機(jī)載天線罩透波窗結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

摘 要：在考慮機(jī)載氣動(dòng)載荷影響的情況下，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)某機(jī)載天線罩透波窗開(kāi)口形 狀和復(fù)合材料鋪層順序等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分別進(jìn)行力學(xué)仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果確定了該天線罩透 波窗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，比較明顯地降低了該天線罩透波窗結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)壓力作用下的正應(yīng)力和剪切 應(yīng)力水平。

關(guān)鍵詞：天線罩；透波窗；氣動(dòng)載荷；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；鋪層順序

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ760.4；TN820.81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2014）06-0041-04

StructureParametersOptimizationAnalysisofAirborne RadomeElectromagneticWindow

HEMin

（SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology，Chengdu610063，China）

Abstract：ConsideringtheinfluencesofAirborneaerodynamicloads，thestructuralparametersof airborneradome，suchaselectromagneticwindowshapeandstackingsequence，aresimulatedandana lyzedbyANSYS.Basedontheresults，theoptimizeparametersaredeterminedforradomestructurede sign，andthenormalstressandshearingstressonthejointcorneroftheradomearedecreasedobviously.

Keywords：radome；electromagneticwindow；aerodynamicload；structureoptimization；stacking sequence

0 引 言

天線罩是保護(hù)機(jī)載天線免受外部環(huán)境影響的 重要保護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足電磁透波 率、氣動(dòng)載荷、熱載荷、三防等一系列綜合要求， 涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、熱、電磁場(chǎng)、機(jī)械等多個(gè)學(xué) 科。目前，為了滿足天線電磁輻射特性，針對(duì)機(jī)載 天線罩的透波窗罩厚度、氣動(dòng)外形、表面涂覆等參 數(shù)變化對(duì)天線罩性能影響研究比較多。文獻(xiàn)[1- 2]探討了透波窗罩厚度參數(shù)對(duì)電磁波透明度和天 線方向圖等電磁參數(shù)的影響，文獻(xiàn)[3-5]分別研 究了天線罩外形變化、表面涂覆和連接結(jié)構(gòu)形式對(duì)天線罩性能的影響，周祝林、羅志軍等人提出了 天線罩厚度設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法[6-7]，張謨杰提出了天 線罩結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)要求[8]。然而，目前還鮮見(jiàn)針 對(duì)透波窗罩開(kāi)口形狀、罩體復(fù)合材料鋪層方式等 參數(shù)變化對(duì)天線罩透波窗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（尤其是粘結(jié)剪 切強(qiáng)度）的影響研究，這些參數(shù)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí) 通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，缺乏參數(shù)優(yōu)化指導(dǎo)。本文通過(guò) 建立天線罩有限元模型，深入分析了透波窗罩開(kāi) 口形狀、罩體復(fù)合材料鋪層等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)天 線罩透波窗粘結(jié)剪切強(qiáng)度的影響，為機(jī)載天線罩 強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 天線罩結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

1.1 天線罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某機(jī)載天線罩由金屬?lài)蚝屯覆ù罢謨刹繕?gòu)成，如圖1所示。為滿足飛行器的氣動(dòng)特性和電磁 隱身要求，該天線罩表面與飛機(jī)機(jī)身表面共形（為 近似圓柱面的二次曲面），且透波窗罩和金屬?lài)?之間不能采用螺釘鏈接和鉚接，必須采用膠粘接 方式。

1.2 天線罩材料

透波窗罩材料為玻璃纖維面板（簡(jiǎn)稱(chēng)玻璃鋼） 復(fù)合材料，金屬?lài)虿牧蠟殇X合金，透波窗罩和圍 框之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)，天線罩各部分的材料 參數(shù)見(jiàn)表1～3。

1.3 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

依據(jù)天線方向圖設(shè)計(jì)和飛機(jī)氣動(dòng)載荷條件， 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足兩方面要求：①透波 窗罩的厚度不能超過(guò)2mm；②天線罩表面法向能 夠承受最大12000Pa的氣動(dòng)壓力或吸力不產(chǎn)生破壞，透波窗罩和金屬?lài)蛑g粘接部位不出現(xiàn)撕 裂。需特別說(shuō)明的是，在飛行器實(shí)際工作狀態(tài)下， 天線罩承受的力學(xué)載荷幅值、方向和時(shí)變特性非 常復(fù)雜，但依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，絕大部分氣動(dòng)載荷 為作用于天線罩表面法向壓力和吸力，因此通常采 用氣動(dòng)壓力或吸力最大值并取一定安全系數(shù)，按靜 強(qiáng)度校核方法進(jìn)行天線罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)， 本文也采用同樣方法處理。

2 天線罩結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 天線罩有限元建模與邊界條件

在ANSYS軟件中分別將天線罩的金屬?lài)颉?環(huán)氧樹(shù)脂膠層、透波窗罩等建立有限元模型，如圖 2所示。金屬?lài)蚝铜h(huán)氧樹(shù)脂膠層采用SOLID95六 面體單元，單元材料屬性采用表1和表2中所列參 數(shù)；透波窗罩采用SHELL99殼單元來(lái)模擬其復(fù)合 材料特性[10]，并將SHELL99單元實(shí)常數(shù)的內(nèi)部鋪 層數(shù)設(shè)置為20層，每層厚0.1mm，單元材料屬性 采用表3中所列參數(shù)。

金屬?lài)颉h(huán)氧樹(shù)脂膠層和透波窗罩FEM之 間采用界面節(jié)點(diǎn)融合來(lái)模擬彼此間連接約束；金 屬?lài)蛩闹苓呑隽阄灰萍s束，天線罩表面施加法 向氣動(dòng)面壓力12000Pa，如圖3所示。

