王子權(quán)，顧義暢，姚鵬，高雪峰，黃巍，曹敬華，羅智國

上海衛(wèi)星裝備研究所總裝中心，上海 200240

蜂窩板是衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)[1]，為衛(wèi)星上單機(jī)、載荷等提供可靠支撐。I 型埋件（圓形埋件）是蜂窩板上常用的埋件型號，具有方便加工與組裝的特點(diǎn)，在許多衛(wèi)星型號上經(jīng)常使用I 型埋件作為單機(jī)、載荷等的安裝緊固埋件[2-6]，因此，針對蜂窩板中埋件的力學(xué)性能的研究，對于穩(wěn)固單機(jī)、保證整星可靠性具有重要價值[7-10]。李鶯歌等[11-13]分析了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件和蜂窩結(jié)構(gòu)板后埋件拉脫力的影響因素，并進(jìn)行了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能研究，介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)M5 型埋件的拉脫力測試條件及結(jié)果，為本文埋件拉脫試驗(yàn)提供了參考；分析了試樣平面尺寸、真空壓力等因素對拉脫力的影響，提出合理優(yōu)化埋件周圍發(fā)泡膠填充量，可達(dá)到節(jié)省發(fā)泡膠、提高埋件拉脫力的效果。徐挺等[14]研究了新型后埋件及其自動化后埋工藝，考察了2 種埋件技術(shù)對埋件承載力與承載系數(shù)的影響，結(jié)果表明膠粘劑的分布狀態(tài)對其承載性能有重要影響，新型的后埋工藝可保證工藝穩(wěn)定性、一致性、可靠性。許文彬等[15]進(jìn)行了常溫和高溫環(huán)境下蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件拉脫性能試驗(yàn)，對比分析了高溫環(huán)境對埋件拉脫性能的影響，發(fā)現(xiàn)埋件在高溫環(huán)境中受法向拉脫力時，承載力下降為常溫的8%左右，且失效模式由常溫的蜂窩芯剪切破壞變?yōu)槊姘迮c蜂窩芯脫粘破壞；埋件在受面內(nèi)拉脫力時，常溫環(huán)境和高溫環(huán)境下埋件分別呈現(xiàn)出面板壓縮破壞和面板皺褶失穩(wěn)破壞，且拉脫力降為常溫的28%左右。

在衛(wèi)星總裝集成測試（assembly and integration and test，AIT）過程中發(fā)現(xiàn)，在單機(jī)和埋件間無間隙裝配情況下，對螺釘實(shí)施規(guī)定的擰緊力矩均無拉脫現(xiàn)象發(fā)生。而某衛(wèi)星的平臺艙某側(cè)板電池安裝面采用墊裝石墨膜新技術(shù)對電池進(jìn)行導(dǎo)熱，按規(guī)定對電池緊固件實(shí)施擰緊力矩后，蜂窩板I 型埋件出現(xiàn)了拉脫凹陷現(xiàn)象，對產(chǎn)品造成了不可挽回的損傷。因此，急需針對此現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因、機(jī)理，進(jìn)行工藝基礎(chǔ)研究，為后續(xù)石墨膜導(dǎo)熱技術(shù)普及做好充足準(zhǔn)備。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)象，對埋件拉脫的原因進(jìn)行了分析，并總結(jié)出7 個導(dǎo)致埋件拉脫的主要變量。根據(jù)原因分析，提出試驗(yàn)方案，對常用的幾種蜂窩板及緊固件規(guī)格進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的多項(xiàng)式擬合、反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合等算法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，得出的結(jié)論以供衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)和總裝集成參考。

1 埋件拉脫原因分析

墊裝石墨膜結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，其基本結(jié)構(gòu)包括電池緊固件、電池安裝面、石墨膜、蜂窩板及其埋件。

