星載螺旋天線陣抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)與分析

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(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心(中國(guó)電科38所),安徽合肥230088)

0 引言

航天器發(fā)射上升段的載荷環(huán)境復(fù)雜、惡劣,包括噪聲、低頻振動(dòng)、高頻隨機(jī)振動(dòng)、沖擊、加速度過(guò)載等,這些力學(xué)環(huán)境對(duì)航天器電子產(chǎn)品的工作性能、穩(wěn)定性和可靠性影響很大[1-2]?？沽W(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)就是在對(duì)作用在產(chǎn)品上的靜載荷、動(dòng)載荷及其他載荷充分分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析結(jié)果,通過(guò)有針對(duì)性的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和剛度設(shè)計(jì)來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的工作[3]。通過(guò)抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的能力,保障結(jié)構(gòu)安全性,提高結(jié)構(gòu)自身固有頻率以避免與外界振動(dòng)頻率相耦合。

螺旋天線具有圓極化和寬波束特性,廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星測(cè)控天線和相控陣天線等星載通信系統(tǒng)。某星載天線陣反射板上有11個(gè)大長(zhǎng)細(xì)比結(jié)構(gòu)的螺旋天線,細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)各種力學(xué)環(huán)境載荷具有明顯放大作用,在保證螺旋天線電性能的前提下,其力學(xué)性能是否能夠滿足星載應(yīng)用環(huán)境的要求成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。另外,天線在軌運(yùn)行期間,各部件工作溫度變化梯度較大,容易產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞。針對(duì)該問(wèn)題本文對(duì)螺旋天線陣開(kāi)展了抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì),進(jìn)行了力學(xué)分析和試驗(yàn),分析和試驗(yàn)結(jié)果表明該螺旋天線抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)合理、有效。

1 某星載螺旋天線陣結(jié)構(gòu)

某螺旋天線單元采用軸向模螺旋天線實(shí)現(xiàn)電磁波的發(fā)射,每個(gè)螺旋天線單元由螺旋天線、介質(zhì)支撐筒、圓形反射罩杯、阻抗變換器及射頻連接器等部件組成。

螺旋天線采用?1.3 mm的鈹青銅絲繞制而成,采用介質(zhì)支撐筒支撐以保形,天線單元總高度486 mm,最大螺旋直徑36 mm,為典型的長(zhǎng)細(xì)比結(jié)構(gòu)形式。

11個(gè)螺旋天線單元安裝在一個(gè)M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料天線反射板上,組成一個(gè)天線陣,天線陣外形如圖1所示。

圖1 螺旋天線陣示意圖

2 螺旋天線陣抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1 抗力學(xué)設(shè)計(jì)要求和難點(diǎn)

螺旋天線陣安裝在衛(wèi)星艙板上,為星體艙外設(shè)備,對(duì)重量、剛度、強(qiáng)度及空間寬溫環(huán)境適應(yīng)性等要求如下:

1)重量要求:單個(gè)天線單元重量不超過(guò)0.55 kg,且支撐筒重量不超過(guò)0.13 kg;

2)剛度要求:平行于安裝面方向,結(jié)構(gòu)基頻不小于50 Hz,垂直于安裝面方向基頻不小于80 Hz;

3)強(qiáng)度要求:在規(guī)定的鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件下,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全裕度要求,不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞,即對(duì)于金屬屈服強(qiáng)度安全裕度(M.S.)≥0,對(duì)于樹(shù)脂基復(fù)合材料首層失效安全裕度(M.S.)≥0.25;

4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求:結(jié)構(gòu)響應(yīng)在可控范圍之內(nèi),各螺旋天線單元之間不發(fā)生物理干涉;

5)空間寬溫環(huán)境適應(yīng)性要求:結(jié)構(gòu)件及材料應(yīng)能滿足-170℃變化到+90℃的空間寬溫環(huán)境的要求;

6)電性能要求:介質(zhì)支撐筒采用透波材料,而圓形反射罩杯需采用導(dǎo)電性良好的鋁合金材料。

抗力學(xué)設(shè)計(jì)難點(diǎn)則主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

