复合材料臂杆刚度性能研究

檀傈锰曾惠忠尚爱华殷新喆

0 引言

碳／环氧复合材料在航空航天领域已经获得了广泛应用，如卫星结构的主承力筒、太阳翼基板、天线展开臂等产品。复合材料臂杆是空间大型机构的重要组成部分，起到连接、支撑关节的作用，另外臂杆还提供了航天员扶手接口、电缆接口等。机构在轨执行任务时，臂杆受到弯曲、扭转等力学载荷，需要采用分析和试验的方法，获取臂杆力学特性，用于产品性能评价以及卫星的在轨动力学特性分析。文献［1］中对小尺寸复合材料杆进行了拉伸与压缩试验，本文针对大型复合材料臂杆，进行了轴向拉伸、弯曲及扭转试验，研究臂杆的力学性能。

1 复合材料臂杆介绍

复合材料臂杆长3 500 mm，由改性氰酸脂结构主体和两端的钛合金法兰组成，结构主体由光壳、环向加强筋组成，光壳外径Φ290 mm（局部有环向加强筋）。最里和最外层均采用氰酸脂编织布，并采用氰酸脂无纬布缠绕。光壳长度方向为0°方向，氰酸脂无纬布铺层方向为±45°和 0°。根据文献［2］，±45°铺层方向使得臂杆具有最优的力学性能。

图1 臂杆结构示意图Fig.1 Sketch of large composites beam

在臂杆的y方向上设置有24个M5螺纹孔，用来连接扶手。螺纹孔在环向加强筋位置，且沿x向均匀布置。在臂杆两端，沿z向开有两个电缆走线孔，由于螺纹孔及走线孔的布置，使得部分碳纤维沿x向被打断。

2 试验

试验包括臂杆一端固支下一阶模态频率、轴向拉伸刚度、弯曲刚度测试和扭转刚度测试四部分。

2.1 一阶模态频率测试

采用敲击法测试臂杆一阶模态频率。将臂杆一端法兰与固定模拟墙相连，将模拟墙固定在地轨上，采用橡皮锤在臂杆上端部沿y，z两个方向敲击，用Polytec OFV 505型激光测振仪和LMS SCM05数采以及Test Lab 11B软件测试臂杆振动频率。由于臂杆阻尼较小，采用半功率带宽法计算模态阻尼比，如图2所示。

激光测振仪测得的响应信号经过FFT变换后得到其自谱曲线，取第一个峰值（频率ω）的0.707倍做一条水平线（这里我们主要关心第一阶振型相关参数），该线与峰值曲线相交于两点，此两点对应的频率即为半功率点（ω1、ω2）。其中 ω＝2πf，将其代入阻尼比计算公式：

图2 半功率带宽法Fig.2 Half－power bandwidth method

将臂杆简化为一均匀悬臂梁，如图3所示。

图3 均匀悬臂梁Fig.3 Uniform cantilever

弯曲运动模态微分方程的通解为：

边界条件为；

根据式（2）～式（6），得到特征方程

它的根是特征值λr乘以长度L，与每个特征值相关的固有频率为

根据文献［7］λrL的数值解为：

由此计算得到臂杆的刚度

2.2 拉伸刚度测试

臂杆进行拉伸刚度测试参照GB／T2568—1995开展，搭建试验系统如图4所示，臂杆下端通过模拟墙固定在地轨上，在臂杆上部加载，设计了一套随动加载装置，该装置在水平两个方向上具有一定的自由度，保证对臂杆施加的拉力始终沿臂杆轴向，防止引入弯曲载荷影响测试数据。在臂杆上下靠近法兰的薄壁位置，沿周向均布4个应变花，监测应力变化情况，并在臂杆上下法兰对称位置布置4个位移测点（w1～w4），采用电涡流传感器测量加载过程中臂杆上下端面发生的位移变化。

载荷加载采用自行研制的螺旋加载工装，力传感器型号为BLR－1，电涡流传感器型号为CWY－DO－501，应变片型号为BX120－3CA，载荷、位移以及应变数据的采集使用DEWE 2601型数采。

图4 拉伸刚度测试示意图Fig.4 Sketch of tension stiffness test

2.3 弯曲及扭转刚度测试

臂杆进行弯曲刚度测试如图5所示，模拟臂杆在轨受弯曲载荷状态。在臂杆上部安装加载横梁，采用定滑轮和螺旋加载装置在加载横梁两端分别施加对称拉力载荷，在臂杆端部形成一弯矩M。位移测点布置与拉伸刚度相同。扭转刚度测试与弯曲刚度测试类似，不同的是，弯曲刚度测试中横梁两端的加载力为竖直方向，扭转刚度测试中加载力为水平方向。采用位移传感器测量臂杆上下法兰端面的相对转角，测试过程中同样监测臂杆两端的应力情况。所用测试设备与2.2节相同。

如图4所示，在臂杆受到向上的拉力p后，臂杆上下端之间沿载荷作用线的相对位移为Δ，据此绘制力p和位移Δ之间的变化曲线，并由此曲线进一步得到等效弹簧的刚度系数：