圖1 石墨膜墊裝安裝簡圖

通過圖1 對實(shí)際現(xiàn)象的分析，得出導(dǎo)致埋件拉脫的主要原因?yàn)椋?/p>

1）螺釘擰緊力矩值較大，超過了埋件膠接強(qiáng)度可承受范圍，導(dǎo)致埋件拉脫；

2）使用的螺釘規(guī)格較大，或使用的埋件規(guī)格較小，導(dǎo)致擰緊力矩值必須增大，或埋件規(guī)格與擰緊力矩值不匹配，造成埋件拉脫；

3）蜂窩板厚度不夠，導(dǎo)致膠接面積較小，膠接強(qiáng)度不夠；

4）石墨膜開孔處直徑大于埋件直徑，導(dǎo)致埋件可在一定空間范圍內(nèi)自由移動；

5）電池重量較大，埋件在綜合力、力矩的作用下被拉脫。

根據(jù)圖1 所示的石墨膜安裝簡圖，可得其中7 個導(dǎo)致埋件拉脫的變量，如表1 所示。

不同的緊固件公稱直徑DJ對應(yīng)不同的擰緊力矩，而在生產(chǎn)實(shí)踐中，對確定的緊固件公稱直徑DJ，其擰緊力矩是有固定要求的，因此，當(dāng)公稱直徑一定時，對其實(shí)施的擰緊力矩也是一定的。由于實(shí)際上天緊固件均為鈦合金材料，因此只需對鈦合金螺釘進(jìn)行研究即可。

石墨膜厚度t主要用于表征石墨膜結(jié)構(gòu)，同時表征石墨膜開孔深度。

石墨膜開孔直徑DS主要用于表征石墨膜開孔直徑，其大小有2 個等級：1）DS≥?，即石墨膜開孔直徑大于埋件直徑；2）DS

分析可知，當(dāng)DS≥?，即石墨膜開孔直徑大于埋件直徑時，埋件通過螺釘實(shí)施擰緊力矩后強(qiáng)拉，可在厚度為t的空間范圍內(nèi)自由移動，因此更容易導(dǎo)致埋件拉脫。當(dāng)DS

蜂窩板厚度δ對應(yīng)使用不同長度的埋件， δ越大，則埋件的膠接接觸面積就越大，可知其抗拉脫的能力就越強(qiáng)。蜂窩板的蜂窩芯子蜂窩密度越高，則埋件的膠接接觸面積也越大，增強(qiáng)了埋件抗托拉能力。同時，發(fā)泡膠膠接性能越強(qiáng)，也會增大埋件抗托拉能力。而在實(shí)際生產(chǎn)中，蜂窩芯子的蜂窩密度、發(fā)泡膠型號一般不會改變，因此可作為試驗(yàn)的定常值量使用。

綜合分析可知，緊固件公稱直徑DJ、石墨膜厚度t、石墨膜開孔直徑DS、蜂窩板厚度δ和埋件規(guī)格?可作為試驗(yàn)可變影響變量，蜂窩芯子密度和發(fā)泡膠型號作為不可變的定常值影響變量，而石墨膜開孔直徑直接表現(xiàn)為埋件與產(chǎn)品之間是否有可使埋件自由移動間隙，即有無間隙，而實(shí)踐中在無間隙情況下未有埋件拉脫，因此可直接進(jìn)行埋件有間隙試驗(yàn)。

2 埋件拉脫力試驗(yàn)研究

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象與原因分析，設(shè)計(jì)M5-TB3-有間隙試驗(yàn)、M6-TB3-有間隙試驗(yàn)2 種形式的試驗(yàn)研究，每種試驗(yàn)均在不同蜂窩板厚度的情況下進(jìn)行。

2.1 M5-TB3 有間隙情況

2.1.1 M5-TB3-板厚20-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為20 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了6 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均不能按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實(shí)施，因此進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 M5-TB3-板厚20-有間隙

由圖2 可知試驗(yàn)2 的1.70 N?m 臨界力矩與其他試驗(yàn)結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗(yàn)值，造成該奇異值的可能原因是蜂窩與埋件的膠接效果明顯不足或試驗(yàn)偶然因素。

排除試驗(yàn)2 的奇異值影響，對其余試驗(yàn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖3 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為2.344 0 N?m，3 次擬合平均值為2.330 7 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為2.319 3 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為20 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為2.31~2.34 N?m， 分析可知， 該力矩范圍值為2.325±0.015 N?m，而2.325 N?m 力矩值在M4 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（2.4±0.15 N?m）的負(fù)偏差范圍內(nèi)（2.25~2.4 N?m），因此可知即便對M5 規(guī)格埋件，實(shí)施M4 鋼絲螺套和M4 規(guī)格螺釘規(guī)定實(shí)施力矩，仍然存在埋件拉脫的極高風(fēng)險。

