（工程力学专业论文）太阳能帆板的热疲劳研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页捅斐对于诸如哈勃望远镜的太阳能帆板主梁这种薄壁管在外层空间受到太阳等星体的辐射加热，其热变形是值得关注的。本文以t h o r n t o n 理论作为热分析理论基础，利用a b a q u s 有限元软件，对哈勃望远镜太阳能帆板的主梁在太阳光照下升温以及处于地球阴影时向外层空间散热降温的温度场进行了数值模拟计算，得到了相应的热变形和热应力。本文的结果与t h o r n t o n 理论解、清华大学丁勇等的数值解符合较好，本文采用的方法可以比较准确地模拟空间薄壁构件的温度场和热变形，为后续的热诱发振动、热疲劳等研究奠定了基础。在热应力分析的基础上，采用m s c f a t i g u e 软件计算了哈勃望远镜太阳能帆板主梁的疲劳寿命，结果与n a s a 所做的相关材料实验符合较好。通过上述研究，本文得到如下主要结果：( 1 ) 升温过程中，太阳能帆板主梁的平均温度在日照开始约1 5分钟以后趋于稳定，稳定状态时的平均温度约在4 0 3 。k ( 即1 3 0 c )左右。降温过程中，太阳能帆板主梁管截面上下表面的温度大约在1 5 0 秒以后趋于一致，管截面平均温度大概在1 0 0 0 秒以后和外界环境温度趋于相同。( 2 ) 当太阳能帆板主梁受日照时，其截面温度分布呈余弦分布，随日照时间的增加，主梁整体温度呈上升趋势。当主梁上表面吸收的热量、上表面向下表面传导的热量、整根主梁向外散失的热量这三者达到动态平衡时，即1 5 分钟后，整根主梁的温度场达到稳态。( 3 ) 哈勃望远镜太阳能帆板主梁在受日照作用升温和处于地球阴影降温这种热循环作用下，内部形成周期性的热循环应力，本文合理地预测了太阳能帆板主梁的疲劳寿命，与实验结果吻合较好。关键词：太阳能帆板；有限元；温度场；热变形；热应力；热疲劳西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页a b s t r a c tt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h et h i n w a l l e dt u b e su n d e rt h eh e a tf l u xf r o mt h es u na n do t h e rc e l e s t i a lb o d i e s ，s u c ha st h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yo ft h eh u b b l es p a c et e l e s c o p e ，i se x t e n s i v e l yc o n c e r n e d o nt h eb a s eo ft h o r n t o nt h e o r y , t h et e m p e r a t u r ef i e l d sf o rt h em a i nb o o m so fs o l a ra r r a yo ft h eh u b b l es p a c et e l e s c o p ea r es i m u l a t e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u s ，w h i c hm a i n l yi n v o l v i n gt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e da n dd e s c e n d e dd u et os u n r i s ea n ds u n s e t ，r e s p e c t i v e l y s i m u l t a n e o u s l yt h et h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h es t r e s sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t si nt h i st h e s i sa g r e ew e l lw i t ht h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h o r n t o na n dt h en u m e r i c a lr e s u l t sc a l c u l a t e db yd i n gy o n gf r o mt s i n g h u au n i v e r s i t y t h e r e f o r e ，t h em e t h o d si nt h i st h e s i sc a l lb eu s e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o na c c u r a t e l y , w h i c hc a nb ef u r t h e rd e v e l o p e dt ot h ea n a l y s i so ft h ev i b r a t i o n si n d u c e dt h e r m a l l