化，得出膠接連接的失效模式和極限載荷均與膠接長度和被膠接件厚度有關；文獻[4～8]對鋁合金表面處理的研究現(xiàn)狀進行了總結，為膠接工藝實施提供了有益借鑒。文獻[9]針對載人航天器密封結構提出了一種密封艙大承載膠接結構設計方法，解決了密封艙內壁上大型承載結構的安裝接口設計。

以上文獻對膠接強度的影響因素和機理進行了較為全面的分析，但均停留在標準樣件層面，與實際應用存在較大差別，文獻[9]雖然研究了載人航天器密封艙艙內大承載膠接結構，但只針對特定情況下的曲壁大承載結構設計，對載人航天器密封艙中的小型通用膠接結構以及不同膠接曲面對膠接性能的影響沒有提及。本文針對以上問題，分析載人航天器密封艙光殼結構上使用的小型膠接支座形式及其在不同膠接面上的膠接強度，并通過拉伸試驗驗證，為膠接支座在密封艙內壁結構上的使用條件提供參考。

2 膠接支座結構形式設計

2.1 結構形式

載人航天器密封艙內壁上的膠接支座主要用來固定電纜、管路等載荷不大的產品，其設計時在考慮膠接強度的條件下，重量盡量小，故該類膠接支座一般設計成單支座單孔形式，為了減少應力集中，膠接面受壓均勻，膠接面一般設計成圓形。膠接支座結構設計要素如下：

a. 采用單支座單孔圓形膠接面的形式，提供支座利用率，減少局部應力集中；

b. 固定電纜、管路用安裝螺釘一般選用M4緊固件，故膠接支座上方提供的螺紋接口為M4螺紋；

c. 為實現(xiàn)膠接支座與膠接對象的等剛度匹配，支座邊緣采用變厚度設計，由中間向四周逐漸變薄，材料選用2A12鋁合金。

據(jù)此，本文中所設計的載人航天器密封艙內壁用的小型通用膠接支座的結構形式如圖1所示。

圖1 通用膠接支座結構形式

2.2 仿真分析

承載類膠接結構的膠接，通常選用對間隙不均勻性不敏感的常溫固化Redux420雙組分環(huán)氧膠，其室溫剪切強度最大達25MPa。針對膠接面直徑分別為20mm、30mm、40mm的支座在承載時的膠接層所受剝離力，利用MSC.Patran有限元分析軟件進行了仿真分析（如圖2～圖4所示，考慮實際電纜、管路等的安裝高度，仿真分析時的載荷施力點在距離膠接面30mm高度處，施力方向與膠接面平行）。由于施力點與膠接面存在高度差，故膠接面除受剪切力外，還受到彎矩的影響，同時膠接支座為變厚度設計，故膠接面所受的拉壓力會有所不同。通過仿真分析得知，該狀態(tài)下，膠接層最大受力點在支座圓柱與底面過渡的區(qū)域，且隨著膠接底面的直徑增大，其受力有減小的趨勢，其中直徑20mm支座的剝離力是30mm支座的3倍，而30mm與40mm膠接支座所受剝離力差別不是很大。因此，綜合考慮膠接性能以及重量優(yōu)化，本文所設計的小型通用膠接支座選用直徑為30mm的結構形式。

圖2 Φ20mm支座膠接層所受剝離力

圖3 Φ30mm支座膠接層所受剝離力

30mm膠接支座在剪切方向和垂直方向受力時的Mises應力如圖5、圖6所示，剪切方向施加1000N載荷時，膠層的受載達到極限值，膠接支座所受的最大載荷為139MPa；垂直方向施加8000N載荷時，膠層的受載達到極限值，膠接支座所受的最大載荷為79.6MPa，均小于膠接支座的屈服強度，故膠接支座的強度能夠滿足膠接的使用要求。

圖530mm支座垂直方向所受的Mises應力

圖6 Φ30mm支座剪切方向所受的Mises應力

3 膠接工藝

依據(jù)文獻[1～3]中的膠接表面工藝處理方法以及工程實際經驗，為了增強膠接劑的膠接強度，提高Redux420膠與膠接面的附著力，在膠接前要對膠接面進行磷酸陽極化處理。

涂抹膠液時應均勻，使膠液均勻溢出形成膠瘤，Redux420膠在固化時要求接觸壓力不小于0.05MPa，固化時間一般不少于240h，固化時的接觸壓力通過局部抽真空施壓的方式進行施壓固化。

4 膠接強度驗證

載人航天器密封艙體結構需要膠接的區(qū)域一般為鋁合金的內外表面，針對不同的位置，表面狀態(tài)又可以為平面、內弧和外弧，故試驗驗證時，對三種膠接狀態(tài)下的膠接強度均進行了比對，以驗證膠接面的弧度對膠接性能的影響（試驗中的曲面弧度大于3300mm）。

試驗時，對不同接觸面的試驗件分別進行兩個方向的拉伸試驗，載荷加載方向依次為0°、90°（如圖7所示），試驗底板的形式分別為鋁合金（外弧面）、鋁合金（內弧面）、鋁合金（平面），每個試驗采用3個樣本。

圖7 試驗加載方法

4.1 0°拉伸試驗

參照圖7a的0°加載試驗，施加載荷直至破壞，平面試驗板的力位移曲線如圖8所示，試驗時3個支座均為脫膠，平均載荷900N；內弧試驗板的力位移曲線如圖9所示，試驗時3個支座中均為脫膠，平均載荷840N；外弧試驗板的力位移曲線如圖10所示，試驗時3個支座中1個為M4鈦釘斷裂，其它2個為脫膠，平均載荷1090N。

