CN116176049A - 一种曲面型太阳电池阵基板结构及其研制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面型太阳电池阵基板结构及其研制方法，属于航天器结构研制技术领域，其特征在于，包括有孔铝蜂窝；在所述有孔铝蜂窝的上表面和下表面设置有曲面构型的蒙皮；所述有孔铝蜂窝和蒙皮之间通过热破胶膜连接；所述有孔铝蜂窝的侧壁设置有粘接预埋件的发泡胶；在上侧蒙皮的上表面设置有聚酰亚胺薄膜。通过采用上述技术方案，本发明能够实现基板曲面成型，尺寸误差小、结构质量轻、力学性能好、材料成本低、耐高温等技术效果。

Description

一种曲面型太阳电池阵基板结构及其研制方法
技术领域
本发明属于航天器结构研制技术领域，具体涉及一种曲面型太阳电池阵基板结构及其研制方法。
背景技术
太阳电池阵基板作为航天器的发电系统承载结构，为太阳电池阵的电池组件和电路的安装提供了载体，在空间环境中，太阳电池阵基板是舱外结构，受到的温度交变和振动冲击影响较大，随着航天器技术的发展，要求结构具有更高的环境适应能力的同时，也同样要求结构向重量更轻、成本更低、构型更多样方向发展。电池阵基板能够实现与航天器结构如天线、多层等的一体化设计是目前行业内实现轻量化低成本发展的重要方向。
目前铝蜂窝基板结构厚度设计在15～25mm之间，且均为平面构型的展开板，质量大、散热差还增加了展开机构设计的开支，难以适应未来发展。
综上所述，现有技术中太阳电池阵基板的构型单一、质量大、成本高、环境适应性差等缺陷。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，公开了一种曲面型太阳电池阵基板结构及其研制方法，目的在于能够实现基板曲面成型，尺寸误差小、结构质量轻、力学性能好、材料成本低、耐高温等技术效果。
本发明的第一目的是提供一种曲面型太阳电池阵基板结构，包括有孔铝蜂窝；在所述有孔铝蜂窝的上表面和下表面设置有曲面构型的蒙皮；所述有孔铝蜂窝和蒙皮之间通过热破胶膜连接；所述有孔铝蜂窝的侧壁设置有粘接预埋件的发泡胶；在上侧蒙皮的上表面设置有聚酰亚胺薄膜。
优选地，所述蒙皮采用厚度为0.3mm的碳纤维，所述碳纤维设置有间隙为4mm的栅格，所述栅格的尺寸为4mm*4mm；所述碳纤维采用树脂料进行浸润；在两个蒙皮镜面对称区域同时进行碳纤维补强；所述聚酰亚胺薄膜的厚度为0.05mm。
优选地，所述有孔铝蜂窝采用边长为6mm～10mm，厚度为8mm～15mm的有孔铝蜂窝制成。
优选地，所述热破胶膜的胶量在35～45g/m2之间，所述发泡胶的胶料填充量在0.27～0.33个蜂窝芯子体积之间，根据预埋件的电性能要求填涂导电胶。
优选地，所述预埋件采用聚酰亚胺棒料和铝。
优选地，曲面包括单曲面和双曲面；所述单曲面包括弧形和S形；所述双曲面包括马鞍形。
本发明的第二目的是提供一种曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，用于研制上述的曲面型太阳电池阵基板结构；所述研制方法包括：
S1、获取曲面型太阳电池阵基板的工作环境条件及其电性能要求；
S2、依据所述环境条件及结构电性能要求，进行构型设计，确认是单曲面还是双曲面；
S3、曲面蒙皮铺设方案设计：结合曲面的特点规定蒙皮成型的碳纤维铺设方向；
S4、热力仿真：对构型设计的结构进行模态分析，选取符合要求的固有频率的方案，进行传热分析，评估结构关注点位的温度范围，综合选取方案；
S5、加强区域拓扑优化：依据仿真得到的振型结果，对结构曲面上大跨度区域进行网格加密，在加密时要保证基板内外蒙皮对称加密，再利用计算机拓扑优化工具，对预加密区域进行裁剪；
S6、环境要求符合性仿真：依据环境考核要求对设计方案进行符合性仿真；
S7、模具设计：设计曲面成型模具，预留出温控传感器的安装位置；
S8、蒙皮制备：按照成型方案进行铺设蒙皮；
S9、材料修剪：对蒙皮和铝蜂窝进行裁剪；
S10、预装配：将制备好的预埋件安装在经裁过的铝蜂窝中；
S11、定位检验：对预埋件位置进行定位检查；