ya n dt h et h e r m a lf a t i g u e t h ef u l lf a t i g u el i f eo ft h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yo fh u b b l es p a c et e l e s c o p ei sc a l c u l a t e db ys o f t w a r eo ff a t i g u ea n dt h et h e r m a ls t r e s s e s ，t h er e s u l ta g r e e sv e r yw e l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h es o l a ra r r a ym a t e r i a lc o m p l e t e db yn a s a t h ec o n c l u s i o n sf r o ma b o v er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ( 1 ) d u r i n gt h ec a l e f a c t i v ep e r i o d ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yb e c o m e ss t a b l ea f t e rb e i n ge x p o s e dt ot h es u n s h i n ef o ra b o u t1 5m i n u t e s ，a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eu n d e rt h es t a b l es t a t u si sa b o u t4 0 3o k ( e q u i v a l e n tt o1 3 0 。c ) d u r i n gt h ed e s c e n d i n gp e r i o d ，t h et e m p e r a t u r e so ft h eu p p e ra n dt h el o w e rs u r f a c eo ft h em a i nb o o mb e c o m es a m ei na b o u t1 5 0s e c o n d s ，a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ec r o s ss e c t i o no ft h eb o o mw i l lb es i m i l a rw i t ht h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ei na b o u t1 0 0 0s e c o n d s ( 2 ) w h e ns u b j e c t e dt ot h eh e a tf l u xf r o mt h es u n ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ec r o s ss e c t i o no ft h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yi sp r e s e n t e da sac o s i n ef u n c t i o n w h i l et h es u n s h i n et i m ei si n c r e a s e dt h et e m p e r a t u r eo ft h em a i nb o o mi sa r i s e ng r a d u a l l y w h e nt h et h r e et r a n s m i t t i n gh e a tp r o c e s s e s ，a b s o r b i n gh e a tf r o mt h es u nt ot h eu p p e rs u r f a c eo ft h eb o o m ，c o n d u c t i n gh e a tf r o mt h eu p p e rt ot h el o w e rs u r f a c ea n de m i t t i n gh e a tf r o mt h ew h o l eb o o mt ot h ea i r s p a c e ，m a i n t a i nad y n a m i ce q u i l i b r i u m ，t h et e m p e r a t u r ei nt h ew h o l eb o o mw i l lr e a c has t a b l es t a t u si n1 5m i n u t e s ( 3 ) s u b j e c t e dt ot h et h e r m a lc y c l ed u et os u n s h i n ea n ds u n s e t t h e r ei sap e r i o d i ct h e r m a ls t r e s si n s i d et