大型平面天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形影響因素分析*

楊留義，楊雨田，楊志甫，趙軍忠，趙 波，史永康

大型平面天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形影響因素分析*

楊留義，楊雨田，楊志甫，趙軍忠，趙 波，史永康

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)是大型車(chē)載天線的重要組成部分，其變形直接影響天線的性能指標(biāo)。為控制天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的變形，針對(duì)某大型平面天線復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，采用有限元法建立仿真分析模型，在結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，分析不同復(fù)合材料鋪層方案及背部支撐位置對(duì)典型工況下結(jié)構(gòu)變形的影響。分析結(jié)果表明，增加復(fù)合材料鋪層厚度，可以減小變形。對(duì)于給定結(jié)構(gòu)形式可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)臂支撐點(diǎn)選取在系統(tǒng)整體重心所在縱向線上可使得整體結(jié)構(gòu)變形最小。分析結(jié)果為大型天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

平面天線；天線結(jié)構(gòu)；可展開(kāi)；結(jié)構(gòu)變形

引 言

隨著雷達(dá)性能要求的不斷提高，雷達(dá)天線口徑尺寸越來(lái)越大。為滿足車(chē)載雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能和公路、鐵路等運(yùn)輸界限要求，大口徑雷達(dá)天線需要引入可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)。拋物面天線具有較高的剖面，折疊時(shí)存在分塊數(shù)量較多，折疊與展開(kāi)機(jī)構(gòu)動(dòng)作較多的問(wèn)題[1]。相比拋物面天線，平面陣列天線具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易與車(chē)體共形等優(yōu)勢(shì)，在車(chē)載雷達(dá)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用研究[2-7]。

大型平面陣列天線支撐結(jié)構(gòu)一般采用沿車(chē)體橫向分塊的形式，實(shí)現(xiàn)折疊與展開(kāi)狀態(tài)的變化。根據(jù)天線口徑尺寸的不同，分塊數(shù)存在一定的區(qū)別。文獻(xiàn)[2]針對(duì)包含上下兩個(gè)陣面的大尺寸平面陣列天線，提出了前翻四連桿折疊與展開(kāi)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了平面陣列天線雷達(dá)的高效率收納，滿足了海陸空多種運(yùn)輸方式的兼容設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)6.4m×4m的高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線陣面可展開(kāi)結(jié)構(gòu)需求，采用擺動(dòng)缸結(jié)合電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)方案，提出了集大角度翻轉(zhuǎn)、俯仰、舉高、定位和鎖緊等動(dòng)作的多功能集成化機(jī)構(gòu)方案。文獻(xiàn)[4]通過(guò)將天線單元分步折疊和陣列骨架分塊折疊的方案，實(shí)現(xiàn)了18m×6m口徑陣列天線的快速架設(shè)與撤收。為滿足大型高精度天線陣面的需求，文獻(xiàn)[5]引入多個(gè)作動(dòng)器，提出了類似Stewart機(jī)構(gòu)的平面天線高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了5m×5m口徑平面天線陣面精度不大于1mm的目標(biāo)。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]采用有限元方法建立了平面陣列天線展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)在靜力和動(dòng)力載荷作用下的分析模型，分析了風(fēng)載、自重等載荷對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形的影響，為平面可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析方法。目前，平面陣列天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)一般采用鋼材或鋁合金材料，具有較大的結(jié)構(gòu)自重，影響了平面陣列天線形面精度的提升。碳纖維復(fù)合材料具有較大的比強(qiáng)度、比剛度，是減小可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重量、提升結(jié)構(gòu)形面精度的有效解決方案。

本文面向大型平面天線設(shè)計(jì)需求，針對(duì)復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，采用有限元方法建立復(fù)合材料鋪層方案及驅(qū)動(dòng)臂支撐布局形式對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形影響的分析模型，分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)典型工況下變形的影響，為大型平面天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析模型

某地面遙測(cè)系統(tǒng)采用平面陣列天線形式，為減輕可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重量，提高整體系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性能，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)制成。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)可以整體固化成型，在連接接口處預(yù)埋金屬件實(shí)現(xiàn)附屬部件的連接。根據(jù)平面陣列天線尺寸和重量，以及天線座安裝接口要求，確定了平面天線可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的外形，如圖1所示。可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6300mm，寬度為2300mm，有效載荷重量為800kg?？烧归_(kāi)支撐結(jié)構(gòu)一側(cè)通過(guò)4個(gè)鉸鏈與中間支撐結(jié)構(gòu)連接，另一側(cè)自由，通過(guò)2個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)支撐臂實(shí)現(xiàn)陣面支撐結(jié)構(gòu)的折疊與展開(kāi)動(dòng)作，并在工作狀態(tài)提供一定的結(jié)構(gòu)剛度。為滿足天線工作性能需求，在有效載荷重量和風(fēng)載荷共同作用下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)上安裝平面均方根誤差RMS不大于1.5mm[8,9]。