S12、胶粘剂填涂：填充预埋件附近的发泡胶，在蒙皮上下表面涂热破胶；
S13、合型封装：对蒙皮、蜂窝、预埋件进行装配合型；
S14、一次性固化：
S15、脱模修整；
S16、检验称重。
优选地，在S3中，以碳纤维网格面板经纬铺设方式，按照依模具曲率预铺设，以中心轴线旋转、在长跨度方向补强的方式实现单曲面和双曲面网格预浸料的敷设成型；依将预浸料蒙皮曲率预铺设6小时去除材料成型内应力；以中心轴线旋转分为碳纤维经纬向平行于轴线和与轴线斜交，当平行于轴线铺设时形成单曲面蒙皮，当与轴线斜交时形成双曲面蒙皮。
优选地，在S6中，按照环境考核要求对基板性能进行仿真，采用耐温200℃的发泡胶对预埋件周围采用第一圈全填充，以后每圈间隔1个芯子填充，共填充2圈。
优选地，在S14中，在合型封装后送入热压成型罐中，按照高温固化工艺进行一次高温共同固化，固化要求为固化工艺要求温度以固化模具为准，控温精度±3℃；室温起抽真空，真空表压不小于0.09MPa，升温至50℃后加外压至0.05MPa时停真空，通大气，然后继续加外压至0.15MPa；压罐与模具温差不大于40℃，压罐最高温度不高于165℃；升温速率不大于2℃/min，低于50℃岀炉。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、通过蒙皮按照依模具曲率预铺设，以中心轴线旋转、在长跨度方向补强的方式实现单曲面和双曲面网格预浸料敷设成型，有效实现了曲面成型，避免了尺寸超差。依据此方法敷设合型的基板基于曲面化理论设计，不仅具有优良的正面抗压强度，也提高了基板的固有频率。同时这种曲面敷设成型方案可以用于复杂曲面基板的表面成型工艺中，如按区域对不同去曲面情况进行敷设加强。
2、国产化的碳纤维、胶粘剂可以有效应用在本发明中，在曲面构型的设计下，结构具有更好的抗振动力学性能，因此采用边长为6mm～10mm，厚度为8mm～15mm的有孔铝蜂窝，不仅有效减小了重量，也大幅减薄了基板厚度，这对于轻量化是一个不小的改进。
3、本发明采用的胶粘剂能耐温175℃的高温，选用的预埋件材料是成本低且容易掌握的，本发明还对精准温控曲面成型模具进行了约束，要求能够控制热压过程中结构上不同位置的温度，故经过本发明规定的工艺实现程序，能够保证航天器用太阳电池阵基板的可靠性。
附图说明
图1是本发明优选实施例的工艺流程图；
图2是本发明优选实施例中的弧形单曲面的构型方案示意图；
图3是本发明优选实施例中的S型单曲面的构型方案示意图；
图4是本发明优选实施例中的双曲面构型方案示意图；
图5是本发明优选实施例中的单曲面蒙皮铺设示意图；
图6是本发明优选实施例中的双曲面蒙皮铺设示意图；
图7是本发明优选实施例中的马鞍形双曲面碳纤维铺设示意图；
图8是本发明优选实施例中的S形曲面太阳电池阵基板加强区域方案示意图；
图9是本发明优选实施例中的发泡胶填充方案示意图构型方案示意图；
图10是本发明优选实施例中的精准温控曲面成型模具示意图；
图11是本发明优选实施例中的合型工艺流程图；
图12是本发明优选实施例中的S形曲面形基板分层示意图；
图13是本发明优选实施例中图12的局部放大图。
图中：1、碳纤维；2、热破胶膜；3、有孔铝蜂窝；4、下蒙皮；5、预埋件；6、发泡胶；7、聚酰亚胺薄膜；8、产品外形刻线；9、埋件位置刻线；10、结构控温预留孔；11、埋件控温预留孔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图12至图13，一种曲面型太阳电池阵基板结构，包括有孔铝蜂窝3；在所述有孔铝蜂窝3的上表面和下表面设置有曲面构型的蒙皮，上侧蒙皮定义为上蒙皮，下侧蒙皮定义为下蒙皮4；所述有孔铝蜂窝3和蒙皮之间通过热破胶膜2连接；所述有孔铝蜂窝3的侧壁设置有粘接预埋件5的发泡胶6；在上侧蒙皮的上表面设置有聚酰亚胺薄膜7。
其中：
所述蒙皮采用厚度为0.3mm的碳纤维1，所述碳纤维设置有间隙为4mm的栅格，所述栅格的尺寸为4mm*4mm；所述碳纤维采用树脂料进行浸润；在两个蒙皮镜面对称区域同时进行碳纤维补强；所述聚酰亚胺薄膜的厚度为0.05mm。