h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yo ft h eh u b b l es p a c et e l e s c o p e t h ef u l lf a t i g u el i f eo ft h em a i nb o o mo fs o l a ra r r a yi sp r e d i c t e di nt h i st h e s i sr e a s o n a b l y , t h er e s u l ta g r e e sv e r yw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d s ：s o l a ra r r a y ；f i n i t ee l e m e n t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ld e f o r m a t i o n ：t h e r m a ls t r e s s ；t h e r m a lf a t i g u e ；西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页西南交通大学曲南父逋大字学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密叫使用本授权书。( 请在以上方框内打“4 )学位论文作者签名：李孑壹7 亏e t 期：川罗、上多易特别币畿：警日期：西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：( 1 ) 利用a b a q u s 有限元软件分析了处于空间环境中的太阳能帆板主梁的温度场，通过与相关文献结果的比较，提出了用有限元软件模拟太阳能帆板温度场的方法。( 2 ) 利用第一步计算得到的温度场分析了温度对太阳能帆板结构的影响，计算得到了帆板主梁的变形以及应力场，通过分析温度对主梁结构的影响提出了一些相应的解决对策。( 3 ) 利用第二步得到的应力场一时间的关系，用m s c f a t i g u e软件计算了帆板主梁的全疲劳寿命，通过和相关文献结果的比较，提出了一套预测太阳能帆板主梁疲劳寿命的方法。硅名、( 纱罗。莎，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 研究的背景和意义有“天眼”之称的世界上最著名的天文望远镜“哈勃在人类认识宇宙的过程之中有着不可替代的地位，是有史以来最大、最精确的天文望远镜，但是“哈勃从1 9 9 0 年交付使用至今已经经历了数次大的维修，其中维修的重要内容之一就是修复望远镜的电力控制装置，更换新的太阳能帆板。早在1 9 9 3 年1 2 月美国的“奋进号 宇宙飞船对哈勃望远镜进行第一次维修时，其中一项重要任务就是更换太阳能帆板；1 9 9 7 年，美国的发现者号在s t s 8 2 航次执行任务时，更换了太阳能电池板的控制电路，修补了破损的外壳：1 9 9 9 年，发现者号在s t s 1 0 3 航次执行任务时，安装了一套组装好的电压温度改善工具( v l k ) 以防止电池的过热，并且更换太阳能电池板的绝热的毯子；2 0 0 2 年，哥伦比亚号航天飞船将七名航天员送往太空，宇航员通过太空行走更换了哈勃望远镜的太阳能帆板，更换了工作将近1 2 年的电力控制装置。也就是说从1 9 9 0年到2 0 0 2 年，旧的太阳能帆板仅仅服役了不到1 2 年，并且在1 9 9 3 年之前其外壳已经出现了破损，而在1 9 9 9 年又对毯子进行了改进，由此可见，对于诸如哈勃望远镜这种近地球轨道飞行器而言，为了保证其长久地服役，对于电力系统一一太阳能帆板的损坏和失效的研究是一个必须引起重视的课题。关于太阳能帆板失效的问题，其中主要一个原因就是帆板所受的热循环导致的热疲劳i l 】。近地球轨道飞行器周期大约为9 0 分钟，其绕地球飞行每一周期受到太阳光照加热和处于地球阴影降温这么一个循环。这个循环造成了一个相当量的温度波，这个温度波在系统构件内产生热应力，从而导致热疲劳。太阳能帆板材料在其外壳都有一层氧化保护层，这是为了防止基体材料在宇宙空间中受氧原子氧化腐蚀，延长帆板的使用寿命。由热循环产生的最主要的循环缺陷使得基层或外壳产生微裂纹，而且导致外壳分层，这是因为如果表面层和下层具有足够的不同的热膨胀系数就会在热循环过程中产生层与层之间的内力，这样就会在热循环过程中形成一个西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页应力循环，导致热疲劳，最终产生外壳微裂纹和分层，在热循环中产生的温度变化就会对包裹的外层产生特别的威胁。氧化保护层的微裂纹使得下层材料暴露，这会破坏整个太阳能系统。我们国家的航空航天事业不断蓬勃发展，从神舟七号到嫦娥一号，实现了一个个历史突破，并且已经成为了世界上发射卫星数量第二的国家。这一系列的成果都伴随着强大的科研支持，其中对卫星的“发电站一一太阳能帆板的研究是重要的研究项目之一，而太阳能帆板的热疲劳失效问题又是不得不加以深入研究的一个课题。太阳能帆板热疲劳失效的研究对于延长帆板的使用寿命，从而增加卫星的工作年限都有非常重要的意义。然而，目前国际上对于太阳能帆板的热疲劳失效的研究还不是很多，在国内更是很少，因此，这个课题具有广阔的研究空间，具有深远的研究意义。