质量控制在航空航天上的应用

对于LISA卫星科学模块结构的尺寸稳定的轻量级开发

LISA卫星科技模块结构的前身为欧洲航天局,使命来检测LISA的引力波 -专为满足极其严格的热弹性变形的要求。它提供了所需的两个高精度激光干涉仪和无拖曳电动微型推进系统,成功运行稳定的参考框架。除了尺寸稳定性,科学组件(SCM)的结构提供了高刚度和强度的降低的质量。完整的结构是利用共固化碳纤维布以纤维相互连接铝蜂巢夹芯板所制成的夹板。

这个文章摘要的重点是在一个专用的变形测试中的热弹性性能的精确测量。该组装结构被放置在人工气候室,并进行温度变化。

通过激光测量对LISA内层隔间容纳技术包装的组合和通过摄影测量以确定在外部结构体的扭曲的形状。记录挠度最终从一个详细的三维结构的有限元得到的分析预测相比较。

1、科学组件结构设计

科学模块(SCM)的结构由欧瑞康航天公司交付的Astrium公司和欧洲航天局(ESA)的开发和建设。
它是一个具有8面棱镜,850mm的总高度和1800mm左右和中心圆柱内径820mm的总直径(参照图1)。

Fig1: SCM结构(上封板去掉)

2、热弹性稳定性要求

必须表现出热弹性行为与变形的测试,其中组装结构必须暴露在均匀温度变化在+10°C至+40°C。2、热弹性稳定性要求

3、材料特征描述

该LISA探路者任务要求尺寸稳定的学模块结构和热弹性行为为了让引力场的精确预测和其变型的精确所知。材料特性与程序涵盖用于面板的外观和结构设计中用到的两种主要类型的夹层的等向性迭层挂片试验开始。

4、全局的热变形测试

扩大后的挂片试验,夹层板的建造和测试。这些组件进行测试,然后,对于尺寸稳定性的最终验证的热变形试验是必要的。测量均采用了完全组装LISA PFSCM结构METAS在Bern的气候室,在温度为+10°C至+40°C的变化为了产生良好定义的机械边界条件,该结构运动地支撑在LCA底板的底面。

在全局变形测试中采用了两种不同的测量方法:
●激光干涉测量,作为用于组件的水平的测量
●数字摄影测量,它是通过作为辅助测量方法来确定外部结构的整体变形。

4.1。激光干涉测量
前面所讨论的,主结构LCA的支撑结构和变形进行了测量。并用于各个面板的表征激光干涉测量法已成功地应用到组装结构。许多切除部被落实到结构取得无障碍视线的激光束。

Fig2: 图中不同课程与实际的激光束设置,具有自动贴合到模块的功能

在共16次温度循环测试过程中已经完成。对于每个测量,激光必须被重新定和调整。 测量数据采集测量和参考反射镜之间的距离变化。

当暴露在均温30℃时,LCA的底板膨胀约11μm。主结构的扩张大约是100微米沿平行剪力墙和140μm的沿如图2的径向剪力墙测定。

由于反射镜被安装在与该结构的边缘有一定的距离,真实边缘到边缘的扩张大于上述测量值高约15%。

虽然激光测量被认为是最准确的方法来测量1微米或更小的失真,但这不是一个实际的方法来确定一个完整的结构的变形的形状为一个尺寸随温度仅可以测量的变化。此外,该方法需要对干涉仪反射镜和安装规定和甚至质量补偿装置时,该光学组件是被固定在垂直板。

4.2. 数字摄影测量

一个很好的证明的方法来测量3D几何和变形是数字摄影测量,又称videogrammetry。

Videogrammetry是基于光学三维测量技术,其中点(目标)的一个物体上的三维坐标,通过从不同角度拍摄的两个或更多图像进行的测量来确定。这些可以从由同一摄像机与对象的视图捕获连续的图像来获得。

对组装好的LISA PF SCM结构测量是由videogrammetry该公司GOM国际使用Nikon D2X12MPixel数字相机和数据处理软件TRITOP执行。外部结构配备有大量的自粘光学目标。校准的基准尺度(黄色条图3)被定位接近受试品,以提供绝对尺寸。

Fig3: 数字摄影测量

为了获得最佳的覆盖范围,约250照片拍摄于+10°C至+40°C(见图4),显而易见的是,videogrammetry需要待测物质的全面可见性和最好的结果是当目标是从许多不同的角度看到的实现。

Fig4: 照相机位置的概述用于产生测试品的图像

对于LISA PF SCM结构的大小的物体,videogrammetry的精度通常为10-15微米。虽然videogrammetry的精度比激光测量的准确度低,但至少提供了对全局性的有用信息。

