某車載一體化共形天線骨架設(shè)計(jì)*

靳含飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

引 言

隨著軍工電子產(chǎn)品集成化程度越來越高，結(jié)構(gòu)/熱等多功能一體化結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。天線陣面骨架是某車載機(jī)動(dòng)相控陣設(shè)備收發(fā)組件、天線單元等設(shè)備的主承力結(jié)構(gòu)，為天線、收發(fā)組件等提供結(jié)構(gòu)所需的剛強(qiáng)度，確保天線在各種工作模式下的平面度及指向精度。同時(shí)陣面骨架亦為系統(tǒng)液冷管網(wǎng)的核心組成部分及內(nèi)嵌流道，負(fù)責(zé)將冷卻液合理分配至收發(fā)組件、電源等單機(jī)。單機(jī)熱量通過水冷板與冷卻液高效換熱，保證發(fā)熱器件工作在合理的溫度范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)任務(wù)的可靠性。

本文從設(shè)計(jì)需求出發(fā)，提取了產(chǎn)品的關(guān)鍵需求，總結(jié)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，提出了一種機(jī)熱高度耦合的陣面設(shè)計(jì)方案，從系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等多個(gè)方面進(jìn)行論證分析，并采用有限元法對(duì)系統(tǒng)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及熱性能進(jìn)行了仿真評(píng)估。文中提出的多功能一體化設(shè)計(jì)方法可為后續(xù)型號(hào)的輕量化、集成化設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體布局設(shè)計(jì)

對(duì)陣面和車體進(jìn)行一體化共形設(shè)計(jì)。天線陣面縱切面呈n形，天線主體尺寸為8 m×2.5 m。要求骨架質(zhì)量≤1.2 t，天線靜態(tài)變形≤0.5 mm，在運(yùn)輸振動(dòng)條件下動(dòng)態(tài)變形≤5 mm，安裝骨架剛強(qiáng)度要求高。

全陣分為24個(gè)區(qū)，前4區(qū)為收發(fā)天線，后20區(qū)為接收天線，每個(gè)區(qū)由15個(gè)天線組件組成（天線組件為外場最小可更換單元）。整車結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 整車布局設(shè)計(jì)

1.2 一體化骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陣面骨架主要由28塊L型共形冷板（6塊發(fā)射冷板和22塊接收冷板）、1根頂部縱向大梁、4條供/回水管和1個(gè)互聯(lián)結(jié)構(gòu)件組成。

天線一體化骨架采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由艙頂部縱梁、28塊L型冷板等拼裝而成，整體安裝在車載平臺(tái)上。左右兩側(cè)各14塊L型冷板沿車體左右對(duì)稱布置，冷板通過兩端的法蘭分別與頂部縱梁和車體平臺(tái)相連。28塊L型液冷板既是天線組件的安裝基礎(chǔ)，也是環(huán)控管路的一部分。天線艙左右兩側(cè)緊靠支撐腿各布置一條主管路，分別負(fù)責(zé)左右兩側(cè)天線組件和收發(fā)電源的冷卻。一體化共形天線骨架的布局如圖2所示。

圖2 天線骨架布局

1.3 共形冷板設(shè)計(jì)

全車共28塊L型一體化共形冷板，其中發(fā)射組件區(qū)有6塊，接收組件區(qū)有22塊。發(fā)射組件為穿通式液冷，每塊發(fā)射L型一體化共形冷板為15個(gè)組件提供流量分配，冷板與組件之間采用軟管互聯(lián)。冷板采用Al6061（T6）鋁合金焊接成型，焊后進(jìn)行固溶強(qiáng)化處理，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的剛強(qiáng)度。冷板兩端通過法蘭與整車大梁及車體互聯(lián)。

一體化接收共形冷板的設(shè)計(jì)架構(gòu)與發(fā)射冷板相同，成型方式也類似。與發(fā)射冷板不同的是，接收組件采用熱傳導(dǎo)散熱方案，組件通過導(dǎo)熱襯墊消隙后直接與L型冷板貼裝導(dǎo)熱。

1.4 組件維修性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)布局充分考慮維修性，應(yīng)便于自身的拆裝和維護(hù)，做到可達(dá)、可修，且不影響雷達(dá)設(shè)備的維護(hù)。系統(tǒng)外場可更換單元包含發(fā)射組件、接收組件及電源模塊。發(fā)射組件先與天線單元進(jìn)行集成安裝與調(diào)試，再與L型冷板安裝。維修時(shí)先斷開2個(gè)快速水接頭以及電連接器，松開4顆M6松不脫緊固件即可實(shí)現(xiàn)快速拆卸（圖3），方便快捷。接收組件除無需拆裝水接頭外，其維護(hù)過程與發(fā)射組件相同。

圖3 組件維修

2 力學(xué)仿真分析

2.1 建模簡化

考慮到計(jì)算規(guī)模，在不影響仿真精度的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理。去除一體化共形冷板線槽蓋板及附件等對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的特征，保留共形冷板內(nèi)部流道、冷板加強(qiáng)筋、穿線孔及共形冷板與縱向大梁連接部位的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于一體化共形冷板、頂部大梁、側(cè)部大梁和收發(fā)子陣，采用殼單元+結(jié)合單元混合建模方式進(jìn)行簡化。

2.2 仿真工況

主要分析設(shè)備在自重、運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)和運(yùn)輸沖擊3種條件下的應(yīng)力和變形。沖擊振動(dòng)按后鋒鋸齒波、沖擊量級(jí)20g和11 ms執(zhí)行。隨機(jī)振動(dòng)參照GJB 150.16A—2009組合式雙輪拖車振動(dòng)譜線執(zhí)行。