1 2 国内外研究现状和有待解决的问题1 2 1 太阳能帆板简介太阳能帆板是卫星的“发电厂，它由面积很大厚度却很薄的复合材料板组成，其上粘贴着成千上万块太阳能电池，用以发电供卫星的仪器设备工作。我国早些时候的卫星都是刚性的，可不考虑其变形，而上世纪7 0 年代末“东方红3 号 因有大而薄的太阳能帆板，会在外力作用下变形和振动，使卫星成为可变形的挠性卫星。正是由于变形和振动，给卫星的工作带来很多特点，有许多需要研究的新问题。国内对挠性卫星的第一次系统研究是哈尔滨工业大学航天学院教授刘暾所做的卫星动力学和姿态控制研究项目，他应用多体力学理论，推导了卫星本体和太阳能帆板旋转运动方程式、帆板的振动方程式，并利用有限元技术做了离散化，又以约束和非约束模态对它们进行了求解，按各种准则对所得的解做了截断，从而突出主要因素降低分析和计算工作量，还给出了时域状态方程式、频域方程式及传递函数矩阵。目前我们国家对太阳能帆板的研究主要是对其振动方面，以及热一动力学耦合，太阳能帆板展开问题，帆板的热分析和热设计，帆板转动问题等等的研究。研究主要是西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页通过理论和数值计算相结合的方法，在一些大型研究机构还做了一些相关的试验。国际上，对于太阳能帆板的研究除了振动问题以外，现在很多研究人员致力于太阳能帆板结构的改进，以及寻求一些新材料作为帆板的主梁和外层防氧化涂料等等。包括n a s a 所做的帆板的密封技术，填充材料，防辐射保护技术，热对流问题，等等。美国的h u g h e s 飞机制造公司等机构还研究了太阳能帆板在把众多太阳能电池安装焊接到帆板上时的焊接方法，提出了用超音速焊缝等方法1 1 3 1 。1 2 2 温度对太阳能帆板的影响热载荷是作用于航天器的主要载荷，太阳能帆板、雷达天线等大型空间结构受到太阳、地球的辐射加热并向外层空间辐射散热，引起结构各部分随时间变化的温差，导致热变形、热屈曲或热致振动等结构响应，从而对航天器的正常工作造成影响，例如哈勃太空望远镜因为太阳能帆板的热致振动、热屈曲而失效、热疲劳失效是这类问题最著名的例子之一。当哈勃望远镜从地球的背阳面进入到向阳面就经历一个突加热载荷的过程，这个突加热载荷引起太阳能帆板结构各部分的温差，从而导致变形、屈曲、振动等等。在本章的开始部分已经介绍过，哈勃望远镜从1 9 9 0 年交付使用至今已经经历了4 次大大小小的维修，其实早在1 9 9 3 年12 月美国的“奋进号 宇宙飞船对哈勃望远镜进行第一次维修时，其中一项重要任务就是更换太阳能帆板。航天员开始更换哈勃的太阳能帆板时，就已经发现其中一片帆板沿长度方向发生了扭曲变形，而哈勃望远镜的整块太阳能帆板是由四片可以伸缩、卷起的小帆板组成( 这在第二章2 3 1 小节中将做详细介绍) ，当其他三块小帆板收缩卷入到隐藏帆板的鼓状圆桶里的时候，发生破坏的那块帆板就无法缩回，这样就不得不更换这块帆板。这清楚地表明哈勃望远镜太阳能帆板的热一结构设计肯定存在一些问题，直接导致了帆板的热变形、热屈曲和热致振动，最后失效。但是，目前的文献中并没有给出关于这些方面太多有用的细节，那么帆板的失效是不是和扭曲变形有关昵? 热在其中又起到什么样的作用呢? 这些问题还需要我们进一步进行研究比引。西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页对于大型空间结构在热载荷下的温度场以及由温度场导致的构件热变形的研究，我们国家清华大学的些教授和研究人员做了很多的研究工作，他们提出了一些离散构件的方法，对于被广泛用作空间结构的基本元件的薄壁圆管做了热传导有限单元构造，用构造的有限单元进行太阳能帆板等空间结构的热变形数值计算。首先，针对航天结构常用的空心薄壁圆杆，提出了一种计算其温度场的f o u r i e r 一有限单元法，沿杆长用有限元离散，沿杆环向温度分布展成三角级数。用这种方法构造的圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度。在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在每个时间步内求解一组平均温度增量的非线性方程组，根据每一时刻的平均温度求解两组关于截面内温差的线性方程组，从而得到薄壁圆管的温度分布n 引。这种圆管单元和普通的杆单元相比，在考虑沿杆长方向的温差的基础上，还可以计算沿杆截面的温差，而沿杆截面的温差正是引起空间薄壁圆管热弯曲的原因所在。清华大学的这些教授和研究人员将用这种有限单元计算的热变形结果和用大型商业有限元软件m a r c 计算的结果以及参考文献中的解析解的结果进行了比较，发现结果吻合得很好，验证了这种计算空间薄壁圆管温度场和热变形的数值方法的精度 1 4 儿1 5 】o另外，有些研究人员还对结构热一动力学耦合以及热一动力学耦合系统的稳定性做了有限元分析，对大型空间结构的热诱发振动做了有限元分析，还有对含薄壁杆的空间结构热诱发弯曲的理论分析，以及对空间结构热屈曲的有限元分析，等等。国外关于这方面的研究，t h o r n t o n 等人做出了很大的贡献，给出了典型的昼夜交替突加热流作用下对称帆板模型的热一结构响应的分析方法，用帆板对称弯曲变形模型研究了热一机耦合和非热一机耦合的动态响应，他们还计算了扭曲力、帆板固有频率、弯曲变形模型以及基于非热一机耦合得到的温度历程、准静态和动态结构响应，另外，用热一机耦合分析还建立了关于热流的稳定性规律，等等乜副。