本优选实施例中的曲面型太阳电池阵基板结构主要包括曲面构型的蒙皮、轻质铝蜂窝、胶粘剂体系、预埋件，采用曲面构型蒙皮敷设方法，利用精准温控曲面成型模具，按照工艺实现程序完成研制。其中：
曲面构型的蒙皮采用厚度为0.3mm的碳纤维，设置栅格间隙为4mm，即网格孔尺寸为4mm*4mm。采用树脂料进行浸润。上下蒙皮依照曲面构型蒙皮敷设方法进行敷设，在上下两个蒙皮镜面对称区域同时进行碳纤维补强。上蒙皮贴敷一层厚度为0.05mm的聚酰亚胺膜。该曲面构型蒙皮要在精准温控曲面成型模具上进行敷设，由碳纤维预浸料先进型预铺设，待平整静置6小时后，完成曲面构型蒙皮成型工序。
轻质铝蜂窝采用边长为6mm～10mm，厚度为8mm～15mm的有孔铝蜂窝。
胶粘剂体系：装配蒙皮与铝蜂窝采用耐温175℃的热破胶，控制胶量在35～45g/m2之间，采用涂胶法上胶。装配预埋件采用耐温200℃的发泡胶，控制胶料填充量在0.27～0.33个蜂窝芯子体积之间，同时根据预埋件电性能要求填涂导电胶，基板采用一次高温固化成型工艺。
预埋件采用低成本绝缘材料聚酰亚胺棒料和导电材料高强度铝。
曲面构型蒙皮敷设方法是以碳纤维网格面板经纬铺设方式按照依模具曲率预铺设，以中心轴线旋转、在长跨度方向补强的方式实现单曲面和双曲面网格预浸料的敷设成型。依将预浸料蒙皮曲率预铺设6小时去除材料成型内应力，保证表面平整，防止变形；以中心轴线旋转分为碳纤维经纬向平行于轴线和与轴线斜交，当平行于轴线铺设时可形成单曲面蒙皮，当与轴线斜交时可形成双曲面蒙皮，类似马鞍状；在长跨度区域补强是指对比相邻预埋件之间的跨距，大跨距之间需要加大碳纤维网格密度，若网格密闭，需要在间隔50～100mm处打直径为1mm的通气孔，加密补强方案在工艺实现程序中约束。
精准温控曲面成型模具：要求在曲面成型支撑的基础上，布置温控传感器的预留空间，对基板关键堆成位置区域、预埋件区域进行温控，避免成型后尺寸超差。
请参阅图1，一种曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，用于研制上述的曲面型太阳电池阵基板结构；所述研制方法包括：
S1、获取曲面型太阳电池阵基板的工作环境条件及其电性能要求；
S2、依据所述环境条件及结构电性能要求，进行构型设计，确认是单曲面还是双曲面；
S3、曲面蒙皮铺设方案设计：结合曲面的特点规定蒙皮成型的碳纤维铺设方向；
S4、热力仿真：对构型设计的结构进行模态分析，选取符合要求的固有频率的方案，进行传热分析，评估结构关注点位的温度范围，综合选取方案；
S5、加强区域拓扑优化：依据仿真得到的振型结果，对结构曲面上大跨度区域进行网格加密，在加密时要保证基板内外蒙皮对称加密，再利用计算机拓扑优化工具，对预加密区域进行裁剪；
S6、环境要求符合性仿真：依据环境考核要求对设计方案进行符合性仿真；
S7、模具设计：设计曲面成型模具，预留出温控传感器的安装位置；
S8、蒙皮制备：按照成型方案进行铺设蒙皮；
S9、材料修剪：对蒙皮和铝蜂窝进行裁剪；
S10、预装配：将制备好的预埋件安装在经裁过的铝蜂窝中；
S11、定位检验：对预埋件位置进行定位检查；
S12、胶粘剂填涂：填充预埋件附近的发泡胶，在蒙皮上下表面涂热破胶；
S13、合型封装：对蒙皮、蜂窝、预埋件进行装配合型；
S14、一次性固化：
S15、脱模修整；
S16、检验称重。
依据工艺实现程序，制定详细的流程方案如图1所示，依据环境条件及结构电性能要求，进行构型设计，确认是单曲面还是双曲面，再结合曲面特点规定蒙皮成型的碳纤维铺设方向；对构型设计的结构进行模态分析，选取固有频率高的方案，进行传热分析，评估结构关注点位的温度范围，综合选取方案；依据仿真得到的振型结果，对结构曲面上大跨度区域进行网格加密，再加密时要保证基板内外蒙皮对称加密，有助于防止固化后尺寸超差，再利用计算机拓扑优化工具，对预加密区域进行裁剪，有效减少用料，节省成本，减轻重量；依据环境考核要求对设计方案进行符合性仿真，尤其补充胶粘结构部位的工艺仿真，保证结构不发生脱粘、鼓裂等破坏；设计曲面成型模具，预留出关键温控传感器安装位置；蒙皮按照成型方案进行铺设；对蒙皮和铝蜂窝进行裁剪；将制备好的预埋件安装在经裁过的铝蜂窝中；对预埋件位置进行定位检查；填充预埋件附近的发泡胶，在蒙皮上下表面涂热破胶；合型封装后送入热压成型罐中，按照高温固化工艺进行一次高温共同固化；最后进行出罐后的脱模修整，进行检验称重，完成验收。
