蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究_崔浩南.pdf

蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究：.蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究崔浩南，文立伟，赵 聪（.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京；.南京航空航天大学 机电学院，南京）摘要：传统蜂窝夹层板后埋件采用工字形结构，需要手动注胶至胶液填满蜂窝芯格，精度低、效率低，且埋件胶液整体重量较大。出于减重和适应自动化装填的目的，设计了新型帽形半埋件结构，搭建了埋件自动化装填平台，完成了埋件自动化组装工艺验证；利用工业 分析了不同流胶口数量的胶液填充状态；借助拉伸试验机对不同数量流胶口、不同注胶量的新型半埋件及胶液填充 的传统工字形全埋件做垂直于面板的拉伸试验。结果表明：新型半埋件侧面流胶口的数量越多，胶液填充越均匀，拉伸性能越好；且注胶量的增大能显著提高其拉拔承载力，相应的埋件胶液总重也会迅速提高，但当注胶量过大时，过多胶液会流至蜂窝底部，拉拔承载力增幅较小。与传统工字形全埋件相比，新型帽形埋件的最大拉拔承载力有所降低，但降幅较小，其中 只降低了.，同时，结构质量却能减少.，更加适用于低承载、轻质结构板的要求。所做工作可以为半埋件减重设计及自动化组装提供参考。关键词：蜂窝夹层板；后埋工艺；半埋件；拉拔承载力；自动化组装；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国防基础科研计划（）；大飞机材料专项（）作者简介：崔浩南（），男，硕士研究生，主要从事复合材料方面的研究。通讯作者：文立伟（），男，博士，副教授，主要从事先进复合材料自动化成型技术方面的研究，.。，（.，；.，）：，.，年 月复合材料科学与工程 ，：；由于夹层结构具有重量轻、刚度强度高、减震隔热等性能优点，被广泛应用于航空航天工程领域中，其中，蜂窝夹层板结构尤为普遍。铝蜂窝夹层板常作为卫星结构主框架承力结构以及卫星结构的舱体外壁使用，且与其他构件或仪器相连，成为连接的承载体。蜂窝夹层板中的埋件结构是卫星结构中广泛使用的连接件，有预埋、后埋两种形式。前者是指在蜂窝夹层板制造过程中，将埋件置入，最后随蜂窝板一起成型。后者是指在蜂窝夹层板制造完成后，通过开孔、注胶、固化等步骤将埋件置入。两者相比，后埋件能够在不同阶段、不同状态下灵活置入埋件，既有利于生产安排并行作业，也有利于提高卫星结构的产品化和快速响应能力。李莺歌等选用铝面板铝蜂窝夹层板，研究了不同材质的埋件及其周围填胶量对蜂窝夹层结构中埋件力学性能的影响，结果表明：在注胶量及埋件尺寸相同时，镁锂合金与铝合金相比，其蜂窝芯首次剪切失效时的承载力和夹层结构最大承载力均相对较低；对于同种材质的埋件，填胶量的适当增加有助于埋件承载力的提升。国外一些论文中有人研究设计了基于增材制造做出的埋件，这种埋件通常是镂空、桁架设计。苏黎世联邦理工学院的 设计了新型的镂空、桁架式后埋件，并通过增材制造的方式制备出埋件实体，将其运用到蜂窝夹层板中。实验表明，该类型埋件与传统致密埋件相比，拉拔性能和扭转性能可以得到显著提升。采用选择性激光熔化技术，制备出具有复杂结构的镂空式后埋件，该埋件主要由三部分组成：中心轴线处为螺栓所在位置，也是负担载荷的区域；螺栓区周围是桁架式胶液填充区；整个埋件的周围是非连续型外壳（剪切板），面板外载荷将在此处传递到蜂窝夹层结构的窝心。