某星載二次電源耳片損傷原因分析及改進措施

謝小龍，王克成，段立軍，周斌，魏東棟

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

在運載火箭發(fā)射及升空的階段，受到火箭脈動推力和空氣紊流邊界層的影響，衛(wèi)星平臺受到?jīng)_擊及振動載荷作用。為了驗證星載設(shè)備的抗力學性能，需對星載設(shè)備進行抗力學試驗，保證設(shè)備在發(fā)射及升空階段的可靠性與安全性。

星載二次電源主要通過耳片固定在衛(wèi)星艙板上，耳片設(shè)計對受到力學載荷作用時設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。某型號星載產(chǎn)品在地面進行力學試驗時，發(fā)生了耳片安裝孔損傷，本文通過損傷分析，確定了損傷發(fā)生的原因，提出了避免耳片損傷的措施，并進行了理論分析與試驗驗證，確保產(chǎn)品耳片設(shè)計可靠。

1 問題回顧

力學試驗前，設(shè)計加工了專門的力學試驗工裝，并在工裝上設(shè)計了固定產(chǎn)品的4個M5螺紋孔。力學試驗時先用M12六角螺釘將試驗工裝固定在力學試驗臺上，再用4個M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘將產(chǎn)品固定在試驗工裝上。試驗過程中，通過調(diào)整試驗工裝的安裝方向調(diào)整產(chǎn)品的試驗方向。沖擊試驗的試驗條件如表1所示。

表1 沖擊試驗條件

沖擊試驗要求如下：（1）沖擊試驗前后應(yīng)進行性能測試；（2）沖擊控制點選在沖擊臺面上；（3）控制點及鑒定試驗組件上均要進行響應(yīng)測量，并需給出時間歷程曲線，并處理成沖擊響應(yīng)譜（=10）；（4）試驗持續(xù)時間不大于20 ms；（5）為使組件不至于在沖擊試驗中超載，在振動臺上做時應(yīng)注意在逐級加量中使最終達到的沖擊譜值控制公差的范圍內(nèi)；在機械擺式?jīng)_擊臺上做時應(yīng)先用與試驗組件質(zhì)量相近的配重先進行調(diào)臺，滿足試驗條件要求后才正式進行試驗；（6）控制譜值要求，沖擊響應(yīng)譜值應(yīng)在試驗容差要求范圍內(nèi)，并至少有50%響應(yīng)值大于試驗規(guī)定值。

試驗人員在各項試驗開始前及同方向三次沖擊試驗間檢查了耳片安裝螺釘?shù)木o固力矩，所有力學試驗項目完成后再次檢測了電源箱電性能參數(shù)。結(jié)果標明，力學試驗后所有電性能參數(shù)均正常。

力學試驗完成后，對產(chǎn)品的外形尺寸及安裝接口進行了檢查，發(fā)現(xiàn)四個安裝耳片安裝孔均發(fā)生了損傷，安裝孔內(nèi)側(cè)壁有壓痕，安裝孔直徑外擴，安裝耳外側(cè)中間部分外凸。安裝面平面度及其他外形尺寸均與試驗前保持一致。耳片損傷照片如圖1所示。

圖1 耳片損傷情況

2 損傷原因分析

故障發(fā)生后，設(shè)計人員以沖擊試驗后發(fā)現(xiàn)耳片損傷為頂事件進行分析，梳理導(dǎo)致耳片損傷的可能事件，得出如圖2所示的故障樹。

X1事件：結(jié)構(gòu)材料選擇不當。二次電源箱結(jié)構(gòu)件選用2A12-H112鋁合金，該材料強度高、重量輕、易加工、不易變形，在航天器材料選用目錄內(nèi)，并已在多種型號上使用。因此電源箱結(jié)構(gòu)材料選用滿足要求。X1事件可以排除；