外部结构所造成的约一个均匀的温度上升的失真30℃示于图5。

Fig5: 装在外部结构在温度变化从+9.5°C(参考温度)至+40.5°C

5. 数学模型的相关性该结构膨胀均匀和被测量的外部结构体的外表面的最大位移是在100μm。交叉检查是为了确认videogrammetry数据与通过激光测量得到的结果是一致的。用于此目的的主要结构的膨胀测定用激光干涉仪,用的外部结构由videogrammetry考虑到(通过厚度)横向测量的膨胀比扩展外部面板和剪力墙和外部面板之间的接缝防滑的贡献。

在第3节,以及全局的热变形试验讨论了全面的材料表征方案促成了LISA PFSCM结构的热弹性性能的理解。测试程序除了变形的测量,第二个目标是要产生足够的数据,以允许有限元素模型的相关性。由于质量分布的精确知识是最重要的LISA卫星使命的成功,数学对SCM结构的模型已经建立了详细程度远远高于对卫星结构FEM通常的标准[3]。

夹芯板核心建模与3D实体单元,以认定为横向扩展影响。复杂的面板到面板连接的行为进行了评估与涉及固体网状夹板和接触元素的详细局部的FE模型。

壳和梁元素属性表示要限制在整体结构FEM自由度,夹板终于有反映正确的行为。

Fig6: LISA PFSCM结构元素模型在T =30℃计算的预测变形

一个均匀的温度上升T= 30°C已被应用到结构FEM和calcuated变形与来自全尺寸失真测试的结果进行了比较。被用于在素模型的材料属性定义的面和组件测试得到的结果。除了全球性扩张,护墙板的厚度增加,个别金属刃刀片的局部效果也很好的体现。作为结构不是完全对称的,平行剪切壁的膨胀比较长径向剪切壁的膨胀较小。膨胀结构的的定性说明示于图6。

分析预测相关性以及与所述测量在径向和轴向方向。最大的偏差被发现为在上面板边缘的轴向位移。LCA的支撑结构的热弹性行为进行了相关的基于激光测量的方法类似。轴向变形是由LCA底板的铝蜂窝芯的横向扩张为主。对于一个均匀的温度升高T =30℃LCA的支撑结构的最大变形为156μm的轴向和径向方向27.2μm。

6. 讨论

为LISA探路科学模块,所选择的方法来开发一个尺寸稳定结构,并验证它的热弹性性能得到了成功的证明。一个全面的变形试验被认为是必要的,以证明性能采用装配式结构,并最终相互关联的数学模型。该结构物进行施加30℃的均匀温度变化,从任务热分析得到的复杂的温度分布,这个简单的热测试用例的优点在于,它可以很容易地在人工气候室中进行,并表现出良好的可重复性。 它提供了一个稳定的立场,但仍允许的结构,热负荷下的可扩展运动支持的概念被证明是非常实用的。代替与正在自由地从吊索悬挂结构的试验尝试,但导致了由于结构的微小运动引起的空气流通激光对准问题。

小变形的精确测量需要测量设备与展品非常低的热漂移。所选择的微分平面干涉仪被证明是合适的测量中的LCA的支撑结构的位移以优于±0.5μm的精度。补助的videogrammetry测量有助于该结构的整体变形的理解。

体验从LISA PFSCM结构得到显示,虽然尺寸稳定的夹层结构的发展似乎是直线前进,参与设计的所有材料和部件的影响,必须仔细评估。空白夹心板的面内的CTE可以根据所安装的插入物的数目和量加倍所用胶粘剂和灌封料。为LISA PFSCM结构开发了夹心板使用的铝蜂窝芯驱动面板扩展在横向方向上,必须在分析评价。

7. 结论

传统的碳纤维复合材料铝蜂窝夹层板仍是较硬的和尺寸稳定的轻量化设计是不错的选择结构。特别是对于大型结构,碳纤维复合材料的夹层提供了相当大的优势,基于玻璃陶瓷或陶瓷基复合材料的设计解决方案。然而,如果分析模型考虑到了完整的夹心板的特性的热弹性性能的准确预测是唯一可能的。插入物的作用,粘合剂和封装化合物是显著并不能忽视。因为他们的结构扭曲贡献必须注意,以及诸如防滑钉和紧固件连接件。对于需要高稳定性的平台,它有利于提高面板的外观的厚度,使用重量轻的核心,并减少粘接剂的量尽可能实用。低于1ppm/ K的热膨胀系数是可行的,并已取得了LISA卫星模块的工具支撑结构。面内测定为1.5至2.5 ppm /度的CTE值的典型设备的支持板和封板。特种纤维缠绕碳纤维夹板和支架开发,以尽量减少组装结构的扭曲。开发和建造的LISA PF模块结构结合了优异的尺寸稳定性,高强度和刚度以降低质量,可作为一个有价值的范例在稳定的轻量化结构领域的未来发展。


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