在构型设计阶段，可以将曲面分为一般曲面和复杂曲面，对于一般曲面而言，主要是指如弧面形式的单曲面和以直母线绘制出的双曲面。而复杂曲面也可以进行区域细分为一般曲面进行处理。曲面化构型设计的好处其结构刚度和强度性能会明显上升，加之以曲面化理论为基础，大面积减薄型太阳电池阵基板采用曲面结构，会大大提高其力学性能。如图2～图4所示，本案例在构型阶段设计了弧形单曲面、S型单曲面以及一个双曲面的构型方案；
在曲面蒙皮铺设方案设计阶段，以碳纤维网格面板经纬铺设方式按照依模具曲率预铺设，以中心轴线旋转、在长跨度方向补强的方式实现单曲面和双曲面网格预浸料的敷设成型。依将预浸料蒙皮曲率预铺设6小时去除材料成型内应力，保证表面平整，防止变形；以中心轴线旋转分为碳纤维经纬向平行于轴线和与轴线斜交，当平行于轴线铺设时可形成单曲面蒙皮，如图5所示，当与轴线斜交时可形成双曲面蒙皮，如图6所示，曲面敷设碳纤维类似马鞍状，如图7所示。采用这种方法的原因是由于其铺设的碳纤维多为直线，这提高了蒙皮成型后的刚度，增强了结构的力学性能；
在热力仿真阶段，要对构型设计的结构进行模态分析，选取固有频率高的方案，进行传热分析，评估结构关注点位的温度范围，综合选取方案。如表1所示，S形构型方案综合最优；
表1为热力仿真结果
基板构型 一阶频率(Hz) 振型特点 高温时温度响应范围(℃)
弧形单曲面 42.3 垂直于板面 148～152
S形单曲面 85.0 扭转 145～153
马鞍形双曲面 93.6 扭转 136～182
在加强区域拓扑优化阶段，规划需要加强的包络区域，再利用计算机拓扑优化工具，对预加密区域进行裁剪，有效减少用料，节省成本，减轻重量。得到了如图8所示的加强区域尺寸；
在环境要求符合性仿真阶段，需要按照环境考核要求对基板性能进行仿真，属于一般性力学分析工作，不再赘述，其中发泡胶等胶粘剂的填料方式和填料量需要进行计算或仿真，如图9所示，采用耐温200℃的发泡胶对预埋件周围采用第一圈全填充，以后每圈间隔1个芯子填充，共填充2圈，控制胶料填充量在0.27～0.33个蜂窝芯子体积之间；
在模具设计阶段，设计曲面成型模具，预留出关键温控传感器安装位置，如图10所示，为S形太阳电池阵曲面基板制备专用模具；表面的矩形框横边为产品外形刻线8，表面的矩形框竖边为埋件位置刻线9，矩形框内的白点为结构控温预留孔10，产品外形刻线8上设有埋件控温预留孔11；
在蒙皮制备阶段，按照成型方案进行铺设；
在材料修剪阶段，对蒙皮和铝蜂窝进行裁剪；
在预装配阶段，将制备好的预埋件安装在经裁过的铝蜂窝中；
在定位检验阶段，对预埋件位置进行定位检查；
在胶粘剂填涂阶段，填充预埋件附近的发泡胶，在蒙皮上下表面涂热破胶，合型工艺流程如图11所示；
在合型封装后送入热压成型罐中，按照高温固化工艺进行一次高温共同固化，固化要求为固化工艺要求温度以固化模具为准，控温精度±3℃；室温起抽真空，真空表压不小于0.09MPa，升温至50℃后加外压至0.05MPa时停真空，通大气，然后继续加外压至0.15MPa；压罐与模具温差不大于40℃，压罐最高温度不高于165℃；升温速率不大于2℃/min，低于50℃岀炉；
最后进行出罐后的脱模修整，进行检验称重，完成验收，基板分层示意如图12和图13所示。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，包括有孔铝蜂窝(3)；在所述有孔铝蜂窝(3)的上表面和下表面设置有曲面构型的蒙皮；所述有孔铝蜂窝(3)和蒙皮之间通过热破胶膜(2)连接；所述有孔铝蜂窝(3)的侧壁设置有粘接预埋件(5)的发泡胶(6)；在上侧蒙皮的上表面设置有聚酰亚胺薄膜(7)。