圖8 Φ30mm支座-鋁合金底板0°方向

圖9 Φ30mm支座-鋁合金底板（內弧）0°方向

圖10 Φ30mm支座-鋁合金底板（外?。?°方向

4.2 90°拉伸試驗

參照圖7b的90°加載試驗，施加載荷直至破壞，平面試驗板的力位移曲線如圖11所示，試驗時3個支座均為脫膠的狀態(tài)，平均載荷7500N；內弧試驗板的力位移曲線如圖12所示，試驗時3個支座中2個為M4鈦釘斷裂，1個為脫膠狀態(tài)，平均載荷7600N；外弧試驗板的力位移曲線如圖13所示，試驗時3個支座中2個為M4鈦釘斷裂，1個為脫膠狀態(tài)，平均載荷7300N。

圖11 Φ30mm支座-鋁合金底板90°方向

圖12 Φ30mm支座-鋁合金底板（內弧）90°方向

圖13 Φ30mm支座-鋁合金底板（外?。?0°方向

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過試驗結果得知，30mm膠接支座-鋁合金平板的試驗件，在0°方向的3個試驗件均為脫膠的狀態(tài)，平均載荷900N；90°方向的3個試驗件均為脫膠的狀態(tài)，平均載荷7500N。考慮試驗加載點與膠接面存在30mm的高度差，故加載方向在與膠接面非90°情況下，存在彎矩，使得膠接面處有被剝離的趨勢，故隨著試驗拉伸方向的增大，膠接強度也逐步增大，90°時的承載最大，0°時的承載最小。試驗結果也與圖5、圖6的仿真分析結果一致。

30mm膠接支座-鋁合金底板（內弧）的試驗件，除90°方向的2個試驗件為釘斷，其它都為脫膠狀態(tài)，0°方向、90°方向的平均拉脫力分別為840N、7600N。由試驗結果可知，由于內弧度造成的膠厚不均勻性小于0.2mm，內弧試驗件的膠接承載能力與平板試驗件的承載能力相差不大。

30mm膠接支座-鋁合金底板（外?。┑脑囼灱?0°方向的2個試驗件為釘斷，其它都為脫膠狀態(tài)，0°方向、90°方向的平均拉脫力分別為1090N、7300N。由試驗結果可知，由于外弧度造成的膠厚不均勻性小于0.2mm，外弧試驗件的膠接承載能力與平板試驗件的承載能力相差不大。

5 結束語

本文針對電纜、管路等小載荷產品在無結構安裝孔的載人航天器密封艙內光殼區(qū)域的安裝，提出了采用變厚度設計的膠接支座提供安裝孔的解決方式，通過確定膠接支座的結構形式，根據(jù)固化的膠接工藝對不同膠接面上的膠接支座在不同方向的膠接強度進行了試驗驗證，得出結論如下：

a. 膠接支座在設計上滿足使用要求的條件下，尺寸和重量要盡量小，為實現(xiàn)與膠接對象的等剛度匹配，支座邊緣采用變厚度設計，由中間向四周逐漸變??；

b. 為實現(xiàn)膠接支座的通用化設計，滿足膠接強度一致性，需要對膠接工藝進行固化，膠接時嚴格按工藝執(zhí)行，避免因膠接條件不一致引起的膠接性能損失和差異性，即膠接支座在膠接前對膠接面進行磷酸陽極化；在膠接時，涂抹膠液要均勻，使膠液均勻溢出形成膠瘤，Redux420膠在固化時要求接觸壓力不小于0.05MPa，固化時間一般不少于240h，固化時的接觸壓力通過局部抽真空施壓的方式進行施壓固化；

c. 通過仿真分析及試驗驗證，由于作用在膠接支座上的載荷作用點與膠接面存在30mm高度差（艙上安裝狀態(tài)），彎矩對膠接支座造成的剝離力影響較大，使得30mm的變厚度膠接支座在平行于膠接面方向的承載能力最弱，載荷在800N以上；在垂直于膠接面方向的承載能力能達7000N以上；

d. 通過試驗結果表明，在膠接對象的直徑超過3300mm時，其由于弧度造成的膠厚不均勻性小于0.2mm，小于膠接時膠接面之間的縫隙要求，故對于本文中所設計的膠接支座，在膠接于直徑超過3300mm的弧面時，其膠接強度也能滿足要求，可以通用在弧面上進行膠接。

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9 許煥賓. 薄壁密封艙大承載膠接結構設計[J]. 航天器工程，2016，25(5)：45～50

Design and Bonding Strength Analysis of Scaffold Used on Light Shell Structure of Manned Spacecraft

Diao Changkun1Zhou Qiang1Jin Weiwei1Shen Fenggang1Yang Qifan2Yan Lijuan2

(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094； 2. Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094)

In view of the light shell structure of the manned spacecraft sealed cabin, a adhesive scaffold with variable thickness design is designed, and the bonding strength is simulated and tested. The bearing capacity of the adhesive scaffold is obtained, which provides a reference for the design of the installation hole in the form of the light shell structure.

light shell structure；adhesive scaffold；bonding strength

刁常堃（1986），碩士，機械總體/總體總裝專業(yè)；研究方向：載人航天器構型、布局及總裝設計。

2018-07-16