1)振動(dòng)環(huán)境非常嚴(yán)苛,在考慮反射板的放大效應(yīng)后,天線單元的鑒定級(jí)正弦振動(dòng)量級(jí)為13g,隨機(jī)振動(dòng)振動(dòng)量級(jí)為17.3grms。在水平方向振動(dòng)時(shí),天線單元為細(xì)長(zhǎng)的介質(zhì)支撐筒為懸臂結(jié)構(gòu),振動(dòng)從天線陣反射面?zhèn)鬟f到介質(zhì)支撐筒頂部,會(huì)被明顯放大,若設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)支撐筒由于剛強(qiáng)度不夠而發(fā)生折斷或者響應(yīng)過(guò)大兩兩之間物理上發(fā)生碰撞;受到重量的限制。

2)重量指標(biāo)為關(guān)鍵指標(biāo),透波的非金屬介質(zhì)支撐筒和導(dǎo)電的鋁合金反射罩杯須采用薄壁結(jié)構(gòu),且應(yīng)滿足剛強(qiáng)度、穩(wěn)定性及加工工藝性的要求。

3)在軌期間,天線陣會(huì)經(jīng)歷較大的溫度變化,一個(gè)軌道周期內(nèi)最大溫差高達(dá)260℃。在如此高的溫差作用下,天線陣不同材料各部件之間的熱應(yīng)力匹配、熱應(yīng)力釋放以及連接結(jié)構(gòu)的可靠性需特別關(guān)注。

2.2 抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

2.2.1 介質(zhì)支撐筒

介質(zhì)支撐筒結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)細(xì)比結(jié)構(gòu),其抗水平振動(dòng)能力較差,剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求高,主要從材料、構(gòu)型及工藝實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面上開(kāi)展設(shè)計(jì)。

1)材料

Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料具有電磁波透過(guò)性能,具有密度小、高強(qiáng)度、高模量、耐熱性能好、阻尼性能好等特點(diǎn),化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好,具有良好的尺寸穩(wěn)定性,為金屬螺旋天線較為理想的介質(zhì)支撐材料。Kevlar 49芳綸的主要性能如表1所示[4]。

表1 Kevlar 49芳綸的主要性能

2)構(gòu)型

為降低損耗,改善其抗大功率特性,螺旋天線與介質(zhì)支撐之間采用點(diǎn)接觸的結(jié)構(gòu)形式[5]。介質(zhì)支撐筒為三角形薄壁結(jié)構(gòu),螺旋天線僅與三角形截面棱角上伸出的筋條接觸。

充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)特性,支撐筒三角形薄壁結(jié)構(gòu)按照等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則,采用漸變厚度設(shè)計(jì),頂部的質(zhì)量盡可能小,由上至下逐步增加厚度(從0.8 mm到2.4 mm),但同截面處壁厚一致以確保具備好的工藝性,對(duì)安裝面及根部區(qū)域采取局部加厚、過(guò)渡處倒圓角的方式以減小應(yīng)力集中。

3)工藝實(shí)現(xiàn)方式

三維編織復(fù)合材料的突出特點(diǎn)是增強(qiáng)纖維呈空間多向分布,克服了層板復(fù)合材料的厚度方向力學(xué)性能差、層間剪切強(qiáng)度低、易分層開(kāi)裂等致命缺陷。三維整體編織技術(shù)能編織異型整體織物,可以一次成型復(fù)雜的零部件。編織復(fù)合材料還具有優(yōu)良的性能可設(shè)計(jì)性,通過(guò)改變編織紗線的密度和方向角來(lái)達(dá)到理想的力學(xué)性能[6]。

基于此,介質(zhì)支撐筒采用以三維編織纖維預(yù)制體為增強(qiáng)體的整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu),然后用樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)成型。Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料三維織物隨爐件強(qiáng)度典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三維織物隨爐件強(qiáng)度典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2.2 反射罩杯

