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基于ABAQUS的空间电缆传热分析与试验验证

万玉敏1，张幻实2，高丽敏2，胡震东2，张发2*

（1.北京航空航天大学科学技术协会，北京100191；2.中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研

究中心，北京102211）

摘要：本文基于ABAQUS/CAE结合周期性边界条件构建空间电缆代表性体积单元（RVE），利用

ABAQUS/standard求解器计算空间电缆热-力耦合效应。设计2层铜导线及3层聚酰亚胺薄膜（PI膜）粘

接形成试验件，并将其置于+120℃~-120℃环境载荷中研究其热传递效应及热力耦合关系。通过原位布置

光纤实时监测由热传递引起的点应变变化。然后采用广义胡可定律对试验结果进行了分解并与ABAQUS

计算结果进行了对标。结果显示，基于ABAQUS的RVE方法计算得到的应变状态与试验结果高度一致，

从而验证了有限元方法的有效性。为空间电缆设计及热疲劳寿命评估提供了可靠的理论分析参考。

关键词：ABAQUS；空间电缆；热传递；光纤；热力耦合

引言

航天器在轨服役过程中，表面材料要经受太阳电磁射线、电子及质子等带电粒子、原子氧、微流星及

空间轨道碎片、高真空以及大范围循环波动的热载荷等各种极端苛刻复杂的空间环境因素的直接作用。美

国宇航局(NASA)于1990年回收了在低地球轨道中运行了69个月的长期暴露装置，对其多种材料进行了低

轨道环境效应研究。结果表明：低地球轨道中的原子氧对材料表面腐蚀可导致材料性能退化；空间辐射可

使有机材料性能劣化；热环境循环可造成材料尺寸不稳定和机械性能退化；微流星体和空间碎片撞击可造

成材料机械损伤甚至破坏；而超高真空则会导致有机材料分解蜕变、放气。值得注意的是，这些因素往往

协同作用，加速了材料的破坏，产生许多意想不到的结果。随着开发利用空间资源的日益增长，对航天器

的设计寿命和可靠性提出了更高的要求，尤其是大型永久性载人空间站的建设，使得关于空间环境对材料

影响的研究越来越显示出重要性和紧迫性。研究材料的低地球轨道环境效应、开发满足航天器性能要求且

对空间环境有较好适应性和耐久性的材料已成为一个热点课题。

航天器在低地球轨道运行期间需要反复进出地球阴影，环境温度将发生剧烈交替变化。这种长期的热

循环效应对于热膨胀系数不同的复合结构而言，内部将产生热应力。长期作用会导致复合结构内部产生微

裂纹甚至界面脱粘，从而导致材料机械性能发生退化，对在轨航天器的稳定性、安全与寿命造成威胁。

电缆作为航天器裸漏在外不可或缺的能源传输通道，其严酷热环境稳定性研究是产品开发必经之路。

本文针对扁平式电池板间空间电缆多层结构进行热载荷分析，其结构由聚酰亚胺膜和铜导线通过环氧树脂

类胶粘接而成。该结构的优点是粘结强度高，耐辐照性能好，可继承地面印制电路板的成熟工艺，可制备

良好。缺点是高低温下性能变化差异大，在低温下剥离强度低等。对于以上可能限制空间电缆使用寿命的

问题，在缺乏理论支持的前提下，本文基于ABAQUS软件开展代表性体积单元模型分析。然后借助均匀

化理论与周期性边界条件扩展到整个复合材料试样，对电缆热传导与热力耦合效应进行深入研究。最后利

用光纤光栅技术监测试验件原位温度引起的应变变化，从而验证有限元模型的有效性，对空间电缆结构的

*为通讯作者

张发，高级工程师，主要研究方向：复合材料结构模拟仿真与强度计算.邮箱：zhangfa@comac.cc

环境适应性做出可靠评估。

1.试验件

电缆结构设计如图1所示，共含13层，其中环氧胶粘剂共4层，粘结面均为聚酰亚胺/铜导线。电缆

两侧的聚酰亚胺表面均涂有硅氧烷防原子氧涂层，硅氧烷涂层外贴有聚酰亚胺胶带。铜芯厚度为70μm，

间距为1mm。光纤光栅（FBG）直径为50μm，布置在环氧胶中，用于测量环氧树脂的温度-应变变化关系。

PI膜-25?m铜导线

环氧胶-25?m

70?m

2-8.4mm

图1电缆结构及光纤光栅布置示意图

放入环境箱试验件的尺寸500*250mm，铜芯宽度为2mm或8mm，光纤光栅传感器铺设在两根铜芯之

间，电缆实物如图2所示。

图2电缆试验件实物照片

选取6组试验件进行试验，其结构特征及光纤编号如表1所示，光纤布置位置如图3所示。试验件有

人字形和平板两种，铜宽度为2mm和8mm，平板两根光栅分别设定为编号“i-101”和“i-102”；人字尖试验

件，一根光栅距离折叠处20mm，设定编号为“i-20”；另一根光栅距离折叠处50mm，设定编号为“i-50”。

表1有限元模型与试验件对照表

模型编号结构特征试验件编号(i)铜线宽度（mm）铜线间距（mm）

ModelA平板三8