2.3 邊界約束

天線陣面通過28條支撐腿及天線頂部大梁端面與車體連接，有限元建模時(shí)所有與車體連接的端面處均采用固定約束。接收組件、發(fā)射組件與一體化共形冷板在對(duì)應(yīng)螺釘孔位置建立約束，采取多點(diǎn)約束方式連接。

2.4 自重載荷仿真結(jié)果

天線陣面在自重作用下的仿真結(jié)果如圖4所示。最大位移發(fā)生在艙頂從前向后第10排L型冷板附近的接收組件上，最大值為0.26 mm，滿足變形不大于0.5 mm 的要求；在自重載荷作用下最大應(yīng)力為9.5 MPa，遠(yuǎn)小于冷板材料6061（T6）的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足使用要求。

圖4 自重載荷應(yīng)力云圖

2.5 隨機(jī)振動(dòng)

對(duì)天線陣面進(jìn)行3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)仿真，結(jié)果如圖5所示。在垂向載荷作用下位移最大，最大位移出現(xiàn)在艙頂接收組件上，3σ最大位移為1.88 mm，滿足在動(dòng)載荷作用下天線變形不超過5 mm的要求。在橫向載荷作用下應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為138 MPa，小于冷板Al6061（T6）的屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)大于1.5的使用要求。

圖5 3σ應(yīng)力云圖

2.6 沖擊仿真

對(duì)天線陣面進(jìn)行3個(gè)方向的沖擊載荷仿真，結(jié)果如圖6所示。在垂向載荷作用下位移最大，最大位移為4.9 mm，出現(xiàn)在艙頂接收組件上，滿足在動(dòng)載荷作用下天線變形不超過5 mm的要求。在垂向載荷作用下應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為154 MPa，小于冷板Al6061（T6）的屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)大于1.5的使用要求。

圖6 沖擊應(yīng)力云圖

3 系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)與仿真

3.1 管網(wǎng)布局設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管網(wǎng)跨度大，支路多，管路串并結(jié)合，指標(biāo)要求收發(fā)組件的溫度一致性≤10°C，各支路的流量分配一致性≤±10%[5]。管網(wǎng)設(shè)計(jì)在保證流量分配均勻、流阻滿足使用條件的同時(shí)，需兼顧系統(tǒng)的使用性和維修性。管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案如下：液冷源供給的冷卻液分2路進(jìn)入天線艙，左側(cè)管路負(fù)責(zé)左側(cè)天線陣面、電源及2個(gè)機(jī)柜的液冷分配；右側(cè)管路負(fù)責(zé)右側(cè)天線陣面、電源及2臺(tái)水冷空調(diào)的液冷分配。液冷管網(wǎng)分配原理如圖7所示。

圖7 管網(wǎng)分配原理圖

3.2 流量計(jì)算

冷卻介質(zhì)為66%乙二醇水溶液，入口溫度為28°C。指標(biāo)要求收發(fā)組件的溫度一致性不大于10°C，在綜合考慮冷板、管路溫度梯度的條件下，進(jìn)出口溫升Δt取4°C。根據(jù)28°C時(shí)乙二醇溶液的各項(xiàng)參數(shù)，帶入以下公式計(jì)算流量Q：

式中：P為冷卻介質(zhì)的熱量；ρ為冷卻介質(zhì)的密度；Cp為冷卻介質(zhì)的比熱容。

計(jì)算得各個(gè)設(shè)備的流量需求，見表1，流量合計(jì)為25.56 m3/h。

表1 各設(shè)備的流量需求表

3.3 流量分配計(jì)算

利用專業(yè)CFD流體軟件對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)各支路的流量分配情況進(jìn)行詳細(xì)仿真分析。從仿真結(jié)果可以看出，發(fā)射組件的分配流量在額定供液流量的±5%以內(nèi)，流量一致性滿足不大于±10%的指標(biāo)要求。計(jì)算的組件流量見表2。

表2 計(jì)算的組件流量L·min-1

3.4 溫度一致性仿真

針對(duì)發(fā)射組件的溫度一致性，選取一個(gè)區(qū)域15個(gè)發(fā)射組件進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖8所示。從仿真結(jié)果可知，在整個(gè)陣面范圍內(nèi)，發(fā)射組件功放芯片表面的最高溫度低于45.46°C，最大溫差小于7.96°C，器件殼體溫度及溫度一致性均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。接收組件采用導(dǎo)冷散熱，考慮到邊界影響，采取了相鄰兩個(gè)區(qū)域共30個(gè)組件進(jìn)行仿真分析。在整個(gè)陣面范圍內(nèi)，接收組件芯片表面的最高溫度為39.2°C，芯片之間的最大溫差小于8.2°C，器件殼體溫度及溫度一致性均滿足指標(biāo)要求。

圖8 發(fā)射子陣溫度一致性仿真

4 結(jié)束語

本文介紹了某車載機(jī)動(dòng)式相控陣測控設(shè)備陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)方案，并采用有限元方法對(duì)系統(tǒng)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及熱性能進(jìn)行了仿真評(píng)估。方案的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，目前該產(chǎn)品已完成交付，工作穩(wěn)定可靠，滿足用戶使用要求。文中提出的對(duì)結(jié)構(gòu)桁架與冷卻進(jìn)行多功能一體化設(shè)計(jì)的方法可為車載平臺(tái)、機(jī)載平臺(tái)、太陽能智能蒙皮等產(chǎn)品的輕量化、集成化設(shè)計(jì)提供借鑒。

后續(xù)還可利用有限元拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)該型號(hào)的一體化共形冷板進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，對(duì)共形冷板的流道布局和流阻匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高其換熱效率和天線均溫性能。