除此之外，针对热载荷下帆板结构的温度场对帆板的影响国外的一些研究机构还做了一些模拟实验。如美国的n a s a 做了一个模拟实验，所用样品为一个用二氧化硅包裹的西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页氟化乙丙烯橡胶( f e p ) ，用与哈勃望远镜热保护罩可能材料试验。这种材料，以及多层金属氧化物做成的聚四氟乙烯材料，被发现由于分层和在快速热循环曝光下玻璃外壳的散裂导致了失效，哈勃望远镜环境中成千上万个小的玻璃产品损失惨重。实验结果如图1 - 1 所示。由于这些材料在热循环曝光下的较低性能，它被排除作为热保护外罩的可能材料。用这样的实验就可以对太阳能帆板材料进行筛选和改进i ，。图卜1 热循环造成的二氧化硅外壳严重分层和散裂1 2 3 太阳能帆板构件内的温度场分析卫星在宇宙空间运行时，受到来自太阳的直射和反射的热流，而在帆扳的构件内由于其构造的特殊性会形成特殊的温度场。帆板的主要构件主粱采用的是薄壁圆管，其温度场分析是一个非线性的随时间变化的场问题，目前参考文献中用到的最多的是t h o r n t o n 理论，关于这个理论分析方法将在本文第二章的2 1 节中进行介绍。由于薄壁圆管温度场分析问题过于复杂，迄今为止文献中对于帆板温度场分析都假设：1 ) 太阳照射杆件是均匀的突加热流；2 ) 略去沿杆轴向的热传导“”。另外还对结构作了简化，主要有两种方法：( 1 ) 认为沿圆管横截面的温差是引起热变形的主要原因，略去沿杆件轴向的温西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页差，如文献 2 6 、 4 6 给出的解析方法；( 2 ) 杆系有限元方法，杆系有限元方法是分析复杂空间结构的有效方法，在很多文献和通用程序中的杆件温度单元每个单元节点都只有杆截面平均温度一个自由度，不考虑杆截面内的温差，而在广泛用于航天结构的闭合截面薄壁杆件中，虽然沿杆截面的温差和截面平均温度相比较小，但它恰恰是引起杆件热弯曲的主要原因，在研究杆件热变形时需要考虑l - l l l5 1 1 1 6 1 。国外的一些研究除了理论和有限元模拟以外，还做了大量的实验，美国的n a s a 对卫星所处的宇宙空间热环境在地面做了模拟，得到了帆板构件和材料的一些热性能，比如热传导率，热扩散率，热膨胀系数，以及这些参量和温度的关系图等等。其中，热扩散率用a n g s t r o m 温度波方法测得：沿试件方向周期性热波由珀尔帖效应产生，热波沿试样传播时的相位变化和热幅射衰减用两个热耦计测得，然后根据这两个参量就可以来计算热扩散率；然后根据测得的热扩散率，就可以通过下式来计算热传导率：q 一心。d ，其中y 为热扩散率，c p 为热容量，d 为密度。通过这些试验，n a s a 模拟出了处于宇宙空间的太阳能帆板的温度场1 1 7 l 。美国和俄罗斯为国际空间站合作研究新型的太阳能帆板时，通过实验对太阳能帆板的温度场进行模拟。下图给出了他们的实验装置。多余氮气捧孔加热暑液氮1 上u 吊一。下u霪藤蕊懋簦瓣器鞫辩鳓霆霞。山 一|l。队兰国f_一试样块加热区震囊-一一。震一冷却区鬻i _ 牛手f l一鞫鬻荦；t z t 渊搿震畿趱懑瓣? 。：= o ：2 0图卜2 热循环设备西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页他们制作了两块用光电太阳能电池( 美国提供) 排列成5x3 电池矩阵和一个旁路二极管组成的试样，然后将两块试样组装在模板( 俄罗斯提供) 上，每个测试件大小为4 5 7 m m x 2 5 4 m m ，以此来近似模拟太阳能帆板。把组装有试样的两块模板分别安装到试验设备的加热区和冷却区之中，每个试样块通过一上一下移动来独立地完成冷热循环，如图卜2 所示。用加热器( 烤炉) 和制冷器( 液氮) 分别对模拟帆板的试样块进行加热和降温，加热和降温的过程由计算机控制完成，可以使试样块的温度变化范围在一1 9 0 到+ 1 2 0 之间，加热区和冷却区的温度可以由安装在两个区域中的热电偶测得，并且可以通过热电偶对温度的变化进行记录，这样就模拟出了太阳能帆板在工作时所处的温度场。另外，在每个试样块的背面的一些测试点也安装了热电偶来测定试样块上光电太阳能电池的温度，当温度超过+ 8 0 或低于一1 0 0 时，试样块就会自动地降到冷却区或上升到加热区，这样就可以实现试样的循环温度为- 1 0 0 + 8 0 。通过这样的温度交替变化，使得模拟太阳能帆板的试样块承受了一个温度循环，根据两个国家的实验结果，他们所用的帆板模拟试验在承受了2 4 0 0 0 个一1 0 0 到+ 8 0 之间的热循环而不破坏，也就是说，这种用美国的太阳能电池模块配上俄罗斯的支撑结构制成的太阳能帆板在近地球轨道运行4 年不会因为热循环而导致破坏1 1 8 】。美国n a s a 的研究人员通过对太阳能帆板构件各处测得的辐射率的计算，并且与使用s e r t s ( 电子与无线电技师学会) 光谱和太阳单色光照相测太阳能帆板温度场的方法进行了比较，得到了较为精确的测试方法，即利用测太阳能帆板构件各处所辐射的热能波长的不同，再通过相应的计算来得到帆板的温度场i t g l ；有些学者还用无线电装置和太阳辐射的干涉测量法直接对太阳能帆板的温度场进行测量，通过照片反映出帆板各点的温度值i z o i 【2 l l1 2 2 i1 2 3 1 ，比如，要测试太阳能帆板某一区域的温度，可以取一定频率范围内，对亮度进行拍照记录，而不同的频率值对应的亮度有明显的差别，这个差别又呈现冠状环，冠状环的每条回旋发散线就表示一个单一的温度值，这种亮度型谱的产生是由于在特定的频率下各条发散线代表的温度值比周围其它发散线会有所提高1 2 0 l 。