X2事件：耳片外形尺寸不合理。將產(chǎn)品安裝接口與衛(wèi)星設(shè)計與建造規(guī)范進行了比對，耳片設(shè)計與規(guī)范一致，耳片外形尺寸設(shè)計是合理的。X2事件可以排除；

X3事件：耳片數(shù)量偏少。產(chǎn)品受到?jīng)_擊時，受耳片上下端的摩擦力與螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁的擠壓力共同作用。設(shè)計階段的沖擊校核計算認為4個螺釘緊固時產(chǎn)品受到的摩擦力大于沖擊力，4個安裝點足夠在1 000 g沖擊下緊固產(chǎn)品。沖擊試驗表明4個螺釘緊固時，產(chǎn)品受到的摩擦力小于沖擊力，螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力，擠壓應(yīng)力超過鋁合金的抗拉強度，造成安裝孔壁損傷。X3事件不可以排除。

X4事件：產(chǎn)品超差。對產(chǎn)品整機裝配后的質(zhì)量進行了測量，為12 kg，滿足設(shè)計要求。X4事件可以排除。

X5事件：結(jié)構(gòu)件材料不合格。復(fù)查了該批次結(jié)構(gòu)件加工材料的金屬材料復(fù)驗資料，材料的理化性能均符合材料標準要求，產(chǎn)品使用的材料合格，X5事件可以排除。

X6事件：試驗加載過量級。對加載圖譜進行了檢查，輸入量級均在規(guī)定的容差范圍內(nèi)，符合試驗要求。對過程記錄進行檢查，各項力學試驗的加載量級均符合試驗大綱要求，不存在試驗加載過量級的情況，X6事件可以排除。

X7事件：試驗設(shè)備故障。檢查了試驗設(shè)備檢測（周檢）報告，產(chǎn)品進行力學試驗時，使用的試驗臺狀態(tài)、傳感器精度均滿足要求，檢測有效性截止時間分別是2022年4月15日與2022年6月5日。可以排除試驗設(shè)備故障導(dǎo)致電源箱耳片變形的可能。X7事件可以排除。

X8事件：緊固失效。試驗時螺釘擰緊力矩如果達不到要求，會導(dǎo)致耳片和試驗工裝之間的摩擦力不足，產(chǎn)品不能有效緊固，過載時產(chǎn)品與工裝連接面發(fā)生竄動，使安裝耳片和緊固螺釘發(fā)生碰撞，有可能導(dǎo)致耳片發(fā)生變形。對試驗過程記錄進行了檢查，在各項力學試驗前均用規(guī)定的力矩對4個內(nèi)六角圓柱頭螺釘進行了緊固，力矩扳手經(jīng)檢定合格，并在周檢期內(nèi)。不存在螺釘未按要求力矩擰緊的情況。X8事件可以排除；

圖2 耳片損傷故障樹

3 機理分析

產(chǎn)品在沖擊試驗過程中，產(chǎn)品首先依靠螺釘?shù)纳舷戮o固壓力產(chǎn)生的耳片上端與耳片下端的摩擦力起作用，當沖擊瞬間的慣性力超出摩擦力后，產(chǎn)品依靠耳片上下端所受到的摩擦力與螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁的正向擠壓力共同起作用。校核計算采用以下公式：

式中，F表示沖擊受到的慣性力；表示產(chǎn)品的質(zhì)量；表示根據(jù)沖擊量級確定的加速度，為1 000 g；表示將沖擊力轉(zhuǎn)換為靜力的系數(shù)；表示安裝點數(shù)量，即安裝螺釘數(shù)量；表示所有螺釘提供的總摩擦力；表示螺釘平墊與耳片上端之間的摩擦系數(shù)；表示試驗夾具與耳片下端之間的摩擦系數(shù)；F表示螺釘緊固后螺釘對耳片的預(yù)緊力；F表示單個安裝孔內(nèi)壁受到的緊壓力。