2.2 天線罩透波窗開(kāi)口形狀參數(shù)優(yōu)化

天線罩透波窗開(kāi)口形狀和面積必須滿足天線 單元排布、氣動(dòng)共形和隱身等電磁設(shè)計(jì)要求。但在 滿足上述要求時(shí)，透波窗可能有多種開(kāi)口形狀，如 四邊形、多邊形和圓形等，當(dāng)透波窗罩與金屬?lài)?之間采用粘接方式時(shí)，開(kāi)口形狀不同，其粘接位置 正應(yīng)力和剪切應(yīng)力大小也是不同的，因此有必要 對(duì)透波窗開(kāi)口形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。在設(shè)定透 波窗開(kāi)口面積基本一致和透波窗罩鋪層參數(shù)（均取 [0/0/0]20）相同的前提下如表4所示，按2.1節(jié)所述的有限元建模方法分別建立圓形、四邊形、五邊 形和六邊形透波窗的天線罩有限元模型如圖4，并 用ANSYS軟件進(jìn)行氣動(dòng)載荷等效靜力學(xué)仿真。

仿真應(yīng)力云圖及應(yīng)力值分別示于圖5和表5。 仿真結(jié)果表明：

（1）隨著透波窗開(kāi)口形狀向圓形近似，透波 窗罩邊緣粘接位置的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力呈現(xiàn)下降 趨勢(shì)，透波窗罩邊緣應(yīng)力分布更趨均衡；

（2）相對(duì)常用的四邊形透波窗，圓形透波窗 罩與金屬?lài)蛘辰犹幍恼龖?yīng)力和剪切應(yīng)力分別下 降了約6.6%和6%。

2.3 透波窗罩復(fù)合材料鋪層參數(shù)優(yōu)化

透波窗罩一般采用層壓玻璃布板復(fù)合材料， 由20層單層厚度約為0.1mm的鋪層粘接層壓敷 制而成，相鄰鋪層的經(jīng)線（或緯線）之間的不同夾 角值，如圖6所示，會(huì)對(duì)透波窗罩的層間剪切強(qiáng)度 產(chǎn)生不同的影響。文獻(xiàn)[11]雖然研究了各層鋪層 角度相差為10°的天線罩在隨機(jī)振動(dòng)下的形變與應(yīng)力，但未深入討論各層的不同鋪層角度不同組合 對(duì)波窗罩與金屬?lài)蛘辰游恢脩?yīng)力變化影響。

參照2.1節(jié)所述的有限元建模方法，建立五種 不同鋪層方式，鋪層參數(shù)如表6所示。圓形開(kāi)口透 波窗的天線罩有限元模型如圖7所示。

多種鋪層方式仿真應(yīng)力值如表7所示。仿真結(jié) 果表明：

（1）天線罩體上最大正應(yīng)力和剪切應(yīng)力位于 透波窗罩與金屬?lài)蛘辰舆吘墸?/p>

（2）改變玻璃鋼復(fù)合材料鋪層方式，會(huì)比較 明顯地影響透波窗罩體應(yīng)力分布與大小；

（3）相對(duì)[0/0/0]20鋪層方式，[0/90/0]20鋪 層方式能夠降低透波窗罩與金屬?lài)蛘辰游恢米?大層間剪切應(yīng)力值40%以上。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)天線罩有限元仿真分析，確定了透波窗罩開(kāi)口形狀、敷制罩體的玻璃纖維面板鋪層方 式對(duì)天線罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并提出了透波窗罩 開(kāi)口和鋪層方式參數(shù)優(yōu)選指導(dǎo)方法，即在滿足天 線罩電磁和接口安裝等設(shè)計(jì)要求，并主要承受罩 體表面法向壓力或吸力氣動(dòng)載荷等前提下：①應(yīng) 盡可能使透波窗開(kāi)口形狀向圓形近似，以降低透 波窗罩邊緣粘接位置的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力大小， 并使其應(yīng)力分布更加均衡；②天線罩敷制時(shí)相鄰 鋪層的經(jīng)線（或緯線）盡可能正交，以降低氣動(dòng)載 荷作用下的罩體層間剪切應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱全忠.談?wù)勌炀€罩透波壁的理論厚度和結(jié)構(gòu)厚度 [J].飛航導(dǎo)彈，2004（2）：60-63.

[2]王向暉，陳士舉，袁健全.天線罩相關(guān)參數(shù)的改變對(duì) 天線方向圖影響[J].制導(dǎo)與引信，2007，28（1）：30- 52.

[3]張謨杰.天線罩外形形狀對(duì)天線罩性能的影響[J].上 海航天，1996（1）：30-33.

[4]石毓錟，胡曉蘭，梁國(guó)正，等.飛行器天線罩的雨蝕及防 護(hù)[J].化工新型材料，2012，（1）29：7-10.

[5]劉誼，馬妙技.天線罩靜熱試驗(yàn)位移仿真與分析[J].航 空兵器，2009（1）：11-14.

[6]周祝林，鐘天麟.復(fù)合材料雷達(dá)天線罩的最優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].纖維復(fù)合材料，2004，4（4）31：31-37.

[7]羅志軍，喬新.基于遺傳算法的雷達(dá)天線罩優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，1997，14（3）：361-365.

[8]張謨杰.導(dǎo)彈天線罩的結(jié)構(gòu)可靠性[J].制導(dǎo)與引信，

2006，27（2）：44-46.

[9]徐亞茹.復(fù)合材料天線設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析[J].電子 機(jī)械工程，2003，19（3）：28-43.

[10]李濤，樊慶文.ANSYS在復(fù)合材料應(yīng)力分析中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2006，33（12）：47-48.

[11]劉建杰.復(fù)合材料天線罩隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)及改進(jìn)分析 [J].航空兵器，2011（4）：39-42.