I 型蜂窝板埋件强脱分析与临界力矩试验研究

王子权，顾义畅，姚鹏，高雪峰，黄巍，曹敬华，罗智国

上海卫星装备研究所总装中心，上海 200240

蜂窝板是卫星的主体骨架结构，具有质量轻、强度高等特点[1]，为卫星上单机、载荷等提供可靠支撑。I 型埋件（圆形埋件）是蜂窝板上常用的埋件型号，具有方便加工与组装的特点，在许多卫星型号上经常使用I 型埋件作为单机、载荷等的安装紧固埋件[2-6]，因此，针对蜂窝板中埋件的力学性能的研究，对于稳固单机、保证整星可靠性具有重要价值[7-10]。李莺歌等[11-13]分析了蜂窝夹层结构埋件和蜂窝结构板后埋件拉脱力的影响因素，并进行了蜂窝夹层结构及其埋件的力学性能研究，介绍了蜂窝夹层结构M5 型埋件的拉脱力测试条件及结果，为本文埋件拉脱试验提供了参考；分析了试样平面尺寸、真空压力等因素对拉脱力的影响，提出合理优化埋件周围发泡胶填充量，可达到节省发泡胶、提高埋件拉脱力的效果。徐挺等[14]研究了新型后埋件及其自动化后埋工艺，考察了2 种埋件技术对埋件承载力与承载系数的影响，结果表明胶粘剂的分布状态对其承载性能有重要影响，新型的后埋工艺可保证工艺稳定性、一致性、可靠性。许文彬等[15]进行了常温和高温环境下蜂窝夹层结构埋件拉脱性能试验，对比分析了高温环境对埋件拉脱性能的影响，发现埋件在高温环境中受法向拉脱力时，承载力下降为常温的8%左右，且失效模式由常温的蜂窝芯剪切破坏变为面板与蜂窝芯脱粘破坏；埋件在受面内拉脱力时，常温环境和高温环境下埋件分别呈现出面板压缩破坏和面板皱褶失稳破坏，且拉脱力降为常温的28%左右。

在卫星总装集成测试（assembly and integration and test，AIT）过程中发现，在单机和埋件间无间隙装配情况下，对螺钉实施规定的拧紧力矩均无拉脱现象发生。而某卫星的平台舱某侧板电池安装面采用垫装石墨膜新技术对电池进行导热，按规定对电池紧固件实施拧紧力矩后，蜂窝板I 型埋件出现了拉脱凹陷现象，对产品造成了不可挽回的损伤。因此，急需针对此现象，分析其产生原因、机理，进行工艺基础研究，为后续石墨膜导热技术普及做好充足准备。本文根据实际生产现象，对埋件拉脱的原因进行了分析，并总结出7 个导致埋件拉脱的主要变量。根据原因分析，提出试验方案，对常用的几种蜂窝板及紧固件规格进行了试验研究，采用统计学中的多项式拟合、反向传播（back propagation，BP）神经网络拟合等算法对试验数据进行的分析，得出的结论以供卫星热控设计和总装集成参考。

1 埋件拉脱原因分析

垫装石墨膜结构简图如图1 所示，其基本结构包括电池紧固件、电池安装面、石墨膜、蜂窝板及其埋件。

图1 石墨膜垫装安装简图

通过图1 对实际现象的分析，得出导致埋件拉脱的主要原因为：

1）螺钉拧紧力矩值较大，超过了埋件胶接强度可承受范围，导致埋件拉脱；

2）使用的螺钉规格较大，或使用的埋件规格较小，导致拧紧力矩值必须增大，或埋件规格与拧紧力矩值不匹配，造成埋件拉脱；

3）蜂窝板厚度不够，导致胶接面积较小，胶接强度不够；

4）石墨膜开孔处直径大于埋件直径，导致埋件可在一定空间范围内自由移动；

5）电池重量较大，埋件在综合力、力矩的作用下被拉脱。

根据图1 所示的石墨膜安装简图，可得其中7 个导致埋件拉脱的变量，如表1 所示。

不同的紧固件公称直径DJ对应不同的拧紧力矩，而在生产实践中，对确定的紧固件公称直径DJ，其拧紧力矩是有固定要求的，因此，当公称直径一定时，对其实施的拧紧力矩也是一定的。由于实际上天紧固件均为钛合金材料，因此只需对钛合金螺钉进行研究即可。