介質(zhì)支撐筒安裝在反射罩杯上,反射罩杯采用高強(qiáng)度鋁合金7A04-T6。

反射罩杯安裝在天線反射面上,采用6個(gè)孔位的游離安裝結(jié)構(gòu)形式,即中心1個(gè)螺釘完全固定,周邊5個(gè)螺釘孔采取徑向腰形孔的連接方式,將周邊5個(gè)螺釘孔位置的徑向位移進(jìn)行釋放,以主動(dòng)釋放熱變形,減小熱應(yīng)力。

2.2.3 天線陣反射板

11個(gè)長(zhǎng)細(xì)比結(jié)構(gòu)的螺旋天線介質(zhì)支撐筒安裝在天線陣反射板上,反射板的垂向抗彎剛度大小對(duì)介質(zhì)支撐筒響應(yīng)影響非常大,若剛度不足將造成支撐筒響應(yīng)明顯放大,因此反射板的抗力學(xué)設(shè)計(jì)主要從提高其垂向抗彎剛度考慮。

天線陣反射板采用蒙皮/蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu),其蒙皮為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料,夾層結(jié)構(gòu)的芯材為L(zhǎng)F2鋁蜂窩材料。在控制重量的前提下,對(duì)蒙皮厚度、蜂窩芯高度等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),確定蒙皮鋪設(shè)4層(0°/45°/90°/-45°),厚度為0.5 mm,鋁蜂窩厚度為25 mm。

3 力學(xué)分析

3.1 分析工況及環(huán)境條件

采用有限元分析方法,對(duì)螺旋天線陣進(jìn)行抗力學(xué)性能分析。

分析工況有模態(tài)分析、加速度過(guò)載、頻率響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析,具體的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件如下:

1)加速度為9g,保持時(shí)間5 min;

2)正弦掃頻,5～16 Hz位移單峰值9.7 mm,16～120 Hz加速度10g,掃頻速率為2 oct/min;

3)隨機(jī)振動(dòng),10～200 Hz按照+6 dB/oct增加,200～1 500 Hz功率譜密度為0.13g2/Hz,1 500～2 000 Hz按照-12 dB衰減,總均方根加速度14.5g。

3.2 有限元模型說(shuō)明

根據(jù)螺旋天線陣的結(jié)構(gòu)形式,對(duì)天線介質(zhì)支撐筒、反射板蒙皮等復(fù)合材料與金屬反射罩杯采用殼單元進(jìn)行模擬,蜂窩芯采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,天線陣內(nèi)其余部件以質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

邊界條件設(shè)置為天線反射安裝孔位置約束全部自由度,10個(gè)M5的螺釘安裝點(diǎn)。

反射罩杯為高強(qiáng)鋁合金7A04-T6。介質(zhì)支撐筒采用三維編織Kevlar纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料構(gòu)成,由于目前三維編織復(fù)合材料的力學(xué)模型尚沒(méi)有成熟的工程化模擬方式,按照常規(guī)層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似模擬。具體來(lái)說(shuō),支撐筒按照4層鋪設(shè),每層等厚且各層之間無(wú)鋪設(shè)角度,沿著筒長(zhǎng)度方向?yàn)槠洳牧系目v向,近似后保證單個(gè)介質(zhì)支撐筒振動(dòng)特性的計(jì)算值與試驗(yàn)值相一致。Kevlar三維編織件的材料性能取材料試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

天線反射板為蒙皮/鋁蜂窩夾層復(fù)合材料,其蒙皮為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料,鋪設(shè)4層,厚度為0.5 mm。夾層結(jié)構(gòu)的芯材為鋁蜂窩材料,厚度為25 mm。有限元模型中反射板蒙皮的鋪層設(shè)計(jì)如圖3所示,其中t為厚度,PLY-N(N=1～4)為鋪層名稱。

