復(fù)合材料天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李瀟峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230000）

復(fù)合材料天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李瀟峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230000）

球載雷達(dá)對(duì)球上設(shè)備的重量要求嚴(yán)格，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)貫徹輕量化設(shè)計(jì)原則。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，天線骨架采用輕質(zhì)維復(fù)合材料以減輕重量。同時(shí)，利用有限元軟件對(duì)天線骨架進(jìn)行力學(xué)分析，在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)并研制出符合要求的復(fù)合材料天線骨架結(jié)構(gòu)。

球載雷達(dá) 復(fù)合材料 天線骨架

1　引言

球載雷達(dá)是一種空中平臺(tái)監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用系留氣球作為平臺(tái)，搭載專門研制的雷達(dá)升空，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離低空小目標(biāo)的探測(cè)。為了盡可能增加氣球的剩余浮力，提高氣球空中工作的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)貫徹輕量化設(shè)計(jì)原則，其中采用輕質(zhì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造球上設(shè)備是一種行之有效的方法。本文根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的總體要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮質(zhì)量、布局、體積等條件的約束，進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造天線骨架。

2　天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該雷達(dá)系統(tǒng)球上設(shè)備主要包括通偵設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、穩(wěn)定平臺(tái)以及作為承載結(jié)構(gòu)的天線骨架。球上設(shè)備安裝在氣球整流罩內(nèi)，通過穩(wěn)定平臺(tái)懸掛于氣球的設(shè)備掛架。各天線設(shè)備則通過天線骨架懸掛在穩(wěn)定平臺(tái)下方。天線骨架作為系統(tǒng)的主承力結(jié)構(gòu)及安裝平面，要求其具有較好的剛度和強(qiáng)度。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，天線骨架為矩形平板結(jié)構(gòu)，尺寸約為3000mm×1250mm，天線骨架正面安裝通偵設(shè)備及雷達(dá)設(shè)備的天線陣面，同時(shí)天線骨架背面安裝射頻前端等其他設(shè)備。球上天線設(shè)備總重超過75kg，且總體重量（不包括穩(wěn)定平臺(tái)）要求小于110kg。綜合分析以上需求，確定天線骨架選擇復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)為了驗(yàn)證其可靠性，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。

以天線骨架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析為設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮現(xiàn)有材料的性能以及天線結(jié)構(gòu)形式本身的特點(diǎn)，天線骨架的材料選擇鋁蒙皮-碳纖維/泡沫-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以提高天線骨架的整體剛度及穩(wěn)定性，同時(shí)滿足使用的需求。天線骨架的主體結(jié)構(gòu)包括碳纖維/泡沫結(jié)構(gòu)承力梁，鋁蜂窩中間夾層以及覆蓋在兩者外表面的薄鋁蒙皮，如圖1所示。

碳纖維/泡沫結(jié)構(gòu)作為天線骨架的主承力梁，對(duì)整體的剛強(qiáng)度及穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部為泡沫F50-50膠結(jié)而成的泡沫框架，框架外部纏繞5層厚度為0.2mm的碳纖維布，框架內(nèi)部相應(yīng)位置預(yù)埋預(yù)制的鋁件作為穩(wěn)定平臺(tái)的安裝接口?？蚣苤虚g拼接厚度為50mm的鋁蜂窩夾層，夾層內(nèi)部同樣通過預(yù)埋預(yù)制鋁件的方式作為天線其他設(shè)備的安裝接口。拼裝完成后，在天線骨架的正反兩面安裝薄鋁蒙皮，穩(wěn)定平臺(tái)與天線骨架的安裝點(diǎn)通過厚鋁件進(jìn)行加固處理。

圖1　天線骨架結(jié)構(gòu)示意圖

3　天線骨架力學(xué)分析

天線骨架的有限元建模首先采用CAD軟件PRO/E建立詳細(xì)的幾何模型，然后使用Hypermesh對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格優(yōu)化，然后導(dǎo)入ABAQUS求解器進(jìn)行求解。復(fù)合材料各組分的力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

表1　鋁合金、泡沫及碳纖維布力學(xué)參數(shù)

表2　鋁蜂窩力學(xué)參數(shù)

計(jì)算過程中，模擬天線系統(tǒng)實(shí)際使用條件，穩(wěn)定平臺(tái)在最上端與天線骨架上相應(yīng)的安裝接口相連，計(jì)算時(shí)約束穩(wěn)定平臺(tái)最上端節(jié)點(diǎn)上所有自由度。有限元模型共1437865個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為1662341個(gè)單元，如圖2所示。坐標(biāo)原點(diǎn)取穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)軸的最上端點(diǎn)，Z向?yàn)橛商炀€陣面指向天線陣面背面方向，Y向?yàn)樨Q直向上方向，X向由右手定則確定。

由計(jì)算結(jié)果可知，天線骨架在工作狀態(tài)沿OX軸橫滾23°且受到法向（Z向）5m/s2過載時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生最大變形，最大變形為5.3mm，最大變形位置出現(xiàn)在天線骨架底部；天線骨架在工作狀態(tài)沿OX軸橫滾23°且受到法向（X向）3m/s2過載時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為34.1MPa。取安全系數(shù)1.5，則最小剩余安全裕度為1.5＞0，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖2　天線骨架（含穩(wěn)定平臺(tái)）有限元模型圖

4　結(jié)論

（1）經(jīng)過力學(xué)分析，可以看出設(shè)計(jì)的復(fù)合材料天線骨架力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，最小剩余安全裕度較高，同時(shí)結(jié)構(gòu)變形也可以滿足使用要求。（2）通過實(shí)測(cè)可知，復(fù)合材料天線骨架總重量約為32kg，滿足總體的重量要求，較金屬鋁合金制造的天線骨架減重超過40%，較好地達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)目的。（3）在設(shè)計(jì)各個(gè)階段充分運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)分析、理論計(jì)算、試驗(yàn)測(cè)試等設(shè)計(jì)手段，不僅保證了整個(gè)設(shè)計(jì)過程沿著正確的方向進(jìn)行，避免造成設(shè)計(jì)反復(fù)、浪費(fèi)人力和物力，而且現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用有效提高了設(shè)計(jì)水平，很好地解決了該復(fù)合材料天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各種難點(diǎn)。

[1]彭天杰.復(fù)合材料在雷達(dá)天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2008，（2）：18-19.

[2]萬錄明.雷達(dá)天饋系統(tǒng)輕量化技術(shù)[A]//第九屆機(jī)械加工技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2004.

[3]李順林.復(fù)合材料工作手冊(cè)[M].北京：北京航空工業(yè)出版社，1988.

Design of Composite Aantenna Framework Structure

LI Xiaofeng
(the thirty-eight h Institute of China Elect ronic Technology Group Corporation, Hefei 230000)

In order to meet the design requirements, the design principles of lightweigh t design should be carried out in order to meet the design requirements. At the same time, the finite element software the mechanical analysis of the antenna frame. The mechanics analys is bas ed on, make full us e of composite design, designed and developed in line with the requirements of the composite antenna framework structure.

Ball borne radar, composite, antenna framework