石墨膜厚度t主要用于表征石墨膜结构，同时表征石墨膜开孔深度。

石墨膜开孔直径DS主要用于表征石墨膜开孔直径，其大小有2 个等级：1）DS≥Ø，即石墨膜开孔直径大于埋件直径；2）DS<Ø，即石墨膜开孔直径小于埋件直径。

分析可知，当DS≥Ø，即石墨膜开孔直径大于埋件直径时，埋件通过螺钉实施拧紧力矩后强拉，可在厚度为t的空间范围内自由移动，因此更容易导致埋件拉脱。当DS<Ø，即石墨膜开孔直径小于埋件直径时，埋件通过螺钉实施拧紧力矩后强拉，由于被石墨膜阻挡，因此不容易被拉脱，但当石墨膜组织较软时（弹性模量较低），石墨膜本身容易产生挤压变形，此时埋件易被拉脱。

蜂窝板厚度δ对应使用不同长度的埋件， δ越大，则埋件的胶接接触面积就越大，可知其抗拉脱的能力就越强。蜂窝板的蜂窝芯子蜂窝密度越高，则埋件的胶接接触面积也越大，增强了埋件抗托拉能力。同时，发泡胶胶接性能越强，也会增大埋件抗托拉能力。而在实际生产中，蜂窝芯子的蜂窝密度、发泡胶型号一般不会改变，因此可作为试验的定常值量使用。

综合分析可知，紧固件公称直径DJ、石墨膜厚度t、石墨膜开孔直径DS、蜂窝板厚度δ和埋件规格Ø可作为试验可变影响变量，蜂窝芯子密度和发泡胶型号作为不可变的定常值影响变量，而石墨膜开孔直径直接表现为埋件与产品之间是否有可使埋件自由移动间隙，即有无间隙，而实践中在无间隙情况下未有埋件拉脱，因此可直接进行埋件有间隙试验。

2 埋件拉脱力试验研究

根据实际现象与原因分析，设计M5-TB3-有间隙试验、M6-TB3-有间隙试验2 种形式的试验研究，每种试验均在不同蜂窝板厚度的情况下进行。

2.1 M5-TB3 有间隙情况

2.1.1 M5-TB3-板厚20-有间隙

对M5 的钛合金TB3 规格螺钉，在板厚为20 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了6 次试验，试验发现对M5 螺钉均不能按照规定的4.4±0.2 N∙m 力矩实施，因此进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图2 所示。

图2 M5-TB3-板厚20-有间隙

由图2 可知试验2 的1.70 N∙m 临界力矩与其他试验结果偏差明显偏大，属于奇异试验值，造成该奇异值的可能原因是蜂窝与埋件的胶接效果明显不足或试验偶然因素。

排除试验2 的奇异值影响，对其余试验值进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图3 所示。可知3 次拟合和BP 网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为2.344 0 N∙m，3 次拟合平均值为2.330 7 N∙m，BP 网络拟合平均值为2.319 3 N∙m。不难得出，对M5 的钛合金TB3 规格螺钉，在板厚为20 mm 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为2.31~2.34 N∙m， 分析可知， 该力矩范围值为2.325±0.015 N∙m，而2.325 N∙m 力矩值在M4 的TB3 螺钉对应的力矩（2.4±0.15 N∙m）的负偏差范围内（2.25~2.4 N∙m），因此可知即便对M5 规格埋件，实施M4 钢丝螺套和M4 规格螺钉规定实施力矩，仍然存在埋件拉脱的极高风险。

