蜂窝夹层结构反射器热变形及型面精度分析

发布时间：2020-09-11 22:31

　　随着卫星通信技术的不断发展,人类对于天线精度的需求越来越高,这就使得星载天线的口径和质量逐渐增加。随着材料科学的不断发展,一种以碳纤维复合材料作为天线蒙皮的蜂窝夹层结构逐渐被各大通信卫星所应用,碳纤维蒙皮蜂窝夹层结构具有质量轻、强度高、抵抗热变形能力强等特点,能在高低温周期性变化的太空环境环境中长期服役。本文对碳纤维/铝蜂窝夹层结构的热变形及其型面精度进行了计算研究。首先,根据蜂窝平面投影形状及成型工艺,选取双壁厚正六边形蜂窝作为本反射器蜂窝的结构形式,同时采用航天领域常用的硬铝—5A02铝合金作为蜂窝材料。由于蜂窝结构复杂的力学和热学特性,需要对蜂窝结构进行等效力学和热学性能计算。基于双壁厚Y模型等效理论,给出了各向同性蜂窝等效力学参数计算公式;根据ABAQUS有限元计算和S-P公式,在忽略空气导热和对流辐射的前提下,得出了蜂窝结构等效热导率在热传导和热辐射耦合作用下的分析方法;根据体积混合原理,得出正六边形双壁厚蜂窝结构等效比热容的计算公式;利用ABAQUS有限元分析得出蜂窝等效热膨胀系数与蜂窝芯材自身的热膨胀系数的关系。其次,对反射器蒙皮材料M55碳纤维层合板在低温-80℃、常温和高温120℃的力学性能进行实验测试,包括:弹性模量、泊松比、面内剪切模量和面外剪切模量,并得出M55层合板力学性能随温度的变化关系;对M55碳纤维层合板和5A02铝合金的热学性能在-80℃~120℃下进行实验测定,包括:比热容、热导率和热膨胀系数,得出其热学性能与温度的响应规律;将测出的蜂窝芯材的性能带入到蜂窝等效理论中,得出了准确的蜂窝等效参数,包括:等效密度、等效比热容、等效热导率以及等效热膨胀系数,同时得出其在-80℃~120℃条件下的变化规律。最后,利用ABAQUS对反射器小尺寸瓜片模型进行热变形分析,并通过精度拟合得到小尺寸反射器的RMS值,通过与实验测量的RMS值相对比,得出实验测试值和模拟计算值的偏差,验证了蜂窝等效参数计算的准确性;根据对型面精度影响因素的分析,包括:温度梯度、热膨胀系数、蜂窝高度、铺层数量、胶层厚度和铺层角度偏差,得出了蜂窝高度方向的热膨胀系数为影响反射器精度的最主要因素,同时得到了最优的反射器结构。基于反射器实际装配条件建立了全尺寸反射器有限元模型,得出反射器工作面装配的埋块和紧固件能够有效减小工作面变形,通过精度拟合得到全尺寸反射器型面精度RMS值,说明本反射器具有良好抵抗热变形能力和较高的型面精度。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN927.2
【部分图文】：

蜂窝夹层,反射镜,复合材料,热变形

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文度梯度较大的温度场。在确保天线反射器正常运行的射器的热变形和型面精度，热载荷往往是作用于星载温度梯度通常在-150℃~200℃之间，传统材料和结构内很难保持较小的热变形，所以越来越多的星载天线窝夹层结构[4]，如图 1-1 所示。

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为了精确且高效的计算蜂窝夹层结构反射器的热变形，得出准确的反射面精度，就需要对蜂窝结构的力学进行等效计算，即将蜂窝结构视为正向异性实体；还需对蜂窝内部的热学性能做出准确分析；最后需对反射型面精度做出精确拟合。目前国内外许多学者对蜂窝等效理论、蜂窝内热特性分析以及反射器型面精度拟合进行了研究。.1 蜂窝等效理论研究蜂窝结构按照平面投影的形状，可以分为正六边形、矩形、菱形等，其六边形蜂窝结构耐拉压、用量省并且制造简单，所以结构效率最高，目对正六边形蜂窝的研究较为成熟，因此应用最为广泛[10]，正六边形蜂窝归结为等壁厚和直板双壁厚两种形式，如图 1-2 所示。蜂窝结构的离散匀性给普通的力学分析带来许多困难，因此对蜂窝芯层的等效分析显得重要，国内外学者通过对蜂窝夹层结构宏观性质和细观胞元的研究，形许多较为成熟的理论和数学模型。

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文考虑了蜂窝夹芯胞壁的伸缩变形，使刚度矩阵不再奇异，但该窝胞元没有和其他弹性模量的推导相结合；随后赵金森[14]采用来表征蜂窝结构，通过力学分析推导出等壁厚蜂窝等效参数，法研究正六边形蜂窝的面内力学参数，并通过有限元实体建模结果精确度很高；但根据蜂窝制造工艺可知，实际成型的蜂窝向上的两边厚度是其他四边厚度的两倍，所以必然导致蜂窝芯异性的影响增强且不可忽略，胡玉琴[15]对基于 Y 模型的等效公，得出了蜂窝在横向和竖向上的剪切模量不相等的结论，并给窝结构的等效公式，等壁厚和双壁厚的 Y 模型如图 1-3 所示。厚蜂窝等效和胡玉琴的双壁厚蜂窝等效是目前应用最广的两种

【参考文献】