基于Laminate Tools的機(jī)載天線罩力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

費(fèi) 蓮，吳敬凱，孫明琦，梁震濤

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于Laminate Tools的機(jī)載天線罩力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

費(fèi) 蓮，吳敬凱，孫明琦，梁震濤

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

由于優(yōu)異的物理力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性，復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩中得到了廣泛應(yīng)用。文中基于Laminate Tools軟件對(duì)某機(jī)載雷達(dá)天線罩的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模、力學(xué)仿真及可視化檢查，并結(jié)合初步分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重優(yōu)化，探討了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、制造一體化的可行性。結(jié)果表明，結(jié)合通用軟件Patran/Nastran，可方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料鋪層、三維和褶皺顯示、力學(xué)計(jì)算、失效分析及展平圖輸出等一系列功能，為復(fù)合材料的一體化設(shè)計(jì)提供了流程參考。

天線罩；復(fù)合材料；力學(xué)仿真；可視化

引 言

天線罩安裝在天線外面，使天線不因風(fēng)沙雨雪等惡劣環(huán)境和外部碰撞沖擊而受到損害，同時(shí)天線罩還要對(duì)電磁波保持透明，以提升雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性和使用壽命。因此，對(duì)天線罩的設(shè)計(jì)要求就很高：首先，天線罩不得影響天線發(fā)射和接收電磁波以滿足電性能的要求；其次，機(jī)載天線罩要承擔(dān)氣動(dòng)力，耐受冰雹及飛鳥等的沖擊，要有足夠的剛度和強(qiáng)度[1-4]。因此，在天線罩的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義，能大大縮短研制周期，節(jié)約設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本。

天線罩一般選用透波性能好的復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合材料鋪層的纖維方向、覆蓋范圍、引起皺褶的區(qū)域、鋪層順序、初始鋪設(shè)點(diǎn)等因素會(huì)明顯影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，同時(shí)，這些也是工藝制造必須要考慮的重要因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、制造一體化中要予以綜合考慮。也就是說(shuō)，在將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)委托給車間進(jìn)行加工制造之前，很有必要對(duì)復(fù)合材料的鋪層工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)先進(jìn)行模擬仿真、驗(yàn)證和優(yōu)化，并輸出滿足精確加工需要的鋪層信息。

本文基于商業(yè)軟件Laminate Tools對(duì)某機(jī)載雷達(dá)天線罩的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋪層設(shè)計(jì)、力學(xué)分析和失效檢查，探討了設(shè)計(jì)、分析、制造一體化的可行性。首先，在可視化環(huán)境里逐步實(shí)現(xiàn)鋪層方案，通過(guò)鋪層褶皺和三維效果顯示，提前發(fā)現(xiàn)鋪層制造的難點(diǎn)。借助Laminate Tools軟件，并結(jié)合通用有限元軟件Patran/Nastran，采用有限元法準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)受力與失效情況，最終輸出可用于制造的幾何信息。同時(shí)，結(jié)合初步分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 天線罩結(jié)構(gòu)

某雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)如圖1所示，由外部罩體和腹板等組成。為了滿足電性能的要求并減輕重量，罩體和腹板均采用蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其組成材料包括玻璃纖維布蒙皮材料和蜂窩芯層，如圖2所示，這2種材料的屬性見(jiàn)表1。復(fù)合材料采用對(duì)稱均衡鋪層，具體鋪層分為9層即[0/45/-45/90/蜂窩芯層/90/-45/45/0]。

當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，天線罩將承受巨大的氣動(dòng)載荷。進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，天線罩上承受的不同工況下的氣

動(dòng)載荷由風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，并通過(guò)插值的方法作用在外部罩體的單元上。

圖1 天線罩結(jié)構(gòu)