2.根据权利要求1所述曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，所述蒙皮采用厚度为0.3mm的碳纤维(1)，所述碳纤维(1)设置有间隙为4mm的栅格，所述栅格的尺寸为4mm*4mm；所述碳纤维(1)采用树脂料进行浸润；在两个蒙皮镜面对称区域同时进行碳纤维补强；所述聚酰亚胺薄膜(7)的厚度为0.05mm。
3.根据权利要求1所述曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，所述有孔铝蜂窝(3)采用边长为6mm～10mm，厚度为8mm～15mm的有孔铝蜂窝制成。
4.根据权利要求1所述曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，所述热破胶膜(2)的胶量在35～45g/m2之间，所述发泡胶(6)的胶料填充量在0.27～0.33个蜂窝芯子体积之间，根据预埋件(5)的电性能要求填涂导电胶。
5.根据权利要求1所述曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，所述预埋件(5)采用聚酰亚胺棒料和铝。
6.根据权利要求1所述曲面型太阳电池阵基板结构，其特征在于，曲面包括单曲面和双曲面；所述单曲面包括弧形和S形；所述双曲面包括马鞍形。
7.一种曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，其特征在于，用于研制权利要求1-6任一项所述的曲面型太阳电池阵基板结构；所述研制方法包括：
S1、获取曲面型太阳电池阵基板的工作环境条件及其电性能要求；
S2、依据所述环境条件及结构电性能要求，进行构型设计，确认是单曲面还是双曲面；
S3、曲面蒙皮铺设方案设计：结合曲面的特点规定蒙皮成型的碳纤维铺设方向；
S4、热力仿真：对构型设计的结构进行模态分析，选取符合要求的固有频率的方案，进行传热分析，评估结构关注点位的温度范围，综合选取方案；
S5、加强区域拓扑优化：依据仿真得到的振型结果，对结构曲面上大跨度区域进行网格加密，在加密时要保证基板内外蒙皮对称加密，再利用计算机拓扑优化工具，对预加密区域进行裁剪；
S6、环境要求符合性仿真：依据环境考核要求对设计方案进行符合性仿真；
S7、模具设计：设计曲面成型模具，预留出温控传感器的安装位置；
S8、蒙皮制备：按照成型方案进行铺设蒙皮；
S9、材料修剪：对蒙皮和铝蜂窝进行裁剪；
S10、预装配：将制备好的预埋件安装在经裁过的铝蜂窝中；
S11、定位检验：对预埋件位置进行定位检查；
S12、胶粘剂填涂：填充预埋件附近的发泡胶，在蒙皮上下表面涂热破胶；
S13、合型封装：对蒙皮、蜂窝、预埋件进行装配合型；
S14、一次性固化：
S15、脱模修整；
S16、检验称重。
8.根据权利要求7所述的曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，其特征在于，在S3中，以碳纤维网格面板经纬铺设方式，按照依模具曲率预铺设，以中心轴线旋转、在长跨度方向补强的方式实现单曲面和双曲面网格预浸料的敷设成型；依将预浸料蒙皮曲率预铺设6小时去除材料成型内应力；以中心轴线旋转分为碳纤维经纬向平行于轴线和与轴线斜交，当平行于轴线铺设时形成单曲面蒙皮，当与轴线斜交时形成双曲面蒙皮。
9.根据权利要求7所述的曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，其特征在于，在S6中，按照环境考核要求对基板性能进行仿真，采用耐温200℃的发泡胶对预埋件周围采用第一圈全填充，以后每圈间隔1个芯子填充，共填充2圈。
10.根据权利要求7所述的曲面型太阳电池阵基板结构的研制方法，其特征在于，在S14中，在合型封装后送入热压成型罐中，按照高温固化工艺进行一次高温共同固化。
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