某星载二次电源耳片损伤原因分析及改进措施

2022-10-15谢小龙王克成段立军周斌魏东栋

现代信息科技 2022年15期

谢小龙，王克成，段立军，周斌，魏东栋

（兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州 730000）

0 引言

在运载火箭发射及升空的阶段，受到火箭脉动推力和空气紊流边界层的影响，卫星平台受到冲击及振动载荷作用。为了验证星载设备的抗力学性能，需对星载设备进行抗力学试验，保证设备在发射及升空阶段的可靠性与安全性。

星载二次电源主要通过耳片固定在卫星舱板上，耳片设计对受到力学载荷作用时设备的可靠性至关重要。某型号星载产品在地面进行力学试验时，发生了耳片安装孔损伤，本文通过损伤分析，确定了损伤发生的原因，提出了避免耳片损伤的措施，并进行了理论分析与试验验证，确保产品耳片设计可靠。

1 问题回顾

力学试验前，设计加工了专门的力学试验工装，并在工装上设计了固定产品的4个M5螺纹孔。力学试验时先用M12六角螺钉将试验工装固定在力学试验台上，再用4个M5内六角圆柱头螺钉将产品固定在试验工装上。试验过程中，通过调整试验工装的安装方向调整产品的试验方向。冲击试验的试验条件如表1所示。

表1 冲击试验条件

冲击试验要求如下：（1）冲击试验前后应进行性能测试；（2）冲击控制点选在冲击台面上；（3）控制点及鉴定试验组件上均要进行响应测量，并需给出时间历程曲线，并处理成冲击响应谱（=10）；（4）试验持续时间不大于20 ms；（5）为使组件不至于在冲击试验中超载，在振动台上做时应注意在逐级加量中使最终达到的冲击谱值控制公差的范围内；在机械摆式冲击台上做时应先用与试验组件质量相近的配重先进行调台，满足试验条件要求后才正式进行试验；（6）控制谱值要求，冲击响应谱值应在试验容差要求范围内，并至少有50%响应值大于试验规定值。

试验人员在各项试验开始前及同方向三次冲击试验间检查了耳片安装螺钉的紧固力矩，所有力学试验项目完成后再次检测了电源箱电性能参数。结果标明，力学试验后所有电性能参数均正常。

力学试验完成后，对产品的外形尺寸及安装接口进行了检查，发现四个安装耳片安装孔均发生了损伤，安装孔内侧壁有压痕，安装孔直径外扩，安装耳外侧中间部分外凸。安装面平面度及其他外形尺寸均与试验前保持一致。耳片损伤照片如图1所示。

图1 耳片损伤情况

2 损伤原因分析

故障发生后，设计人员以冲击试验后发现耳片损伤为顶事件进行分析，梳理导致耳片损伤的可能事件，得出如图2所示的故障树。

X1事件：结构材料选择不当。二次电源箱结构件选用2A12-H112铝合金，该材料强度高、重量轻、易加工、不易变形，在航天器材料选用目录内，并已在多种型号上使用。因此电源箱结构材料选用满足要求。X1事件可以排除；

X2事件：耳片外形尺寸不合理。将产品安装接口与卫星设计与建造规范进行了比对，耳片设计与规范一致，耳片外形尺寸设计是合理的。X2事件可以排除；

X3事件：耳片数量偏少。产品受到冲击时，受耳片上下端的摩擦力与螺钉对安装孔内侧壁的挤压力共同作用。设计阶段的冲击校核计算认为4个螺钉紧固时产品受到的摩擦力大于冲击力，4个安装点足够在1 000 g冲击下紧固产品。冲击试验表明4个螺钉紧固时，产品受到的摩擦力小于冲击力，螺钉对安装孔内侧壁产生了挤压力，挤压应力超过铝合金的抗拉强度，造成安装孔壁损伤。X3事件不可以排除。

X4事件：产品超差。对产品整机装配后的质量进行了测量，为12 kg，满足设计要求。X4事件可以排除。

X5事件：结构件材料不合格。复查了该批次结构件加工材料的金属材料复验资料，材料的理化性能均符合材料标准要求，产品使用的材料合格，X5事件可以排除。

X6事件：试验加载过量级。对加载图谱进行了检查，输入量级均在规定的容差范围内，符合试验要求。对过程记录进行检查，各项力学试验的加载量级均符合试验大纲要求，不存在试验加载过量级的情况，X6事件可以排除。

