基于振動(dòng)試驗(yàn)的基板剛度測(cè)試

劉少鋒，任守志，盛 聰，李珊珊

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.北京遙感設(shè)備研究所，北京 100039）

基于振動(dòng)試驗(yàn)的基板剛度測(cè)試

劉少鋒1，任守志1，盛 聰1，李珊珊2

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.北京遙感設(shè)備研究所，北京 100039）

為獲取太陽(yáng)電池陣基板性能，通常在基板生產(chǎn)過(guò)程中同步制作隨爐件，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試隨爐件剛度，進(jìn)而間接判斷基板的性能。但是由于外界因素的影響，該測(cè)試結(jié)果難以反映基板的真實(shí)剛度。文章提出采用單板振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試基板彎曲剛度，并針對(duì)某型號(hào)太陽(yáng)電池陣基板完成了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：基板實(shí)際剛度與數(shù)值分析結(jié)果僅相差2.2%；與三點(diǎn)彎曲法測(cè)試結(jié)果相比，振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以更準(zhǔn)確反映基板真實(shí)性能。

太陽(yáng)電池陣基板；隨爐試件；剛度測(cè)試；振動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

太陽(yáng)電池陣一般由數(shù)塊太陽(yáng)電池板、連接架及機(jī)構(gòu)組成，發(fā)射過(guò)程中依靠壓緊機(jī)構(gòu)收攏于衛(wèi)星本體側(cè)壁，衛(wèi)星入軌后，壓緊機(jī)構(gòu)釋放約束，在鉸鏈機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下展開(kāi)鎖定，為衛(wèi)星提供電源[1]。太陽(yáng)電池板由基板和電池及電路組成，基板是電池及電路的載體。為了減輕重量并提高結(jié)構(gòu)剛度，基板通常采用碳纖維復(fù)合材料面板的蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)[2]。為避免與整星頻率耦合，基板設(shè)計(jì)時(shí)一般要求剛度大于某數(shù)值，因此基板設(shè)計(jì)過(guò)程需要進(jìn)行剛度測(cè)試，確保滿足指標(biāo)要求。通常在基板生產(chǎn)過(guò)程中同步制作隨爐件，采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行隨爐件剛度測(cè)試[3]，進(jìn)而間接判斷基板的性能。但是，隨爐件制備過(guò)程復(fù)雜且質(zhì)量難以保證，經(jīng)常出現(xiàn)同批隨爐件的一致性較差、測(cè)試結(jié)果離散性較大，甚至與基板產(chǎn)品實(shí)際剛度存在較大差異的情況。例如某型號(hào)太陽(yáng)電池陣研制過(guò)程中隨爐件剛度測(cè)試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果偏差達(dá)40%。因此基板隨爐件剛度測(cè)試結(jié)果并不能真實(shí)反映基板產(chǎn)品的實(shí)際剛度性能。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)的固有特性[4]，其響應(yīng)數(shù)據(jù)可直接用于有限元分析模型的修正。本文提出了基于振動(dòng)試驗(yàn)直接測(cè)試基板剛度的方法。與依賴隨爐件測(cè)試結(jié)果間接判斷的方法不同，該方法舍棄隨爐件制備等中間環(huán)節(jié)，減少外界因素的影響，直接對(duì)基板產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試；無(wú)需進(jìn)行模型修正，可以直接獲得基板的真實(shí)剛度性能。

本文介紹了基板和試驗(yàn)系統(tǒng)的組成，給出了測(cè)試方法和試驗(yàn)條件，并將測(cè)試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該測(cè)試方法的有效性。