设计这种新的插件主要是为了在满足力学性能的同时减少结构的质量。随着航天技术的不断发展，卫星结构轻量化要求不断提升、复杂程度不断增加，单颗卫星中的埋件数量激增。有报道显示，一块蜂窝板上的埋件数量超过 个，整个卫星上可能有超过 个埋件，传统手工埋置工艺显然无法满足大批量、高精度、高效率的埋置要求。目前国内尚未实现卫星用蜂窝夹层板后埋件的自动化置入。本文以埋件自动化组装为目的，设计了新型埋件结构形式，并对其自动化组装工艺的可行性进行了初步探索，研究了关键工艺参数对埋件拉拔性能的影响，旨在为埋件自动化组装工艺的工程化应用提供技术参考。试验研究.新型蜂窝夹层结构后埋件设计传统蜂窝夹层板埋件均为工字形全埋结构，需要手动开槽并置入埋件，然后通过注胶口向埋件周围芯格注胶。为了使埋件周围胶液填充均匀，且尽可能增大埋件的拉拔承载能力，需要埋件周围芯格填满胶液，注胶时胶液从出胶口溢出后停止注胶，不仅埋件胶液的总重量较大，且难以适应自动化装填的需求。该埋件结构见图。图 传统典型埋件.对于传统工字形全埋件来说，蜂窝夹芯结构能够提供给其内部埋件的剪切力主要与埋孔直径（）、面板厚度（）和芯材厚度（）、面板弹性模量（）、芯材剪切模量（）以及有效剪切强度（，）有关，而夹层板面板对面外法向的承载力贡献很小，但由于对蜂窝芯的支撑作用能够改善蜂窝夹层板的剪应力分布，在灌胶区域，内应力一般较小，当剪切应力大于芯材的剪切强度时，埋件失效，蜂窝芯的承载比例取决于芯子和面板的相对刚度。剪应力 的分布如图 所示。年第 期蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究图 传统工字形全埋件受面外法向拉伸载荷时的剪应力分布.此时埋件的拉拔失效载荷可由下式计算：，（）式中：为蜂窝芯高度占蜂窝夹层板整体高度的比值，即（）。（）（）式中，为剪应力最大处距埋件中心的距离，可由下式计算：（）（）式中：；。的值由下式给出：（）（）（）（）由于蜂窝芯材特殊的六边形结构，向的剪切强度理论上是 向的.倍，因此，蜂窝芯材整体与埋件承载能力有关的有效剪切强度可由下式得到：，（）对于新型半埋件来说，整个载荷由上面板承载力、灌注胶周围芯材的剪切力 以及埋件底部的芯材正应力 承担，如图 所示。图 半埋件受拉伸载荷时的受力分布.此时，其临界拉拔失效载荷可以通过下式进行计算：，（），（）式中：为埋孔深度；，为蜂窝芯材拉伸强度。此时计算临界拉拔失效载荷与相关系数（）的乘积便可获得半埋件许用拉伸载荷：，（）其中对于常见蜂窝夹层结构来说，的最小值和平均值分别可以通过式（）、式（）进行计算：（）（）经过分析可知，蜂窝夹层板后埋件（半埋件）在承受面外拉拔载荷时，由于灌封胶自身的拉伸强度远大于蜂窝芯子的剪切强度，因此不会发生灌封胶的断裂失效，且半埋件填充的灌封胶距离底部面板有一定距离，在拉拔载荷的作用下会在蜂窝芯与灌封胶接触部位发生应力集中，因此会发生蜂窝芯的剪切失效，破坏位置为蜂窝芯与灌封胶接触部位。对于后埋件来说，其关键参数主要包括埋件整体轮廓直径和埋件整体高度。因此，未来急需对新型帽形半埋件的结构尺寸进行分析，以达到半埋件尺寸的最优化。针对上述问题，设计新型埋件为帽形半埋结构，半埋件能显著降低埋件和胶液整体的重量，且帽形埋件具有注胶道及斜向 的流胶口，胶液注入注胶道后，在上环形面板的挤压力作用下从埋件侧面流胶口挤出，使胶液均匀分布在埋件周围，并完成埋件与蜂窝芯之间的胶接。设计了 种新型埋件结构，如图 所示，相应的埋件插入方式见图。（）新型埋件 三维结构（）（）新型埋件 三维结构（）年 月复合材料科学与工程（）新型埋件 三维结构（）图 三种新型半埋件三维结构图.