圖2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

表1 鋪層材料屬性

2 天線罩有限元建模與分析

2.1 Laminate Tools軟件簡(jiǎn)介

Laminate Tools軟件是由英國(guó)Anaglyph公司開發(fā)的一款專用復(fù)合材料商業(yè)軟件，定位于復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)、分析、檢查、制造一體化。軟件具有較好的復(fù)合材料前后處理可視化功能、靈活多樣的結(jié)果檢查和強(qiáng)度校核以及可操作性強(qiáng)的制造信息輸出，通過(guò)與ANSYS、Patran/Nastran、Abaqus等有限元通用軟件相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從最初鋪層設(shè)計(jì)到力學(xué)性能分析再到最后的產(chǎn)品制造信息輸出的一套完整的CAD-CAE-CAM解決方案。

2.2 天線罩有限元建模與分析流程

天線罩有限元建模與分析流程如圖3所示。具體流程描述如下：

1)采用Hypermesh軟件對(duì)天線罩幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。罩體和腹板都采用殼單元處理，天線陣面作為等效集中質(zhì)量施加到有限元模型中，最后獲得的天線罩結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。導(dǎo)出含單元節(jié)點(diǎn)信息的bdf文件，并導(dǎo)入Patran軟件。

圖3 有限元建模與分析流程圖

圖4 天線罩有限元網(wǎng)格模型

2) 在Patran軟件中對(duì)單元進(jìn)行分組，施加位移和載荷邊界條件。對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的圓盤外表面氣動(dòng)載荷，通過(guò)二次開發(fā)程序插值于外表面每個(gè)單元，該程序可以考慮罩體在不同工況、不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的氣動(dòng)荷載插值，并直接生成Patran可讀取的場(chǎng)文件。圖5為飛機(jī)下俯3°同時(shí)天線罩旋轉(zhuǎn)至引風(fēng)面時(shí)上表面的壓力分布圖，從圖中可以看出其左右是對(duì)稱的。導(dǎo)出含分組信息的ses文件及含單元節(jié)點(diǎn)信息的bdf文件，并導(dǎo)入Laminate Tools軟件。

圖5 罩體表面壓力分布(單位：MPa)

3)在Laminate Tools軟件中按照實(shí)際的復(fù)合材料鋪層工藝順序?qū)卧M(jìn)行鋪層，定義各鋪層的鋪層順序、鋪層厚度、鋪層范圍、材料屬性、纖維方向等信息屬性，查看褶皺情況和三維鋪層圖。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在鋪層過(guò)程中最容易受到皺褶影響，對(duì)材料力學(xué)性能以及后續(xù)的工藝實(shí)現(xiàn)影響較大。因此可通過(guò)Laminate Tools軟件的可視化鋪層功能模擬真實(shí)鋪層過(guò)程，通過(guò)顯示的皺褶區(qū)域的大小驗(yàn)證鋪層方案的合理性。圖6為罩體0°纖維布鋪設(shè)的2種不同方案，圖中箭頭1位置為初始鋪設(shè)位置，箭頭2方向?yàn)槔w維鋪設(shè)方向，區(qū)域1為鋪層皺褶提示，區(qū)域2為鋪層失效提示。比較這2種方案發(fā)現(xiàn)，第1種方案只在少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)皺褶情況，而第2種鋪層方案會(huì)直接導(dǎo)致大面積的鋪層失效和鋪層皺褶，因此分析時(shí)選擇相對(duì)合理的第1種鋪層方案。使用相同的方法，確定天線罩結(jié)構(gòu)其它部分的鋪層方案。最終鋪層后天線罩結(jié)構(gòu)罩體鋪層爆炸圖及三維顯示圖如圖7和圖8所示。Laminate Tools軟件可考慮由曲面鋪層纖維滑動(dòng)引起的材料性能變化，準(zhǔn)確得出皺褶區(qū)域的材料性能，并導(dǎo)入Nastran求解器中進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。

圖6 2種鋪層方案

圖8 鋪層結(jié)構(gòu)三維顯示

4)Nastran計(jì)算完成后可在Laminate Tools軟件中進(jìn)行多失效準(zhǔn)則的結(jié)果顯示，并輸出結(jié)構(gòu)安全裕度報(bào)告。同時(shí)，可輸出每個(gè)鋪層的幾何形狀和尺寸、展平圖、纖維方向、鋪層順序等細(xì)節(jié)信息，便于后續(xù)的產(chǎn)品加工制造。圖9為其中一個(gè)鋪層的展平圖。