1 基板簡(jiǎn)介

太陽(yáng)電池陣基板一般采用“面板+鋁合金蜂窩”的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由上、下面板和中間的蜂窩芯組成（見(jiàn)圖1）。面板選用剛度和強(qiáng)度較好的薄板材料，如玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、鋁合金等，目前碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用最廣。由于對(duì)輕量化要求日益提高，為了進(jìn)一步減輕基板重量，面板由多層碳纖維復(fù)合材料制作的空心網(wǎng)格鋪設(shè)而成。蜂窩芯常用鋁合金材料，是由側(cè)壁極薄的蜂窩陣列排列而成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]。面板與鋁合金蜂窩芯通過(guò)膠粘劑粘接，利用烘箱進(jìn)行高溫固化成型。蜂窩夾層板以極少的材料代價(jià)獲得了極高的彎曲剛度。

圖1 太陽(yáng)電池板基板組成Fig.1 Composition of the solar panel substrate

2 基板的振動(dòng)試驗(yàn)及剛度測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

正弦振動(dòng)試驗(yàn)是將基板試件固連在剛性振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)施加給定的加速度激勵(lì)，測(cè)量試件結(jié)構(gòu)在該條件下的響應(yīng)[6]。先按照試驗(yàn)條件進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，獲取基板的固有頻率特性；然后將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行比較，判斷基板的剛度性能。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由試件、振動(dòng)臺(tái)、夾具、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電荷放大器、傳感器等組成。振動(dòng)控制點(diǎn)上的響應(yīng)由加速度傳感器反饋到控制系統(tǒng)進(jìn)行比較和修正，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)在控制點(diǎn)上產(chǎn)生的加速度響應(yīng)符合試驗(yàn)條件的要求[7]。

基板試件通過(guò)壓緊裝置安裝在轉(zhuǎn)接板上，再將轉(zhuǎn)接板與振動(dòng)臺(tái)連接（見(jiàn)圖2）。試驗(yàn)時(shí)共設(shè)置 5個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)（A1～A5）（見(jiàn)圖2(a)），控制傳感器布置見(jiàn)圖2(b)。

圖2 太陽(yáng)電池板單板振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)示意Fig.2 Configuration of the single solar panel vibration test

2.3 試驗(yàn)條件

基板試件的主振方向?yàn)榇怪庇诿姘宸较颍▂向），因此僅進(jìn)行y向振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載順序?yàn)?.5g、1g、3g，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中掃描速率為2 oct/min。

表1 太陽(yáng)電池陣單板正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 1 Conditions of the single solar panel’s sine vibration test

2.4 測(cè)試結(jié)果

A3測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3，由響應(yīng)曲線可以得到基板y向的基頻為81.57 Hz（試驗(yàn)?zāi)B(tài)階次是結(jié)合模態(tài)分析振型進(jìn)行判斷而得，前2個(gè)波峰頻率與一階陣型頻率相差較大，不是主振頻率）。A4測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4，由響應(yīng)曲線可以得到基板y向的基頻為82.04 Hz（前2個(gè)波峰頻率與一階陣型頻率相差較大，不是主振頻率）。

圖3 A3測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of A3 measurement point

圖4 A4測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of A4 measurement point

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比

3.1 基于基板材料實(shí)際性能參數(shù)的數(shù)值分析

利用NASTRAN 軟件按照?qǐng)D2狀態(tài)建立基板分析模型，基板振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)通過(guò)3個(gè)壓緊點(diǎn)將基板與振動(dòng)臺(tái)剛性連接，因此模態(tài)分析模型中3個(gè)壓緊點(diǎn)處視為固支。采用板殼單元?jiǎng)澐謫卧?，根?jù)碳纖維和蜂窩芯的實(shí)際性能（M60單向碳纖維材料拉伸模量為320 GPa，鋁合金蜂窩材料2個(gè)方向的剪切模量為6.2×107Pa和1.03×108Pa）建立復(fù)合材料模態(tài)分析模型[8]。該分析方法已十分成熟，分析得到基板y向的基頻為81.16 Hz，基板一階振型如圖5所示。

圖5 基于材料實(shí)際性能參數(shù)的基板模態(tài)分析結(jié)果Fig.5 Substrate modal analysis result based on actual performance parameters of material