螺釘平墊材料為鋼，結(jié)構(gòu)件材料為2A12，力學夾具材料為2A12，經(jīng)查，為0.3，為1.35，8.8級M5螺釘緊固后的預(yù)緊力F為6 257 N。

產(chǎn)品質(zhì)量為12 kg，A值取值2，受到的總摩擦力為41 296 N，慣性力F為58 800 N，產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時慣性力大于總摩擦力，產(chǎn)品發(fā)生移動，緊固螺釘對耳片安裝孔側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力。

對產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷作用時的受力情況進行仿真分析，應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖中可以看到耳片安裝孔處的應(yīng)力最大，達到了809.2 Mpa，超過了2A12的抗拉強度400 Mpa，耳片會發(fā)生過塑性損傷。

圖3 更改前耳片位置應(yīng)力云圖

4 改進措施

根據(jù)損傷機理分析、耳片損傷主要原因是沖擊載荷作用時，產(chǎn)品耳片安裝孔受到擠壓力作用，擠壓應(yīng)力超出了許用應(yīng)力，耳片安全裕度≤0導(dǎo)致的，增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計裕度，提高產(chǎn)品在沖擊試驗中防止耳片損傷的能力。更改后，產(chǎn)品的本體尺寸及最大外形尺寸均不會發(fā)生變化。安裝耳片數(shù)量由4個改為6個。

4.1 更改措施分析

更改后產(chǎn)品受到的總摩擦力為61 944 N，慣性力F為58 800 N，產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時慣性力小于總摩擦力，產(chǎn)品不會發(fā)生移動。

圖4 更改后耳片位置應(yīng)力云圖

4.2 更改影響分析

增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計裕度，提高產(chǎn)品在沖擊試驗中防止耳片損傷的能力。更改后產(chǎn)品的電性能不受影響，重量增加約30 g，本體尺寸與最大外形尺寸均不發(fā)生更改，R腳位置不變，安裝尺寸有所改變。更改后增加了安裝孔數(shù)量，需增加安裝螺釘數(shù)量。更改后散熱面積增加，各熱耗器件的溫度比更改前降低，機箱內(nèi)部各模塊力學環(huán)境不會變壞，各器件力學環(huán)境不會惡化。

5 試驗驗證

為了驗證分析仿真結(jié)果的正確性，加工了質(zhì)量模擬件進行力學試驗驗證，質(zhì)量模擬件的組裝形式、結(jié)構(gòu)尺寸、重量、耳片位置、建造材料均與產(chǎn)品完全一致，由三個機架、前后側(cè)蓋板、內(nèi)部配重件以及上側(cè)蓋板組成，質(zhì)量模擬件重量為12 kg，安裝孔孔徑為φ5.5 mm。將質(zhì)量模擬件按照產(chǎn)品試驗條件加載沖擊載荷，進行試驗驗證。

沖擊試驗后各耳片及安裝孔未發(fā)生損傷，說明更改措施有效，增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品緊固力，提高產(chǎn)品力學試驗時耳片部位的安全裕度，解決耳片安裝孔損傷的問題。

6 結(jié) 論

本文以某產(chǎn)品研制過程中，耳片安裝孔發(fā)生擠壓損傷為切入點，探討了產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時耳片數(shù)量的計算方法，并以此對耳片損傷機理進行了全面分析，通過仿真計算確認了耳片損傷的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進措施，并完成了驗證計算與仿真計算。

為確認更改措施的可靠性，加工了質(zhì)量模擬件，完成了力學沖擊試驗，試驗結(jié)果表明，增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品的抗力學性能，避免沖擊試驗時產(chǎn)品耳片位置發(fā)生損傷。

產(chǎn)品在沖擊試驗后耳片受損質(zhì)量問題定位準確，機理清楚，有效解決了產(chǎn)品研制過程中出現(xiàn)的耳片損傷問題，又為后續(xù)產(chǎn)品的研制提供了復(fù)核計算方法與設(shè)計經(jīng)驗，具有較大的借鑒和參考價值。