圖3 天線反射板蒙皮鋪層建模示意圖

材料的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

表3 材料力學(xué)性能表

3.3 仿真分析

3.3.1 模態(tài)分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,同時(shí)模態(tài)分析也是隨機(jī)振動(dòng)和諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)提取300 Hz之內(nèi)的模態(tài)信息,如表4所示。分析結(jié)果顯示100 Hz以內(nèi)模態(tài)都為天線支撐筒的局部模態(tài),振動(dòng)方向?yàn)樗椒较?其中橫向的一階基頻為61 Hz,垂向的一階基頻為166 Hz,為天線反射板的彎曲變形模式。分析結(jié)果滿足橫向基頻大于50 Hz、垂向基頻大于80 Hz的動(dòng)剛度設(shè)計(jì)要求。

表4 模態(tài)頻率與振形描述

3.3.2 加速度過(guò)載分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛強(qiáng)度,根據(jù)加速度過(guò)載試驗(yàn)條件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)載分析。3個(gè)方向上加速度過(guò)載的計(jì)算結(jié)果如表5所示。由分析結(jié)果可見(jiàn),3個(gè)方向加速度過(guò)載下,反射面最大變形為1.02 mm,靜剛度好,各材料的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料允許的強(qiáng)度,天線結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷下有較大的安全余量。

表5 加速度過(guò)載下的計(jì)算結(jié)果

3.3.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模態(tài)疊加法,取臨界阻尼比0.05,分別計(jì)算天線陣在3個(gè)方向上隨機(jī)激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)。3個(gè)方向上加速度過(guò)載的計(jì)算結(jié)果如表6所示。分析結(jié)果可見(jiàn),3個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)下,天線陣的最大總均方根相對(duì)位移為0.43 mm,即3倍總均方根相對(duì)位移為1.29 mm,則可以認(rèn)為隨機(jī)振動(dòng)下天線陣面的最大位移為1.29 mm,變形在可接受范圍內(nèi)。蒙皮3倍的最大總均方根單向應(yīng)力為140.6 MPa,按照復(fù)合材料的最大拉伸/壓縮破壞準(zhǔn)則考慮,遠(yuǎn)小于材料破壞強(qiáng)度。

表6 隨機(jī)振動(dòng)下的計(jì)算結(jié)果

3.3.4 諧響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)的正弦掃頻頻率從15 Hz到100 Hz,而由前面模態(tài)分析可知,100 Hz以內(nèi)結(jié)構(gòu)的模態(tài)都是沿著橫向上介質(zhì)支撐筒的彎曲模態(tài),而垂向的基頻較高,因此在進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí)主要在水平方向上進(jìn)行。匯總水平方向正弦振動(dòng)分析結(jié)果如表7所示。由分析結(jié)果可見(jiàn),兩個(gè)方向正弦振動(dòng)作用下,最大變形為9.6 mm,位于支撐筒的頂端,支撐筒之間不會(huì)發(fā)生碰撞,變形在可接受范圍內(nèi)。單向最大應(yīng)力為55.6 MPa,按照復(fù)合材料的最大拉伸/壓縮破壞準(zhǔn)則考慮,遠(yuǎn)小于材料破壞強(qiáng)度。

X,Y向諧響應(yīng)下天線單元頂點(diǎn)加速度最大值分別達(dá)到182.3g,176.2g,分別如圖4、圖5所示。

表7 諧響應(yīng)分析結(jié)果

圖4 X向諧響應(yīng)下介質(zhì)支撐筒頂點(diǎn)加速度

圖5 Y向諧響應(yīng)下介質(zhì)支撐筒頂點(diǎn)加速度

3.3.5 熱應(yīng)力分析

為驗(yàn)證游離安裝方式對(duì)熱變形的釋放作用,對(duì)游離安裝方式和全約束安裝方式的熱應(yīng)力情況進(jìn)行了仿真分析和對(duì)比,分別如圖6、圖7所示。與全約束安裝方式相比,采用游離安裝方式后,反射罩杯的最大熱應(yīng)力從979 MPa下降到207 MPa。