西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页1 2 4 空间热循环引起太阳能帆板热疲劳失效关于太阳能帆板的热疲劳研究目前国内外都还很少。美国的n a s a 曾经对太阳能帆板材料做过一些热性能试验和疲劳性能试验，得到太阳能帆板材料以及可能作为帆板新材料的疲劳寿命和应力循环关系，还得到了一系列材料的热性能，如帆板材料特殊的热容量、热扩散率和温度的关系、热传导率和温度的关系、热膨胀系数与温度的关系等等1 1 7 l 。关于这些材料热性能实验已经在本文1 2 3 小节中做了介绍，这里主要介绍n a s a 所做的帆板新材料的疲劳试验。虽然n a s a 做的是机械疲劳，但是由于热疲劳的研究首先是将热循环转化成应力循环，和机械疲劳相同，因此热疲劳寿命和机械疲劳寿命具有可比性，并且本文计算时所选取的材料性能正是文献1 7 所给出的材料参数，所以在这里对n a s a 所做的太阳能帆板新材料的机械疲劳做一个详细介绍。n a s a 主要测试了帆板新材料的疲劳裂纹扩展率和弯曲疲劳寿命两个方面。在做疲劳裂纹扩展率时，取的是中间带初始穿透裂纹的条状试样，进行拉伸一拉伸试验，得到了裂纹长度和拉伸循环次数之间的关系( 即裂纹扩展率) ，并用柔度法和光学测试法分别来测量裂纹长度，将两种方法的测试结果进行比较，如下图所示。图1 - 3 裂纹长度和循环次数的关系图西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页从上图我们可以看到，用两种方法测得的结果非常接近，这说明了实验结果的裂纹长度和拉伸循环次数的关系( 即裂纹扩展率) 的准确性。在做弯曲疲劳寿命时，取的是一定长度的悬臂梁试样，在旋转疲劳试验机上完成，通过调节所压重物的力臂长度和重量来设定弯矩。由于难以校准载荷，因此用应变标准尺来测量应变然后来计算应力。下表给出了用四种方法计算的最大应力值，以及对应的疲劳寿命。s p e c i m e nc y c l 鹤t om a x i m u m $ 1 z s sv a t mo b t a i n e dt 控i j z gf e u r 燃( 嫡)a v m g e s m d a , dd瞄l u r es z r c s s：d e v i a i o na 印l i 。dt h e o r e t i a dm e z s u r e dm e a s u r e dl o l ds l o p e ，s l o p e s z m e ,o $ l s p & zo 霉e ，h 捧懈soz 勾-ot l 良l o l4 6 0 3 6 3 63 2 锅药8 33 1 3 2 $2 7 3l 酋m7 3 0 0 0弘o i2 6 7 83 l 以3 0 圆3 6 6l 阻【j r 31 1 5 0 0 0嬲7 42 4 2 72 0 盼2 2 酪筋。1 43 3 6秘l l拍5 0 2 4 3 252 3 2 1l7 6 61 8 ，4 82 1 o 毒：，j l9 - l - l 27 3 5 0 2 1 1 l1 9 1 7 3 l1 7 0 51 8 6 4it 皇8争l - 工31 6 1 5 0 0 01 8 2 91 7 o l ii 3 9 噻1 4 。1 91 5 鹤2 1 3参l 3 3 0 1 5 5 61 5 ，1 81 2 2 5i 乏7 61 3 9 3 l 所 乒l 11 1 9 0 0 03 2 4 82 8 。6 53 1 2 43 0 - 7 9l 粥弘l 21 5 3 0 3 4 斡2 7 7 4荔8 i3 0 8 5 |3 7 3l m 王，l1 9 9 0 0 0孢4 3荔8 l2 6 4 42 6 舵勰们1 9 0l m l 22 5 6 0 0 02 9 1 4筠3 02 馥6 72 3 4 32 4 6 33 j 51 0 l - 34 3 9 0 0 d2 2 粥2 4 2 0 1 72 1 3 42 2 1 2i 7 l 务l 34 4 4 0 0 02 5 5 22 4 7 91 9 9 62 1 3 42 2 9 02 醴1 0 l - 45 4 5 0 0 02 7 2 22 8 4 62 乞毒32 4 弱2 3 42 6 6l o l 59 6 2 0 0 01 7 8 71 4 8 21 5 6 21 6 1 0l 冀l l 41 4 7 4 0 0 0 01 8 3 31 5 2 01 2 2 31 1 6 61 4 3 63 所l o l - 6 ；2 4 8 蜊 0 0 0 01 5 6 l1 5 0 31 2 9 51 3 3 i1 4 2 21 3 0l o l 72 5 3 7 9 0 0 01 8 7 31 7 1 5 81 4 9 l1 5 6 21 6 7 l1 7 6由于在做弯曲疲劳寿命时用的是旋转疲劳试验机，因此上表给出的最大应力实际上是一个幅值，且最大压应力和拉应力的绝对值相同，即对称应力循环。