基于振动试验的基板刚度测试

刘少锋，任守志，盛 聪，李珊珊

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.北京遥感设备研究所，北京 100039）

基于振动试验的基板刚度测试

刘少锋1，任守志1，盛 聪1，李珊珊2

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.北京遥感设备研究所，北京 100039）

为获取太阳电池阵基板性能，通常在基板生产过程中同步制作随炉件，采用三点弯曲法测试随炉件刚度，进而间接判断基板的性能。但是由于外界因素的影响，该测试结果难以反映基板的真实刚度。文章提出采用单板振动试验测试基板弯曲刚度，并针对某型号太阳电池阵基板完成了测试。测试结果表明：基板实际刚度与数值分析结果仅相差2.2%；与三点弯曲法测试结果相比，振动试验测试结果可以更准确反映基板真实性能。

太阳电池阵基板；随炉试件；刚度测试；振动试验

0 引言

太阳电池阵一般由数块太阳电池板、连接架及机构组成，发射过程中依靠压紧机构收拢于卫星本体侧壁，卫星入轨后，压紧机构释放约束，在铰链机构的驱动下展开锁定，为卫星提供电源[1]。太阳电池板由基板和电池及电路组成，基板是电池及电路的载体。为了减轻重量并提高结构刚度，基板通常采用碳纤维复合材料面板的蜂窝芯夹层结构[2]。为避免与整星频率耦合，基板设计时一般要求刚度大于某数值，因此基板设计过程需要进行刚度测试，确保满足指标要求。通常在基板生产过程中同步制作随炉件，采用三点弯曲法进行随炉件刚度测试[3]，进而间接判断基板的性能。但是，随炉件制备过程复杂且质量难以保证，经常出现同批随炉件的一致性较差、测试结果离散性较大，甚至与基板产品实际刚度存在较大差异的情况。例如某型号太阳电池阵研制过程中随炉件刚度测试结果与数值分析结果偏差达40%。因此基板随炉件刚度测试结果并不能真实反映基板产品的实际刚度性能。

正弦振动试验能够准确获得结构的固有特性[4]，其响应数据可直接用于有限元分析模型的修正。本文提出了基于振动试验直接测试基板刚度的方法。与依赖随炉件测试结果间接判断的方法不同，该方法舍弃随炉件制备等中间环节，减少外界因素的影响，直接对基板产品进行测试；无需进行模型修正，可以直接获得基板的真实刚度性能。

本文介绍了基板和试验系统的组成，给出了测试方法和试验条件，并将测试结果与数值分析结果进行比较，以验证该测试方法的有效性。

1 基板简介

太阳电池阵基板一般采用“面板+铝合金蜂窝”的3层复合结构，由上、下面板和中间的蜂窝芯组成（见图1）。面板选用刚度和强度较好的薄板材料，如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、铝合金等，目前碳纤维复合材料应用最广。由于对轻量化要求日益提高，为了进一步减轻基板重量，面板由多层碳纤维复合材料制作的空心网格铺设而成。蜂窝芯常用铝合金材料，是由侧壁极薄的蜂窝阵列排列而成的轻质结构[5]。面板与铝合金蜂窝芯通过胶粘剂粘接，利用烘箱进行高温固化成型。蜂窝夹层板以极少的材料代价获得了极高的弯曲刚度。

图1 太阳电池板基板组成Fig.1 Composition of the solar panel substrate

2 基板的振动试验及刚度测试

2.1 测试方法

正弦振动试验是将基板试件固连在刚性振动台上，通过振动台施加给定的加速度激励，测量试件结构在该条件下的响应[6]。先按照试验条件进行正弦振动试验，获取基板的固有频率特性；然后将试验结果与数值分析结果进行比较，判断基板的刚度性能。

2.2 试验系统组成

试验系统由试件、振动台、夹具、控制系统、数据采集系统、电荷放大器、传感器等组成。振动控制点上的响应由加速度传感器反馈到控制系统进行比较和修正，使驱动信号在控制点上产生的加速度响应符合试验条件的要求[7]。

基板试件通过压紧装置安装在转接板上，再将转接板与振动台连接（见图2）。试验时共设置 5个加速度测点（A1～A5）（见图2(a)），控制传感器布置见图2(b)。

图2 太阳电池板单板振动试验状态示意Fig.2 Configuration of the single solar panel vibration test

2.3 试验条件

基板试件的主振方向为垂直于面板方向（y向），因此仅进行y向振动试验，试验加载顺序为0.5g、1g、3g，试验条件见表1。振动试验过程中扫描速率为2 oct/min。