3.2 基于隨爐件測(cè)試結(jié)果的數(shù)值分析

在基板生產(chǎn)過(guò)程中同步制作了3件隨爐件，采用三點(diǎn)彎曲法完成剛度測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)基板材料的性能參數(shù)進(jìn)行修正，將修正后的參數(shù)代入3.1節(jié)的分析模型，得到基板y向的基頻為62.54 Hz，基板一階振型如圖6所示。

圖6 基于隨爐件測(cè)試數(shù)據(jù)的基板模態(tài)分析結(jié)果Fig.6 Substrate modal analysis result based on testing data of the coupon

3.3 結(jié)果比對(duì)分析

將上述結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，可得以下結(jié)論：

1）基于隨爐件剛度測(cè)試結(jié)果的基板頻率分析值為62.54 Hz，與基于基板材料實(shí)際性能參數(shù)的數(shù)值分析值81.16 Hz偏差為23%，由此推算基板剛度與數(shù)值分析結(jié)果偏差為40.6%，兩者相差很大。

2）振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)得基板實(shí)際固有頻率為82.04 Hz，與81.16 Hz偏差為1.1%，推算基板剛度與數(shù)值分析結(jié)果偏差為 2.2%，兩者吻合很好。因此，基板產(chǎn)品實(shí)際剛度性能符合設(shè)計(jì)要求，測(cè)試方法合理。

[9]指出，彎曲試驗(yàn)是比較常用的一種試驗(yàn)方法，但它主要是作為控制材料性能和質(zhì)量的規(guī)范性試驗(yàn)。由于試驗(yàn)件存在橫向剪切應(yīng)力和應(yīng)變，測(cè)定結(jié)果不同于單向復(fù)合材料縱向彈性模量和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)一般不宜作為設(shè)計(jì)使用。此外，基板隨爐件測(cè)試涉及隨爐件制備、測(cè)試過(guò)程的許多環(huán)節(jié)，例如網(wǎng)格面板成型、復(fù)合成型、試驗(yàn)件的機(jī)械加工等，質(zhì)量控制難度大，不僅同批隨爐件間存在差異，試驗(yàn)件與基板產(chǎn)品也存在差異，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果離散性大，測(cè)試結(jié)果與基板真實(shí)性能經(jīng)常存在偏差。

基于振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試則不同，直接將真實(shí)基板產(chǎn)品安裝于振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)產(chǎn)品的性能，中間不確定因素較少，因而可以更準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了準(zhǔn)確、直接地獲取太陽(yáng)電池陣基板的剛度性能，本文提出了基于正弦振動(dòng)試驗(yàn)的基板剛度測(cè)試方法，通過(guò)基板的振動(dòng)試驗(yàn)得到其固有頻率，判斷基板的剛度性能。將該測(cè)試方法用于某新研太陽(yáng)電池陣基板的剛度測(cè)試，經(jīng)對(duì)比，測(cè)試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果偏差2.2%，說(shuō)明該測(cè)試方法合理。

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（編輯：許京媛）

Measurement of the stiffness of the solar panel substrate based on vibration test

LIU Shaofeng1, REN Shouzhi1, SHENG Cong1, LI Shanshan2
(1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China; 2.Beijing Institute of Remote Sensing Equipment, Beijing 100039, China)

During the development of the solar panel substrate, the performance of the substrate needs to be tested.Commonly, the coupon is made and the stiffness of the coupon is tested by the three-point bending method.But the result may be influenced by external factors during the coupon preparation and the stiffness measurement, and therefore might not truly reflect the substrate’s real performance.In this paper, the stiffness of the substrate is obtained by the vibration test, and the test result shows that the deviation between the actual stiffness and the numerical result is only 2.2%.Compared with the result of the three point bending test, the vibration test result reflects better the real performance of the substrate.

solar panel substrate; coupon; measurement of stiffness; vibration test

V414.6

：B

：1673-1379(2016)05-0526-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.012

劉少鋒（1980—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail: Liusf501@126.com。

2016-04-26；

：2016-09-20

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程