另外，本文计算时所选取的材料参数和上表中所用到的材料西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页相同，因此这个表中所给出的疲劳寿命结果将会作为本文计算得到的热疲劳寿命的一个比较依据和参考。除此之外，关于太阳能帆板的热疲劳实验，n a s a 还通过试验计算了太阳能帆板焊接处以及长时间暴露在热循环中仪表的结构疲劳。在完成1 7 2 0 0 0 次循环( 一1 8 0 到+ 1 2 0 ) 后地面测试仪器性能表现出一个微小的下降( 最大值约百分之六) 。这种下降主要是由于热应力产生了一个波形影响，导致了在铜线路中的疲劳裂纹以及太阳能电池和连接处一系列电阻的增加。这些疲劳裂纹以及太阳能电池和连接处电阻的增加大大缩短了太阳能帆板的使用寿命。美国的l e w is 研究中心曾经对空间站的太阳能帆板做过疲劳分析，他们所用的有限元软件是m s c n a s t r a n ，在具体的计算分析过程中，他们做了全模型分析，静态的和非线性弹塑性分析，以及屈服和瞬间塑性分析，在完成了这些结构的分析之后，再利用得到的应变、材料的强度极限和延性系数通过疲劳理论( m a n s o n c o f f i n 公式) 来计算帆板的疲劳寿命，关于疲劳理论将在1 2 5 小节中介绍。在整个分析当中，主要是对帆板的铜接头处做了疲劳计算，最低温度取的是一9 0 ，最高温度取7 0 ，而温度作为分析当中的输入参数直接输入1 2 4 1 ；国外学者在研究太阳能帆板的热疲劳问题时，主要研究的是构件的热一机械环境、光滑试样或含预制裂纹试样的疲劳裂纹的产生和扩展，另外还有一部分研究的是蠕变、疲劳和交变温度环境的交互作用，以及热一机械疲劳对真空环境中太阳能电池的影响、辐射对高温机械性能的作用、高周疲劳技术的应用1 2 5 l ，等等。1 2 5 疲劳理论的研究疲劳现象的出现，始于1 9 世纪初叶。产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零构件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一时使工程师们摸不着头脑，直到1 8 2 9 年德国采矿工程师w a s a l b e r t 用矿山卷扬机焊接链条西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。1 8 5 2 年到1 8 7 0 年，德国的工程师a u g u s tw o h l e r 首次对疲劳进行了深入系统的试验研究，而且他设计出了第一台疲劳试验机，用来进行机车车轴疲劳试验，并首次对金属试样进行疲劳试验。他在1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了s n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素。因此a u g u s tw o h l c r 被公认为是疲劳的奠基人，而s n曲线又称为w o h l e r 曲线。与此同时，其他工程师开始关注变幅载荷在桥梁、船舶、发电机中的问题。截至到1 9 0 0 年，与疲劳失效相关的论文已经发表8 0 余篇。在2 0 世纪初叶，人们更关注疲劳过程的机理而不仅仅观察疲劳结果。在20 世纪6 0 年代末期和2 0 世纪7 0 年代初期，发展起来了两种疲劳寿命估算方法。其一就是著名的m a n s o n c o f f i n 局部应变法，此法试图描述和预测裂纹萌生寿命，奠定了低周疲劳的基础。另一方法是基于线弹性断裂力学( l e f m ) ，它用来解释裂纹扩展。更近一点的，英国谢菲尔德大学的m i l l e r 和他同事提出了金属疲劳的标准理论，该理论描述了微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展以及在结构水平下的裂纹扩展。大量事实表明：现代的设计分析师和工程师仅通过试验是不能设计和提高零件的抗疲劳性能。从实用的观点来看，更有效的方法是有效利用现有的知识。那么，目前对于疲劳的研究，其范围可以归纳为三个方面：1 、疲劳微观机理，包括：疲劳成因、疲劳裂纹形核过程、循环加载中材料组织性能的变化、裂纹扩展机理、疲劳断口形貌等；2 、疲劳宏观理论，包括：疲劳累积损伤理论、疲劳裂纹扩展理论、剩余强度理论、疲劳统计理论等；3 、疲劳实验科学，包括：疲劳荷载测量、荷载谱统计方法、疲劳试验机设计、数据的整理分析等。从工程观点来看，以应力、应变分析为基础的方法是一个重要的方法。由于本文的疲劳计算是以应力分析为基础的，即应力疲劳，因此，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页本小节着重介绍应力疲劳的一些理论知识。应力疲劳曲线，又称s n 曲线，是用名义应力法估算构件疲劳寿命的主要依据之一。根据s n 曲线，有可能确定材料的疲劳极限。疲劳极限在理论研究和工程应用中，均具有重要的意义，因为它是评价材料的疲劳性能和影响长寿命区内材料的疲劳强度的主要参数之一；在工程应用中，它是构件无限寿命设计的主要依据，在购机的寿命估算和模拟实验中，它又是省略荷载谱中的小载荷的主要依据。所谓疲劳极限，在理论上可以定义为：试件可经受无限的应力循环而不发生疲劳失效，即n f一，所能承受的上限循环应力；在工程实践中，常将疲劳极限定义为：在给定的寿命下，试件所能承受的循环应力【4 7 1 。我国和世界上很多国家已经投入了大量的人力和经费，测定了结构材料的s n 曲线和疲劳极限。