图 新型帽形埋件插入方式.埋件帽形外侧斜向 流胶口不仅能够使注胶槽内胶液沿埋件外围流出，还能够和固化后的胶液形成互锁，来弥补胶液与金属件之间粘接性能的不足，防止金属埋件与胶液脱黏失效的发生。在半埋件的尺寸中，与强度有关的参数主要包括埋件的直径和埋件高度，本文所用埋件帽形外直径为 ，中间埋柱直径为 ，埋柱高度为 ，埋柱周围注胶槽宽度为 ，高度为 。埋件中间的 螺纹孔用于连接其他部件，且可以作为机械手夹持的部位将埋件置入蜂窝夹层板中。三种埋件结构尺寸参数如表 所示。表 新型帽形半埋件尺寸参数 埋件编号外围直径 埋柱直径 注胶槽宽度 注胶槽高度 整体高度 流胶口数量 个体积 质量 注：新型半埋件采用 铝合金材料机加工获得，密度为.。.蜂窝夹层结构后埋件自动组装装备设计基于南航复合材料自动化技术研究中心现有雕刻机设备，设计完成蜂窝夹层结构埋件自动化组装原理验证样机，如图 所示。设备主要包括以下功能模块。（）蜂窝埋件开孔模块：该模块功能在于蜂窝埋件的制孔。主要由电主轴、开孔铣刀、除尘罩组成。（）蜂窝埋件拾取 翻转模块：蜂窝埋件拾取及转运模块主要实现埋件从存储模块的拾取以及涂胶过程中埋件姿态的调整。其功能通过气动滑台、摆台气缸以及带夹持块的摆动气爪组合实现。其中，气动滑台实现执行单元的前进和后退，完成埋件从存储位置到中间过渡位的移动；摆动气缸则实现埋件在中间过渡位到转运位的转换；旋转气爪实现两个功能：与固定于气爪前端的夹持块一起，完成埋件的夹持；实现埋件的翻转，满足注胶和转运对埋件位姿的要求。（）埋件转运 置入模块：该模块主要完成注胶后蜂窝埋件的拾取、夹持和置入操作。主要通过滑动气缸与气动夹爪实现。滑动气缸主要实现气动夹爪的上下移动，以避免蜂窝埋件开孔和埋件置入过程中，铣刀或气动夹爪与蜂窝面板的干涉。气动夹爪主要实现夹持末端的开合，以实现对埋件的夹持。气动夹爪为常闭气缸。工作状态下，气动夹爪张开，带动夹持末端向外侧运动，保证夹持末端外表面与埋件螺纹孔内表面紧密接触，从而实现对埋件的夹持。夹持末端的阶梯面与埋件上表面相互配合，保证埋件的夹持姿态和精度。图 蜂窝夹层结构板后埋件自动化组装原理验证样机.试样件的制备本文所用的铝蜂窝夹层板及环氧树脂基胶液由北京空间飞行器总体设计部提供，新型半埋件自行设计加工，并通过南京航空航天大学自研的埋件自动组装原理验证样机进行埋件的自动化装填，最后 年第 期蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究制得的试样件尺寸为 。蜂窝夹层结构板各组分参数如下。（）后埋件：采用 铝合金，经数控车削加工得到，表面经过磷酸阳极氧化处理，以增大半埋件表面与胶液的胶接能力。埋件中心为 螺纹孔。（）蜂窝芯：材料为 铝合金，蜂窝芯格的内切圆直径为.，单层厚度为.，密度为 ，芯高为 。（）面板：上下面板厚度均为.，采用 铝合金并经过 热处理得到，表面经过铬硫酸阳极氧化处理。（）胶膜：面板和蜂窝芯之间的胶层，材料为，面密度为 。（）胶液：采用环氧树脂基 胶液，密度为.，粘接强度为.（室温），固化方式为 下 或 下 。为了探究新型埋件不同注胶量的胶液填充状态及拉拔性能，设计了如表 所示试样。表 试件参数 试件编号流胶口数量 个注胶量 总重 试件数量 个工字形全埋件 注：总重是指胶液和半埋件质量之和，其中半埋件的质量可由表 得到。采用南航复材工程自动化技术中心自研的埋件自动组装原理验证样机的装填流程见图。图 试件装填流程图.试验方法（）胶液填充状态检测方法两种新型埋件侧面流胶口数量的不同会使得埋件置入后，注胶槽处的胶液在挤出后均匀程度不同。