圖9 鋪層展平圖

Laminate Tools軟件中可以使用多個(gè)失效準(zhǔn)則進(jìn)行失效分析，包括蔡-胡準(zhǔn)則、蔡-希爾準(zhǔn)則和霍夫曼準(zhǔn)則。以蔡-胡準(zhǔn)則為例，失效指數(shù)SF的公式[5]如下：

(1)

3 結(jié)果分析與減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)天線罩結(jié)構(gòu)在多種工況下氣動(dòng)載荷的作用進(jìn)行分析，選取最危險(xiǎn)的一個(gè)工況，其罩體和腹板的多準(zhǔn)則失效指數(shù)云圖如圖10所示。由結(jié)果可以看出，失效指數(shù)較大部位主要發(fā)生在腹板和罩體相交的根部位置，最大值為0.63，說(shuō)明結(jié)構(gòu)是偏安全的。同時(shí)也可以看出，外邊2個(gè)腹板大部分區(qū)域的失效指數(shù)都很小，起的作用不大。根據(jù)初步的計(jì)算結(jié)果，對(duì)天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接去掉外邊2個(gè)腹板，并重新計(jì)算。減重后結(jié)構(gòu)的多準(zhǔn)則失效指數(shù)結(jié)果如圖11所示，最大值為0.77，仍小于1，說(shuō)明減重后的結(jié)構(gòu)是安全的。

圖10 罩體和腹板多準(zhǔn)則失效指數(shù)云圖顯示(減重前)

圖11 罩體和腹板多準(zhǔn)則失效指數(shù)云圖顯示(減重后)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Laminate Tools軟件對(duì)某雷達(dá)天線罩的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋪層設(shè)計(jì)、力學(xué)分析和失效判斷，

并通過(guò)初步的仿真結(jié)果對(duì)天線罩進(jìn)行了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。驗(yàn)證了Laminate Tools軟件結(jié)合有限元通用軟件在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析、檢查、制造一體化流程中的可行性，對(duì)類似的復(fù)合材料設(shè)計(jì)有參考意義。后續(xù)的工作將進(jìn)一步引進(jìn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料并行的優(yōu)化和設(shè)計(jì)流程。

[1] 張潤(rùn)逵. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[2] 蔣慶全. 現(xiàn)代機(jī)載雷達(dá)天線罩技術(shù)發(fā)展綜覽[J]. 探測(cè)與定位, 2007(2):57-62.

[3] 劉捷, 趙志斌, 陳志剛. 大型機(jī)載雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2003, 19(2):1-2, 44.

[4] 梁斌, 陳志剛. 某機(jī)載雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電訊技術(shù), 2011, 51(1):104-108.

[5] 沈觀林, 胡更開. 復(fù)合材料力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

費(fèi) 蓮(1981-)，女，工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

吳敬凱(1984-)，男，工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

孫明琦(1983-)，男，工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

梁震濤(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Mechanical Simulation and Optimization Design of Airborne Antenna Radome Based on Laminate Tools

FEI Lian，WU Jing-kai，SUN Ming-qi，LIANG Zhen-tao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Due to the excellent physical and mechanical properties and designability, composites have been widely used in the radar radome. In order to study the integration feasibility of structure design, analysis and manufacturing for composites, in this paper the finite element modeling, mechanical simulation and visualization check of the composite structure of an airborne radar radome are carried out by virtue of the software Laminate Tools. The structure is optimized to reduce the weight based on the initial results. The results show that combining with the common software Patran / Nastran, a series of functions can be realized such as the layup of composites, 3D and wrinkles display, mechanical calculation, failure analysis and output of layer figures, etc. It provides a reference flow for integration design of the composite material.

antenna radome; composite material; mechanical simulation; visualization

2014-05-28

TB33

A

1008-5300(2014)04-0061-04