X7事件：试验设备故障。检查了试验设备检测（周检）报告，产品进行力学试验时，使用的试验台状态、传感器精度均满足要求，检测有效性截止时间分别是2022年4月15日与2022年6月5日。可以排除试验设备故障导致电源箱耳片变形的可能。X7事件可以排除。

X8事件：紧固失效。试验时螺钉拧紧力矩如果达不到要求，会导致耳片和试验工装之间的摩擦力不足，产品不能有效紧固，过载时产品与工装连接面发生窜动，使安装耳片和紧固螺钉发生碰撞，有可能导致耳片发生变形。对试验过程记录进行了检查，在各项力学试验前均用规定的力矩对4个内六角圆柱头螺钉进行了紧固，力矩扳手经检定合格，并在周检期内。不存在螺钉未按要求力矩拧紧的情况。X8事件可以排除；

图2 耳片损伤故障树

3 机理分析

产品在冲击试验过程中，产品首先依靠螺钉的上下紧固压力产生的耳片上端与耳片下端的摩擦力起作用，当冲击瞬间的惯性力超出摩擦力后，产品依靠耳片上下端所受到的摩擦力与螺钉对安装孔内侧壁的正向挤压力共同起作用。校核计算采用以下公式：

式中，F表示冲击受到的惯性力；表示产品的质量；表示根据冲击量级确定的加速度，为1 000 g；表示将冲击力转换为静力的系数；表示安装点数量，即安装螺钉数量；表示所有螺钉提供的总摩擦力；表示螺钉平垫与耳片上端之间的摩擦系数；表示试验夹具与耳片下端之间的摩擦系数；F表示螺钉紧固后螺钉对耳片的预紧力；F表示单个安装孔内壁受到的紧压力。

螺钉平垫材料为钢，结构件材料为2A12，力学夹具材料为2A12，经查，为0.3，为1.35，8.8级M5螺钉紧固后的预紧力F为6 257 N。

产品质量为12 kg，A值取值2，受到的总摩擦力为41 296 N，惯性力F为58 800 N，产品受到冲击载荷时惯性力大于总摩擦力，产品发生移动，紧固螺钉对耳片安装孔侧壁产生了挤压力。

对产品受到冲击载荷作用时的受力情况进行仿真分析，应力云图如图3所示，从图中可以看到耳片安装孔处的应力最大，达到了809.2 Mpa，超过了2A12的抗拉强度400 Mpa，耳片会发生过塑性损伤。

图3 更改前耳片位置应力云图

4 改进措施

根据损伤机理分析、耳片损伤主要原因是冲击载荷作用时，产品耳片安装孔受到挤压力作用，挤压应力超出了许用应力，耳片安全裕度≤0导致的，增加耳片数量可有效提高产品设计裕度，提高产品在冲击试验中防止耳片损伤的能力。更改后，产品的本体尺寸及最大外形尺寸均不会发生变化。安装耳片数量由4个改为6个。

4.1 更改措施分析

更改后产品受到的总摩擦力为61 944 N，惯性力F为58 800 N，产品受到冲击载荷时惯性力小于总摩擦力，产品不会发生移动。

图4 更改后耳片位置应力云图

4.2 更改影响分析

增加耳片数量可有效提高产品设计裕度，提高产品在冲击试验中防止耳片损伤的能力。更改后产品的电性能不受影响，重量增加约30 g，本体尺寸与最大外形尺寸均不发生更改，R脚位置不变，安装尺寸有所改变。更改后增加了安装孔数量，需增加安装螺钉数量。更改后散热面积增加，各热耗器件的温度比更改前降低，机箱内部各模块力学环境不会变坏，各器件力学环境不会恶化。

5 试验验证

为了验证分析仿真结果的正确性，加工了质量模拟件进行力学试验验证，质量模拟件的组装形式、结构尺寸、重量、耳片位置、建造材料均与产品完全一致，由三个机架、前后侧盖板、内部配重件以及上侧盖板组成，质量模拟件重量为12 kg，安装孔孔径为φ5.5 mm。将质量模拟件按照产品试验条件加载冲击载荷，进行试验验证。

冲击试验后各耳片及安装孔未发生损伤，说明更改措施有效，增加耳片数量可以有效提高产品紧固力，提高产品力学试验时耳片部位的安全裕度，解决耳片安装孔损伤的问题。