表1 太阳电池阵单板正弦振动试验条件Table 1 Conditions of the single solar panel’s sine vibration test

2.4 测试结果

A3测点响应曲线见图3，由响应曲线可以得到基板y向的基频为81.57 Hz（试验模态阶次是结合模态分析振型进行判断而得，前2个波峰频率与一阶阵型频率相差较大，不是主振频率）。A4测点响应曲线见图4，由响应曲线可以得到基板y向的基频为82.04 Hz（前2个波峰频率与一阶阵型频率相差较大，不是主振频率）。

图3 A3测点响应曲线Fig.3 Response curve of A3 measurement point

图4 A4测点响应曲线Fig.4 Response curve of A4 measurement point

3 试验结果与数值分析结果对比

3.1 基于基板材料实际性能参数的数值分析

利用NASTRAN 软件按照图2状态建立基板分析模型，基板振动试验时通过3个压紧点将基板与振动台刚性连接，因此模态分析模型中3个压紧点处视为固支。采用板壳单元划分单元，根据碳纤维和蜂窝芯的实际性能（M60单向碳纤维材料拉伸模量为320 GPa，铝合金蜂窝材料2个方向的剪切模量为6.2×107Pa和1.03×108Pa）建立复合材料模态分析模型[8]。该分析方法已十分成熟，分析得到基板y向的基频为81.16 Hz，基板一阶振型如图5所示。

图5 基于材料实际性能参数的基板模态分析结果Fig.5 Substrate modal analysis result based on actual performance parameters of material

3.2 基于随炉件测试结果的数值分析

在基板生产过程中同步制作了3件随炉件，采用三点弯曲法完成刚度测试。根据测试结果对基板材料的性能参数进行修正，将修正后的参数代入3.1节的分析模型，得到基板y向的基频为62.54 Hz，基板一阶振型如图6所示。

图6 基于随炉件测试数据的基板模态分析结果Fig.6 Substrate modal analysis result based on testing data of the coupon

3.3 结果比对分析

将上述结果进行比对分析，可得以下结论：

1）基于随炉件刚度测试结果的基板频率分析值为62.54 Hz，与基于基板材料实际性能参数的数值分析值81.16 Hz偏差为23%，由此推算基板刚度与数值分析结果偏差为40.6%，两者相差很大。

2）振动试验测得基板实际固有频率为82.04 Hz，与81.16 Hz偏差为1.1%，推算基板刚度与数值分析结果偏差为 2.2%，两者吻合很好。因此，基板产品实际刚度性能符合设计要求，测试方法合理。

[9]指出，弯曲试验是比较常用的一种试验方法，但它主要是作为控制材料性能和质量的规范性试验。由于试验件存在横向剪切应力和应变，测定结果不同于单向复合材料纵向弹性模量和强度数据，其数据一般不宜作为设计使用。此外，基板随炉件测试涉及随炉件制备、测试过程的许多环节，例如网格面板成型、复合成型、试验件的机械加工等，质量控制难度大，不仅同批随炉件间存在差异，试验件与基板产品也存在差异，导致测试结果离散性大，测试结果与基板真实性能经常存在偏差。

基于振动试验的测试则不同，直接将真实基板产品安装于振动台上，通过振动试验实测产品的性能，中间不确定因素较少，因而可以更准确反映产品的性能。

4 结束语

为了准确、直接地获取太阳电池阵基板的刚度性能，本文提出了基于正弦振动试验的基板刚度测试方法，通过基板的振动试验得到其固有频率，判断基板的刚度性能。将该测试方法用于某新研太阳电池阵基板的刚度测试，经对比，测试结果与数值分析结果偏差2.2%，说明该测试方法合理。

参考文献（References）

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[6]丁继锋, 韩增尧, 邹元杰.基于正弦振动试验响应数据的模型修正方法研究[C]∥全国结构振动与动力学学术研讨会暨第四届结构动力学专业委员会会议论文集.苏州: 中国振动工程学会结构动力学专委会, 2011: 317-326

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[9]陈列民, 杨宝宁.复合材料的力学分析[M].北京: 中国科学技术出版社, 2006: 74-75

（编辑：许京媛）

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

刘少锋（1980—），男，硕士学位，主要从事航天器结构与机构设计工作。E-mail: Liusf501@126.com。

2016-04-26；

：2016-09-20

国家重大科技专项工程