为了探究这种影响，在胶液固化完成后，利用工业 扫描仪（上海奥影检测科技有限公司生产，型号为）获得试件中心埋件部位的三维切片图像，表征埋件内部胶液填充状态。（）拉拔性能测试方法利用南京航空航天大学复合材料实验室的 万能试验机对试件进行拉伸试验，测试在平面外拉伸载荷下，没有边缘影响且不受周围嵌件干扰的标准单个埋件的静态拉伸性能，所用传感器为 ，位移的加载速率为 ，载荷峰值降低 之后停止加载。测试夹具由下底板、上压板、调平块、紧固螺杆、加载螺杆和装夹螺栓等组成。底板中心有螺纹接口，可固定在试验机上；上压板有加载口，试验机可通过加载螺杆对试样施加拉脱力，加载口的尺寸为；通过装夹螺栓、调平块可将试件水平且居中固定在下底板与上压板之间。结果与分析.不同数量流胶口的埋件周围胶液填充状态由于蜂窝板开槽时留下的环形上面板的挤出作用，存储在注胶槽内的胶液会沿着埋件外表面流动，最后包裹住埋件，并完成埋件外围与蜂窝芯之间的胶接。在埋件结构尺寸及填胶量不变的情况下，新型埋件侧面流胶口数量会影响胶液在蜂窝芯内部的填充状态，进而影响埋件的拉拔承载能力，通过工业 扫描获得了填胶量为 时的内部胶液填充情况界面图，见图。图 胶液填充状态的 截面图.由图 可看出：胶液从流胶口处挤出后，随着新型半埋件侧面流胶口的增多，在埋件周围的分布越 年 月复合材料科学与工程来越均匀；侧面流胶口的数量越少，流胶口之间的距离越大，胶液挤出后越容易在流胶口处聚集，进而导致部分胶液沿着蜂窝芯格向下流动，使得胶液与埋件之间的接触不够充分，下面结合图 进行分析。（）型埋件俯视图（）（）型埋件俯视图（）（）型埋件俯视图（）图 不同流胶口数量的埋件胶液填充示意图.侧面流胶口的增多使得胶液在新型埋件四周分布更均匀，且能够避免胶液聚集、流至埋件下部，使胶液与半埋件之间的结合更充分。.不同流胶口数量的新型埋件拉拔承载力蜂窝夹层结构中的埋件在受到面外拉伸载荷时，主要通过埋件周围胶液将载荷传递给蜂窝芯与蜂窝板。分别对三种不同流胶口数量的新型半埋件进行拉脱试验，填胶量为 ，每组各有三个试件，最后的试验结果见表。其中，典型的力位移曲线如图 所示。表 不同流胶口数量的埋件承载力 埋件类型试件编号峰值力 平均峰值力 图 不同流胶口数量的埋件承载力位移曲线.通过图 所示的典型承载力位移曲线，结合表 数据，可以看出，新型帽形埋件外围流胶口数量为 个时比 个流胶口的平均最大拉伸承载力增加.，流胶口数量为 个时比 个流胶口的平均最大拉伸承载力增加.。侧面流胶口数量的增加能有效提高埋件最终的最大拉伸承载力。结合图 可知，埋件侧面流胶口越多，胶液在埋件周围的填充越均匀，越能增大胶液与埋件的有效接触面积。且胶液在埋件周围的均匀分布可以避免胶液流到埋件下部，从而避免流到埋件下部的胶液因与埋件的脱节而降低埋件能够承受的面外拉脱力。同时，侧面流胶口的增多还能有效降低埋件结构质量，由表 年第 期蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究可知，埋件侧面流胶口数量每增加 个，质量会降低.，这对飞行器的质量把控意义重大。.不同填胶量的新型埋件拉拔承载力对 型帽形半埋件注入不同的填胶量，并对最终试件进行面外拉脱试验，结果见表，相应的拉拔力位移曲线如图 所示。表 型半埋件拉拔承载力 埋 件试件编号承载力峰值 承载力峰值平均值 图 不同填胶量的新型埋件承载力位移曲线.通过图 所示不同填胶量的新型埋件典型承载力位移曲线，并结合表 数据分析，可以看出：填胶量为 时，新型埋件的平均最大拉拔承载力比填胶量为 时提升.