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料面板和中間輕質(zhì)的芯材粘接而成，在結(jié)構(gòu)重量增加較少的情況下，可以有效提升結(jié)構(gòu)的抗彎和抗扭剛度。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面板設(shè)計(jì)采用T700/3234預(yù)浸料成型，材料參數(shù)見(jiàn)表1，單層厚度為0.16mm。芯材選用聚甲基丙烯酰亞胺，避免蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)存在的面板與蜂窩界面的濕熱腐蝕問(wèn)題。夾芯泡沫材料密度約120kg/m3。

圖1 展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)外形

表1 T700/3234單向布性能參數(shù)[10]

風(fēng)載荷是車(chē)載雷達(dá)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的載荷，對(duì)天線工作性能具有重要影響。在可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)分析時(shí)，考慮風(fēng)載荷影響，引入風(fēng)載荷系數(shù)，將風(fēng)載荷等效為靜載荷進(jìn)行分析?？紤]風(fēng)阻系數(shù)影響，迎風(fēng)面動(dòng)風(fēng)壓計(jì)算公式為

取俯仰0°迎風(fēng)、俯仰45°迎風(fēng)和俯仰90°三種典型工況進(jìn)行分析，分析工況示意圖如圖2所示。8級(jí)風(fēng)速取為20.0m/s，大氣密度為1.225kg/m3。對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，風(fēng)阻系數(shù)d依據(jù)文獻(xiàn)[11]取值為1.6，則迎風(fēng)面所產(chǎn)生的動(dòng)壓力為392.0Pa。

采用多點(diǎn)耦合約束的方式，約束鉸鏈安裝孔附近單元節(jié)點(diǎn)自由度。鉸鏈安裝孔附近單元節(jié)點(diǎn)僅具有繞可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向旋轉(zhuǎn)的自由度。通過(guò)建立等效加載面的方式引入有效載荷。根據(jù)有效載荷支撐結(jié)構(gòu)性能以及有效載荷重量，設(shè)置等效加載面彈性模量為2.7GPa，厚度為30mm，密度設(shè)置為1840kg/m3。對(duì)于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，由于上下面板彈性模量大，主要承受拉壓載荷，中間較厚的輕質(zhì)芯材主要承受壓縮載荷?？紤]到中間夾芯結(jié)構(gòu)自身剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響很小，為簡(jiǎn)化分析模型，在有限元分析過(guò)程中忽略中間芯材對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，僅考慮碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。對(duì)于等效加載面與復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，分別采用殼單元進(jìn)行建模。等效加載面設(shè)置為約束主面，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為300mm，與可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的上表面采用綁定約束。復(fù)合材料面板網(wǎng)格尺寸設(shè)置為30mm，并在應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。鉸鏈連接區(qū)域通過(guò)多點(diǎn)耦合約束的方式約束到參考點(diǎn)上。參考點(diǎn)約束設(shè)置為繞可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向自由，約束其余自由度。驅(qū)動(dòng)臂材料模型設(shè)置為鋼材，彈性模量設(shè)置為210GPa，泊松比設(shè)置為0.27，密度設(shè)置為7800kg/m3。驅(qū)動(dòng)臂位移邊界條件設(shè)置為一端固定，另一端與可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)局部連接區(qū)域單元節(jié)點(diǎn)采用耦合自由度的方式約束。驅(qū)動(dòng)臂采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分?？烧归_(kāi)支撐結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖3所示。

圖2 可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)典型載荷工況

圖3 可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2 鋪層方案對(duì)變形的影響

復(fù)合材料鋪層方案對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)成型后的性能具有重要影響。考慮到可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中需要承受彎曲、剪切等載荷共同作用，為保證可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)具有較好的剪切與拉壓強(qiáng)度，并避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用0°，+45°，–45°，90°四種鋪層角交錯(cuò)鋪層方式。為提高可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)抗沖擊性能，在可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的外表面鋪設(shè)2層平紋編織預(yù)浸布，鋪設(shè)角度與可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的橫向或縱向的夾角為45°。

為分析鋪層數(shù)量對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形的影響，在鋪設(shè)面積保持不變的情況下，分析以下三種不同鋪層數(shù)量下可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的變形情況：鋪層方案A的鋪層厚度為3.2mm，鋪層順序?yàn)閇0/+45/–45/90]4[+45/–45]2；鋪層方案B的鋪層厚度為3.84mm，鋪層順序?yàn)閇0/+45/–45/90]5[+45/–45]2；鋪層方案C的鋪層厚度為4.48mm，鋪層順序?yàn)閇0/+45/–45/90]6[+45/–45]2。不同鋪層數(shù)量下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)上安裝面RMS分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋪層方案對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)形面精度的影響