圖3 M5-TB3-板厚20-有間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.2 M5-TB3-板厚25-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為25 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了7 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均不能按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實(shí)施，因此進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 和圖5 所示?？芍囼?yàn)1 的2.23 N?m 臨界力矩與其他試驗(yàn)結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗(yàn)值，試驗(yàn)5 的4.5 N?m 臨界力矩與其他試驗(yàn)結(jié)果偏差明顯偏大，屬于奇異試驗(yàn)值。

圖4 M5-TB3-板厚25-有間隙

圖5 M5-TB3-板厚25-有間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

排除試驗(yàn)1 和試驗(yàn)5 的奇異值影響，對其余試驗(yàn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖5 所示。可知3 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為3.336 0 N?m，3 次擬合平均值為3.297 9 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為3.312 3 N?m。不難得出，對M5的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為25 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為3.31~3.34 N?m，分析可知，該力矩范圍值為3.325±0.015 N?m，3.325 N?m 力矩值超過了M4-TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（2.4±0.15 N?m）范圍，因此可知對M5 規(guī)格埋件，實(shí)施M4 鋼絲螺套和M4 規(guī)格螺釘規(guī)定實(shí)施力矩，可避免拉脫損壞。

2.1.3 M5-TB3-板厚30-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了6 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘部分可按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實(shí)施，因此進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

對試驗(yàn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖7 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為4.54 N?m，3 次擬合平均值為4.571 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為4.573 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為4.54~4.57 N?m，分析可知，該力矩范圍值為4.555±0.015 N?m，4.555 N?m 力矩值基本達(dá)到了M5-TB3 規(guī)定的期望力矩，但考慮其余振動等非線性因素，不建議使用有間隙的裝配結(jié)構(gòu)。

圖7 M5-TB3-板厚30-有間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.4 M5-TB3-板厚40-有間隙

對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了6 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M5 螺釘均可按照規(guī)定的4.4±0.2 N?m 力矩實(shí)施，但仍進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

對試驗(yàn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖9 所示?？芍? 次擬合和BP網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為8.15 N?m，3 次擬合平均值為8.21 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為8.22 N?m。不難得出，對M5 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為8.1~8.2 N?m，分析可知，該力矩范圍值為8.15±0.05 N?m，8.15 N?m 力矩值超過了M5-TB3 規(guī)定的期望力矩，可正常使用。

2.1.5 M5-TB3-臨界力矩分布

根據(jù)得到的臨界力矩平均值，得到臨界力矩平均值分布如圖10 所示。圖10 處理方法坐標(biāo)中：1 為原始數(shù)據(jù)平均臨界力矩；2 為多項(xiàng)式擬合平均臨界力矩；3 為BP 擬合平均臨界力矩。

圖10 M5-TB3 臨界力矩平均值分布

根據(jù)圖10，依據(jù)線性差值理論，可預(yù)測蜂窩板厚為35mm 時，原始數(shù)據(jù)臨界力矩平均值為6.345 N?m，多項(xiàng)式擬合平均值為6.329 5 N?m，BP 擬合平均值為6.396 5 N?m。再對M5-TB3 螺釘?shù)淖畲髷Q緊力矩（4.6 N?m）進(jìn)行預(yù)測，可得其對應(yīng)板厚為30.17 mm。以黃綠色帶為分界線，對M5-TB3-有間隙情況按照正常力矩實(shí)施擰緊，在板厚超過30 時不會出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，考慮振動等非線性因素，不建議在黃綠色帶分界線邊緣設(shè)計(jì)蜂窩板。在有間隙情況下，使用M5-TB3 螺釘?shù)姆涓C板厚建議為31 mm 以上。

2.2 M6-TB3 有間隙情況

根據(jù)對M5-TB3 有間隙時的結(jié)果可知，對M6-TB3 螺釘一定無法在板厚為20 和25 mm 的蜂窩板上實(shí)施力矩，因此對M6-TB3 螺釘進(jìn)行板厚至少30 mm 的蜂窩板進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.1 M6-TB3-板厚30-有間隙