圖6 全約束安裝方式熱應(yīng)力云圖

圖7 游離安裝方式熱應(yīng)力云圖

3.4 仿真結(jié)果分析

綜合加速度過(guò)載、隨機(jī)振動(dòng)分析和諧響應(yīng)分析,各部件最大應(yīng)力結(jié)果如表8所示。

表8 各材料部件最大應(yīng)力

取設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.5,根據(jù)分析結(jié)果和各部分材料的許用應(yīng)力計(jì)算了各部件的強(qiáng)度安全裕度,如表9所示。分析結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,且有一定的設(shè)計(jì)余量。

表9 力學(xué)性能符合表

4 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證情況

4.1 天線單元

對(duì)3件天線單元試驗(yàn)件進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn),同時(shí)考慮天線單元在天線陣反射板的響應(yīng)放大效應(yīng),按照仿真分析結(jié)果確定天線單元鑒定級(jí)正弦振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件為:5～16 Hz位移單峰值10.5 mm,16～120 Hz加速度13g,掃頻速率為2 oct/min。3件天線單元試驗(yàn)件均通過(guò)正弦振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的考核,一階頻率分別為62.8,62.3和63.1 Hz。對(duì)比模態(tài)分析結(jié)果,支撐筒的一階頻率分布在61.4～64.1 Hz的區(qū)間內(nèi)。試驗(yàn)和分析的誤差在10%以內(nèi),運(yùn)用上述材料參數(shù)和建模方式建立的支撐筒有限元模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是有效的。

4.2 天線陣

為了對(duì)天線陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析及制造進(jìn)行驗(yàn)證,考核其承受鑒定級(jí)隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件的能力,對(duì)天線陣試驗(yàn)件開(kāi)展鑒定級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn),并且在每次方向正式試驗(yàn)前后進(jìn)行特征級(jí)掃頻試驗(yàn)(10～500 Hz,量級(jí)0.5g,掃頻速率為4 oct/min),以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

按照X,Y,Z向的順序,在各個(gè)方向均先作正弦振動(dòng)后再作隨機(jī)振動(dòng),試驗(yàn)后天線陣外觀無(wú)任何損傷,電性能測(cè)試正常,性能指標(biāo)前后一致。并且在試驗(yàn)前后的特征掃頻試驗(yàn)中,天線陣面上不同位置處天線單元上布置的測(cè)點(diǎn)的特征級(jí)掃頻響應(yīng)譜對(duì)應(yīng)峰值頻率的最大頻差都很小,頻率偏移小于2%,可見(jiàn)試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)特性和健康狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化,試驗(yàn)件通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)的考核。另外,幾個(gè)天線單元的峰值頻率都在62 Hz左右,一致性較好,這說(shuō)明天線陣經(jīng)過(guò)鑒定級(jí)三維編制復(fù)合材料支撐筒的加工離散性較小。以X向試驗(yàn)為例,表10為試驗(yàn)前后特征掃頻曲線峰值頻率頻差表,圖8為測(cè)點(diǎn)1的特征掃頻曲線對(duì)比圖。

表10 X向振動(dòng)試驗(yàn)前后特征掃頻的峰值頻率對(duì)比

圖8 X向振動(dòng)試驗(yàn)前后測(cè)點(diǎn)1特征掃頻曲線對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

星載天線在發(fā)射過(guò)程中經(jīng)歷復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境,進(jìn)行抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)和分析以保障其經(jīng)歷復(fù)雜力學(xué)環(huán)境后可靠工作具有十分重要的意義。本文結(jié)合一種大細(xì)長(zhǎng)比星載螺旋天線陣進(jìn)行了抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì),利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)、加速度過(guò)載、諧響應(yīng)和隨機(jī)振動(dòng)分析,對(duì)其結(jié)構(gòu)基頻和各部件安全裕度要求進(jìn)行對(duì)比考核,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。最后對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果顯示天線單元的峰值頻率在62 Hz左右,試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果一致性較好,并且試驗(yàn)前后特征曲線峰值頻率的頻差較小,天線單元的結(jié)構(gòu)特征和健康狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯變化,螺旋天線陣抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)合理、有效。

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