用实验来测定疲劳极限需要耗费大量的时间，因此，试图找到疲劳极限o 1 与比较容易测定的拉伸性能间的关系，通常总是给出o 1 与抗拉强度ob 之间的经验关系式。对于1 7b 1 8 0 0 m p a的钢o r 1 0 5 0 b( 1 - 1 )对于镁合金、铜合金和镍合金o r l = 0 3 5 0 b( 1 2 )对于铝合金o r 1 1 4 9 0 r 6 0 b( 1 3 )本文在给出材料的s n 曲线时，也是通过在m s c f a t i g u e 中输入抗拉强度来得到疲劳极限。目前常用的应力疲劳公式是b a s q u i n 在1 9 1 0 年提出：o r 。= o r ；( 2 n ，户( 1 - 4 )其中，o 。为应力幅，o r a a o r 2 ；是疲劳强度系数( 对于大多数金属，它非常接近经过颈缩修正的单向拉伸真断裂强度of ) ，b 称为疲劳强度指数或b a s q u i n 指数，对应大多数金属，其值在0 0 5 到0 1 2 范围内变动，这两个值均西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页可以由实验测得【4 8 】。另外，上世纪6 0 年代，w e i b u l l 提出的应力疲劳公式为：n ，= s r ( s 。一s 。广( 1 5 )式中s f 、b 、s 。是常数，所以又叫三参数疲劳公式。其中，b 0 ，s 。是理论应力疲劳极限；显然，当s 。s 。时，n f 一。这个公式与b a s q u i n公式相比，考虑了疲劳极限的存在【4 7 1 。到了上世纪九十年代以后，随着计算机技术和实验设备的发展，大量的结构材料的疲劳极限以及s n 曲线被测得，这为研究结构的疲劳破坏提供了有力的支持。1 2 6 热疲劳的研究热疲劳的研究主要有实验和有限元计算两种方法，从国内外学者和相关研究人员所发表的论文来看，又以实验的方法为主。但是热疲劳的实验由于其装置的复杂性有着较大的难度，因此目前国内外的很多研究都是对热疲劳实验装置提出一些改进措施和用以实施的方案。涉及热疲劳的研究领域很广，主要集中于对各种材料的热疲劳行为的研究，对不同工艺下模具钢的热疲劳性能的研究，核工业、柴油机活塞、汽轮机转子、燃气涡轮叶片、发动机、锅炉、飞机空气散热器、车轮、车床刀具、铁路列车制动盘材料、p c 机晶体管等等众多领域。可见热疲劳研究对于促进工业的进步，实现科技的发展以及提高各个领域设备的安全性和延长设备的寿命都有着重要的意义。关于热疲劳的实验，主要是提出一个可控制温度循环变化并能够测定温度变化的装置，即给出一个温度循环方式。国内外很多研究单位和相关机构生产研发了一系列不同的实验设备，用以测试一些材料和相应产品的热疲劳性能，比如：1 ) 国内在研究模具钢时采用电炉加热，通过热电偶测定试件表面温度( 即固定炉温8 5 0 ，测出加热时间与试件表面温度关系曲线) ，通过控制加热时间确定试件表面温度，循环水冷却，下限表面温度为2 5 左右，实验结果表明：模具材料存在一个瓦值，当丁 a t 0 时，热疲劳西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页寿命趋于，而热疲劳裂纹起始寿命与表面温度变化范围之间的关系可用下式描述1 2 1 ：n i = k ( 丁一瓦) - - l( 1 1 )在研究列车车轮材料铸钢时采用碳硅棒辐射加热的冷热疲劳试验机，冷却介质为室温循环水，实验结果表明：表面氧化腐蚀坑及裂纹是车轮铸钢热疲劳损伤的两种主要形式：在低循环温度范围，表面氧化轻微，形成少量表面氧化腐蚀坑；当循环上限温度高时，表面氧化严重，厚氧化膜剥落，大量的氧化腐蚀坑及微裂纹形成与发展为细长裂纹是主要的损伤特征。另外，在该试验条件下还确定了车轮铸钢的循环温度范围与热循环次数之间呈幂函数关系1 3 l ；北京交通大学在对铁路列车制动盘常用材料的热疲劳性能研究时采用了自行设计的热疲劳试验装置一一电炉傍热式自约束型热疲劳试验装置，材料在炉内加热至7 5 0 后自动移出，为加速热疲劳裂纹的产生，采用循环水冷却，水温保持在2 0 ，试样在水中停留2 0 秒，实验结果表明：依据热疲劳抗力评定指标r ，可以对材料的热疲劳性能做出预测判断，为制动盘候选材料的确定提供一种新的思路和方法1 4 l ，其中r 为：da 吼6rt 三一q e( 1 2 )上式中瓯为抗拉强度，单位为：m p a ：e 为弹性模量，单位为：m p a ；口为热膨胀系数，单位为：k - 1 ；a 为热扩散率，单位为：m 2 s ；6 为伸长率。西安交大在做翅片管热疲劳试验时采用了由高温油回路、空气回路、冷却水回路及温控系统组成的实验系统，该实验首次建立了以高温导热油为载体的接触热阻试验台，可对整体轧制双金属翅片管束及缠绕式翅片管束进行低温、高温热疲劳试验，热疲劳的最高温度已达2 8 2 ，满足了国际上对整体轧制双金属翅片管最高使用温度为2 8 0 的要求。该实验还提出了接近工业操作工况的管内用高温导热油加热，管外在吸风式风洞中冷却的管束整体热疲劳方法及热疲劳试验条件与接触热阻测定条件分开的方法。该实验建立的以高温导热油为载体的翅片管束接触热阻试验台及提出的热疲劳试验与接触热阻测定方法，可推广用于石油化工、大型西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页动力电站和核电站的空冷器、空调及制冷装置中的各类翅片管