對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為30 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了5 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M6 螺釘均不能按照規(guī)定的7.25±0.25 N?m 力矩實(shí)施，因此進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

圖11 M6-TB3-板厚30-有間隙

對試驗(yàn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖12 所示?？芍? 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為5.224 N?m，3 次擬合平均值為5.199 6 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為5.212 3 N?m。不難得出，對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘，在板厚為30 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為5.20~5.22 N?m， 分析可知， 該力矩范圍值為5.21±0.01 N?m，5.21 N?m 力矩值在M5 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（4.4±0.2 N?m）以上，因此可知對M6 規(guī)格埋件，實(shí)施M5 鋼絲螺套和M5 規(guī)格螺釘規(guī)定實(shí)施力矩，可正常使用。

圖12 M6-TB3-板厚30-有間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.2 M6-TB3-板厚40-有間隙

對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙拉脫試驗(yàn)，共進(jìn)行了5 次試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對M6 螺釘均可按照規(guī)定的7.25±0.25 N?m 力矩實(shí)施，但仍進(jìn)行了臨界力矩拉脫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示。

圖13 M6-TB3-板厚40-有間隙

對試驗(yàn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，得到的結(jié)果如圖14 所示。可知3 次擬合和BP 網(wǎng)絡(luò)擬合較好地反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。原始數(shù)據(jù)平均值為9.396 N?m，3 次擬合平均值為9.380 N?m，BP 網(wǎng)絡(luò)擬合平均值為9.386 N?m。不難得出，對M6 的鈦合金TB3 規(guī)格螺釘在板厚為40 mm 的蜂窩板上進(jìn)行有間隙裝配，其臨界實(shí)施力矩為9.38~9.40 N?m，分析可知，該力矩范圍值為9.39±0.01 N?m，9.39 N?m 力矩值在M6 的TB3 螺釘對應(yīng)的力矩（7.25±0.25 N?m）以上，可正常使用。

圖14 M6-TB3-板厚40-有間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.3 M6-TB3-臨界力矩分布

得到平靜臨界力矩分布如圖15 所示。圖15 處理方法坐標(biāo)中：1 為原始數(shù)據(jù)平均臨界力矩；2 為多項(xiàng)式擬合平均臨界力矩；3 為BP 擬合平均臨界力矩。依據(jù)線性差值理論，可預(yù)測板厚為35 mm時，原始數(shù)據(jù)臨界力矩平均值為7.31 N?m；多項(xiàng)式擬合平均值為7.289 8 N?m；BP 擬合平均值為7.299 N?m。

圖15 M6-TB3 臨界力矩平均值分布

再對M6-TB3 螺釘?shù)淖畲髷Q緊力矩（7.5 N?m）進(jìn)行預(yù)測，可得其對應(yīng)板厚為35.46 mm。以圖15中黃綠色帶為分界線，對M6-TB3-有間隙情況，按照正常力矩實(shí)施擰緊，在板厚超過35 mm 時不會出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，考慮振動等非線性因素，不建議在黃綠色帶分界線邊緣設(shè)計(jì)蜂窩板。在有間隙情況下，使用M6-TB3 螺釘?shù)姆涓C板厚建議為36 mm以上。

3 結(jié)論

本文分析了埋件拉脫原因，總結(jié)出其中的影響變量，并根據(jù)分析設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案。1）進(jìn)行了M5-TB3、M6-TB3 規(guī)格螺釘在埋件有間隙情況下的埋件拉脫驗(yàn)證試驗(yàn)，得到其臨界擰緊力矩值。2）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)、多項(xiàng)式擬合和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合處理，得到了臨界力矩值的范圍和隨試驗(yàn)變量的分布情況。通過線性插值理論，對蜂窩板厚度為35 mm 時的臨界力矩值進(jìn)行了估計(jì)，試驗(yàn)結(jié)論為衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)和總裝集成提供了有力參考。

但文中未對蜂窩芯子密度和發(fā)泡劑型號進(jìn)行控制變量分析，這2 種變量主要在膠接面積和膠接強(qiáng)度兩方面對臨界拉脫力矩產(chǎn)生影響。