，提升幅度巨大；而填胶量为 时的平均最大拉拔承载力比填胶量为 时仅提升.。结合埋件结构形式分析认为，填胶量在持续增大的过程中，过多的胶液流至埋件下部甚至流至蜂窝芯格的底部，与埋件的接触效果较差，可见注胶量的持续增大并不能一直有效提升埋件的最大承载力。且注胶量的增大将大大增加整个蜂窝结构的结构质量，这与航天飞行器减重理念相违背。.新型帽形半埋件与传统工字形全埋件对比分析对传统工字形全埋件的试件做拉伸力测试，与新型帽形埋件对比，结果见图。图 新型帽形半埋件与传统全埋件承载力位移曲线.从图 可以看出，与新型帽形半埋件相比，传统工字形全埋件的拉伸力位移曲线中出现明显的首次失效点。在开始受力阶段，曲线首先呈现接近弹性趋势，再经过首次失效后，曲线承载力位移斜率降低，但承载力继续增加，最后达到最大承载力后发生最终失效。结合试验过程分析认为，由于传统工字形全埋件胶液注满整个芯格，在对埋件拉脱试验时，首先发生蜂窝芯的剪切变形，随后包裹着胶液的蜂窝芯格与底部面板发生脱黏，出现首次失效点，继续增大拉伸位移，承载力继续增大，直至上面板开裂，即发生最终失效。传统埋件与新型埋件对应的最大承载力及其结构质量见表。表 不同埋件类型的结构质量 埋件类型平均最大承载力 总重 传统工字形全埋件 若考虑采用传统工字形埋件，与新型埋件相比，材料相同，尺寸对应为蜂窝板等高 ，中心埋柱直径为 时，注胶之后工字形全埋件与胶液的总重量达到了 。且需要将埋件周围芯格胶液注满才能保证应力的均匀分布及更大的拉拔承载力。新型帽形半埋件与传统工字形全埋件相比，虽然最 年 月复合材料科学与工程大承载力略有降低（型埋件最大承载力降低了.），但最后的结构质量却能大大减少（型埋件结构总重降低了.）。因此，在低拉拔载荷要求的卫星结构板设计中，采用新型帽形半埋件设计能更好地降低整体结构质量。新型帽形半埋件更适用于低载荷、轻质的卫星结构板设计。结 论（）设计并搭建出了新型埋件自动化组装原理验证样机，经验证，新型埋件能适用于自动化组装，有效提高埋件组装效率。（）新型埋件侧面流胶口数量越多，胶液的填充越均匀，埋件与胶液越能充分接触。（）新型帽形埋件外围流胶口数量为 个时比 个流胶口的平均最大拉伸承载力增加.，流胶口数量为 个时比 个流胶口的平均最大拉伸承载力增加.。侧面流胶口数量的增加能有效提高埋件最终的最大拉伸承载力。（）填胶量为 时，新型埋件的平均最大拉拔承载力比填胶量为 时提升.，提升幅度巨大，而填胶量为 时的平均最大拉拔承载力比填胶量为 时仅提升.。随着填胶量的不断加大，过多的胶液流至埋件下部甚至流至蜂窝芯格的底部，与埋件的接触效果较差，导致注胶量的持续增大并不能一直有效提升埋件的最大承载力。（）型新型帽形半埋件与传统工字形全埋件相比，最大承载力略有降低（降低.），但大大减少了整体结构质量（减少.）。因此，新型帽形半埋件更加适用于低拉拔载荷要求的卫星结构板设计。参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：殷飞，隋显航，倪亭，等 用于复合材料夹层结构的连接件设计与分析 化工新型材料，（）：许文彬，刘子仙，杨振宇，等 高温环境下蜂窝夹层结构埋件拉脱性能研究 玻璃钢 复合材料，（）：李莺歌，张夏明，张玉生，等 蜂窝夹层板内埋件的承载力研究 宇航材料工艺，（）：，刘健 航天器蜂窝结构的微振动特性研究 北京：北京理工大学，邱冬梅，沈星 铝蜂窝板螺栓连接件的动力学分析及建模现代制造工程，（）：，（）：法洋洋，陈秀华 蜂窝夹层结构拉脱破坏的有限元分析 机械工程材料，（）：冯纪生 蜂窝夹层板后埋件的连接设计 航天器工程，（）：，：，：年第 期