图3 M5-TB3-板厚20-有间隙统计结果

2.1.2 M5-TB3-板厚25-有间隙

对M5 的钛合金TB3 规格螺钉，在板厚为25 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了7 次试验，试验发现对M5 螺钉均不能按照规定的4.4±0.2 N∙m 力矩实施，因此进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图4 和图5 所示。可知试验1 的2.23 N∙m 临界力矩与其他试验结果偏差明显偏大，属于奇异试验值，试验5 的4.5 N∙m 临界力矩与其他试验结果偏差明显偏大，属于奇异试验值。

图4 M5-TB3-板厚25-有间隙

图5 M5-TB3-板厚25-有间隙统计结果

排除试验1 和试验5 的奇异值影响，对其余试验值进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图5 所示。可知3 次拟合和BP 网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为3.336 0 N∙m，3 次拟合平均值为3.297 9 N∙m，BP 网络拟合平均值为3.312 3 N∙m。不难得出，对M5的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为25 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为3.31~3.34 N∙m，分析可知，该力矩范围值为3.325±0.015 N∙m，3.325 N∙m 力矩值超过了M4-TB3 螺钉对应的力矩（2.4±0.15 N∙m）范围，因此可知对M5 规格埋件，实施M4 钢丝螺套和M4 规格螺钉规定实施力矩，可避免拉脱损坏。

2.1.3 M5-TB3-板厚30-有间隙

对M5 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为30 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了6 次试验，试验发现对M5 螺钉部分可按照规定的4.4±0.2 N∙m 力矩实施，因此进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图6 所示。

对试验值进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图7 所示。可知3 次拟合和BP 网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为4.54 N∙m，3 次拟合平均值为4.571 N∙m，BP 网络拟合平均值为4.573 N∙m。不难得出，对M5 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为30 mm 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为4.54~4.57 N∙m，分析可知，该力矩范围值为4.555±0.015 N∙m，4.555 N∙m 力矩值基本达到了M5-TB3 规定的期望力矩，但考虑其余振动等非线性因素，不建议使用有间隙的装配结构。

图7 M5-TB3-板厚30-有间隙统计结果

2.1.4 M5-TB3-板厚40-有间隙

对M5 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为40 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了6 次试验，试验发现对M5 螺钉均可按照规定的4.4±0.2 N∙m 力矩实施，但仍进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图8 所示。

对试验值进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图9 所示。可知3 次拟合和BP网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为8.15 N∙m，3 次拟合平均值为8.21 N∙m，BP 网络拟合平均值为8.22 N∙m。不难得出，对M5 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为40 mm 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为8.1~8.2 N∙m，分析可知，该力矩范围值为8.15±0.05 N∙m，8.15 N∙m 力矩值超过了M5-TB3 规定的期望力矩，可正常使用。

2.1.5 M5-TB3-临界力矩分布

根据得到的临界力矩平均值，得到临界力矩平均值分布如图10 所示。图10 处理方法坐标中：1 为原始数据平均临界力矩；2 为多项式拟合平均临界力矩；3 为BP 拟合平均临界力矩。

图10 M5-TB3 临界力矩平均值分布

根据图10，依据线性差值理论，可预测蜂窝板厚为35mm 时，原始数据临界力矩平均值为6.345 N∙m，多项式拟合平均值为6.329 5 N∙m，BP 拟合平均值为6.396 5 N∙m。再对M5-TB3 螺钉的最大拧紧力矩（4.6 N∙m）进行预测，可得其对应板厚为30.17 mm。以黄绿色带为分界线，对M5-TB3-有间隙情况按照正常力矩实施拧紧，在板厚超过30 时不会出现拉脱现象，考虑振动等非线性因素，不建议在黄绿色带分界线边缘设计蜂窝板。在有间隙情况下，使用M5-TB3 螺钉的蜂窝板厚建议为31 mm 以上。

2.2 M6-TB3 有间隙情况

根据对M5-TB3 有间隙时的结果可知，对M6-TB3 螺钉一定无法在板厚为20 和25 mm 的蜂窝板上实施力矩，因此对M6-TB3 螺钉进行板厚至少30 mm 的蜂窝板进行试验。