根據(jù)表2可知，在相同結(jié)構(gòu)形式下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)RMS隨鋪層厚度的增加而近似線性減小。對(duì)于三種典型工況，當(dāng)鋪層厚度增加20%時(shí)，RMS約減少11%。相比其他兩種工況，工況2下可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)RMS最大。需要指出的是，復(fù)合材料鋪層厚度的增加將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量和成本的增加，一般以薄壁結(jié)構(gòu)為主。

對(duì)于工況2，在自重和風(fēng)載荷影響下，采用鋪層方案C的可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形分布如圖4所示。根據(jù)位移分布云圖，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在遠(yuǎn)離地面的伸出端邊角處，最大變形為3.84mm，說(shuō)明靠近伸出端橫梁剛度偏小，需要進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)剛度。

3 驅(qū)動(dòng)臂支撐位置對(duì)變形的影響

可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)背部布置的2個(gè)雙向推拉驅(qū)動(dòng)臂實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的展開(kāi)與折疊動(dòng)作。展開(kāi)到位后，驅(qū)動(dòng)臂自鎖，實(shí)現(xiàn)到位鎖定。為合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)臂支撐位置，以鋪層方案C為例，在驅(qū)動(dòng)臂總質(zhì)量不變的前提下，分析驅(qū)動(dòng)臂布局形式對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形的影響。三種典型驅(qū)動(dòng)臂布置方案如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)臂支撐位置

不同驅(qū)動(dòng)臂布置方案下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)上安裝面RMS如表3所示。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于所分析的可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)臂質(zhì)量不變的情況下，驅(qū)動(dòng)臂支撐位置布置在可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重心位置附近可以使得可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的RMS最小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)臂支撐位置遠(yuǎn)離可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重心位置時(shí)，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的RMS將增大。驅(qū)動(dòng)臂支撐位置布置在可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重心與鉸鏈之間時(shí)，在相同載荷工況下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的RMS將大于驅(qū)動(dòng)臂支撐位置布置在重心與自由伸出端之間的情況。

表3 驅(qū)動(dòng)臂支撐位置對(duì)可展開(kāi)支撐形面精度的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

面向大型平面天線技術(shù)需求，提出了復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)方案。采用有限元方法，分析了鋪層數(shù)量、驅(qū)動(dòng)臂支撐位置等因素對(duì)復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形的影響，實(shí)現(xiàn)了滿足變形要求的可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，在相同截面形式下，可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形隨復(fù)合材料鋪層厚度的增加而線性減小。在驅(qū)動(dòng)臂總質(zhì)量不變的前提下，驅(qū)動(dòng)臂支撐位置布置在可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)重心位置附近時(shí)具有最大的結(jié)構(gòu)承載效率，遠(yuǎn)離重心位置時(shí)，復(fù)合材料可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)的變形將增大。關(guān)于芯材性能及芯材截面形式等對(duì)可展開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)變形的影響將在進(jìn)一步工作中考慮。本文結(jié)果可為大型天線可展開(kāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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Influencing factors on deformation of deployable support structure for large planar array antenna

YANG Liuyi, YANG Yutian, YANG Zhifu, ZHAO Junzhong, ZHAO Bo, SHI Yongkang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Deployable structure is one of the key components for large vehicle-borne antenna, and deformation of the deployable structure affects the antenna performance directly. Finite element model of a composite deployable structure is presented for a large planar array antenna. Effects of the number of composite plies and the support positions of deployable boom on the deformation are analyzed for a certain deployable structure. Results indicate that the deformation will reduce with the increase of the number of composite plies. Besides, support positions of the deployable booms should be near the gravity center of the system in order to reduce the deformation. Results of this paper provide valuable information about optimization design of deployable structure of large antenna.

Planar array antenna; Antenna structure; Deployable structure; Deformation

TN957.2

A

CN11-1780(2019)05-0042-05

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

總裝預(yù)研項(xiàng)目支持

2019-06-11

2019-09-09

楊留義 1988年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榭烧归_(kāi)天線結(jié)構(gòu)技術(shù)。

楊雨田 1982年生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

楊志甫 1981年生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)與天線熱控技術(shù)。

趙軍忠 1959年生，研究員，主要研究方向?yàn)楹教祀娮釉O(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)。

趙 波 1982年生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)技術(shù)。

史永康 1979年生，研究員，主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)技術(shù)。