2.2.1 M6-TB3-板厚30-有间隙

对M6 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为30 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了5 次试验，试验发现对M6 螺钉均不能按照规定的7.25±0.25 N∙m 力矩实施，因此进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图11 所示。

图11 M6-TB3-板厚30-有间隙

对试验进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图12 所示。可知3 次拟合和BP 网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为5.224 N∙m，3 次拟合平均值为5.199 6 N∙m，BP 网络拟合平均值为5.212 3 N∙m。不难得出，对M6 的钛合金TB3 规格螺钉，在板厚为30 mm 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为5.20~5.22 N∙m， 分析可知， 该力矩范围值为5.21±0.01 N∙m，5.21 N∙m 力矩值在M5 的TB3 螺钉对应的力矩（4.4±0.2 N∙m）以上，因此可知对M6 规格埋件，实施M5 钢丝螺套和M5 规格螺钉规定实施力矩，可正常使用。

图12 M6-TB3-板厚30-有间隙统计结果

2.2.2 M6-TB3-板厚40-有间隙

对M6 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为40 mm 的蜂窝板上进行有间隙拉脱试验，共进行了5 次试验，试验发现对M6 螺钉均可按照规定的7.25±0.25 N∙m 力矩实施，但仍进行了临界力矩拉脱试验，试验结果如图13 所示。

图13 M6-TB3-板厚40-有间隙

对试验进行多项式拟合和BP 神经网络拟合，得到的结果如图14 所示。可知3 次拟合和BP 网络拟合较好地反映数据的变化趋势。原始数据平均值为9.396 N∙m，3 次拟合平均值为9.380 N∙m，BP 网络拟合平均值为9.386 N∙m。不难得出，对M6 的钛合金TB3 规格螺钉在板厚为40 mm 的蜂窝板上进行有间隙装配，其临界实施力矩为9.38~9.40 N∙m，分析可知，该力矩范围值为9.39±0.01 N∙m，9.39 N∙m 力矩值在M6 的TB3 螺钉对应的力矩（7.25±0.25 N∙m）以上，可正常使用。

图14 M6-TB3-板厚40-有间隙统计结果

2.2.3 M6-TB3-临界力矩分布

得到平静临界力矩分布如图15 所示。图15 处理方法坐标中：1 为原始数据平均临界力矩；2 为多项式拟合平均临界力矩；3 为BP 拟合平均临界力矩。依据线性差值理论，可预测板厚为35 mm时，原始数据临界力矩平均值为7.31 N∙m；多项式拟合平均值为7.289 8 N∙m；BP 拟合平均值为7.299 N∙m。

图15 M6-TB3 临界力矩平均值分布

再对M6-TB3 螺钉的最大拧紧力矩（7.5 N∙m）进行预测，可得其对应板厚为35.46 mm。以图15中黄绿色带为分界线，对M6-TB3-有间隙情况，按照正常力矩实施拧紧，在板厚超过35 mm 时不会出现拉脱现象，考虑振动等非线性因素，不建议在黄绿色带分界线边缘设计蜂窝板。在有间隙情况下，使用M6-TB3 螺钉的蜂窝板厚建议为36 mm以上。

3 结论

本文分析了埋件拉脱原因，总结出其中的影响变量，并根据分析设计了试验方案。1）进行了M5-TB3、M6-TB3 规格螺钉在埋件有间隙情况下的埋件拉脱验证试验，得到其临界拧紧力矩值。2）对试验数据进行原始数据、多项式拟合和BP 神经网络拟合处理，得到了临界力矩值的范围和随试验变量的分布情况。通过线性插值理论，对蜂窝板厚度为35 mm 时的临界力矩值进行了估计，试验结论为卫星热控设计和总装集成提供了有力参考。

但文中未对蜂窝芯子密度和发泡剂型号进行控制变量分析，这2 种变量主要在胶接面积和胶接强度两方面对临界拉脱力矩产生影响。