復(fù)合材料四脊喇叭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

劉建弟，陳浩然，楊 帆，鐘鳴遠(yuǎn)

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

0 引言

隨著射電天文和寬帶偵察電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于寬頻帶、高效率的反射面天線系統(tǒng)的需求越來越迫切。饋源是整個(gè)天線系統(tǒng)的核心部件,其性能好壞決定著天線系統(tǒng)最終使用效果的優(yōu)劣。然而隨著天線口徑的加大，饋源輕量化隨之被人們所關(guān)注。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高熱穩(wěn)定性、高力學(xué)性能、耐蠕變等優(yōu)點(diǎn)[1]，可以實(shí)現(xiàn)航天器以及機(jī)載、艦載等國(guó)防裝備輕量化[1-2]。碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用在雷達(dá)結(jié)構(gòu)中包括反射面、波導(dǎo)、喇叭天線等功能件，也包括各類框架、顯控臺(tái)、機(jī)架、背架等結(jié)構(gòu)件。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料完全符合電子設(shè)備領(lǐng)域的高精度、輕型化、小型化和結(jié)構(gòu)/功能一體化的要求[3-5]，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在主面、副面以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)件上，利用復(fù)合材料制作四脊喇叭是解決其重量問題的有效方法。

本文根據(jù)四脊喇叭輕量化的實(shí)際需求，進(jìn)行了復(fù)合材料四脊喇叭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型工藝的研究。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

1.1 研究對(duì)象分析

本研究對(duì)象為四脊喇叭，其結(jié)構(gòu)包括喇叭體，脊片(四根)、介質(zhì)、測(cè)試探針(2根)、蓋板。四脊喇叭大頭直徑1490mm，小頭直徑316mm，總高度為488.6mm，壁厚為0.5mm～13.6mm的漸變壁厚，脊的厚度為32.3mm。四脊間的間隙均勻性是影響產(chǎn)品電氣性能的關(guān)鍵，本產(chǎn)品四脊間的間隙要求為4.5mm。

為了提升喇叭的電氣性能，實(shí)現(xiàn)79°照射角的工程要求，對(duì)脊曲線和喇叭壁曲線進(jìn)行賦形，并在中央加載兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)棒，利用電磁仿真軟件對(duì)喇叭的電性能進(jìn)行仿真分析，如圖1所示，從仿真結(jié)果可知，喇叭兩端口的隔離度優(yōu)于50db；兩端口的駐波良好，均低于2。

如圖2所示，從喇叭的低、中、高頻點(diǎn)饋源輻射方向圖可知，在大照射角情況下，等化性能良好，滿足照射需求；天線的口徑效率均高于55%。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模仿真

在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主要材料，對(duì)四脊喇叭的模型進(jìn)行合理的分體設(shè)計(jì)，并根據(jù)電氣的設(shè)計(jì)，在保證內(nèi)腔尺寸不變的基礎(chǔ)上，以四根脊為分界線，喇叭體采用碳纖維層合板加筋結(jié)構(gòu)，保證其整體具有足夠的剛度和強(qiáng)度。將脊、喇叭體及蓋板單獨(dú)成型后再組裝，圖3為四脊喇叭結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對(duì)比示意圖。

根據(jù)四脊喇叭本身電氣性能要求，四脊精度要求高，且形狀復(fù)雜，選用2A12-T4鋁合金材質(zhì)，喇叭瓣改為均勻一致厚度的結(jié)構(gòu)，采用碳纖維層合板加筋結(jié)構(gòu)，碳布牌號(hào)3021，樹脂選用環(huán)氧膠粘劑，層合板厚度1.5mm。

碳纖維復(fù)合材料、泡沫夾芯材料等效屬性及鋁合金材料屬性如表1-表3所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料屬性

表2 泡沫夾芯材料

表3 鋁合金材料屬性

利用仿真軟件Abaqus，分別對(duì)喇叭體蒙皮，加強(qiáng)筋，鋁合金板及底座幾何模型加載材料屬性，并劃分網(wǎng)格。對(duì)喇叭的四個(gè)吊耳施加固支約束，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加豎直向下的重力載荷，如圖4所示。

在其自身重力載荷的作用下，分別在0°、30°、60°、90°角度下，對(duì)四脊喇叭進(jìn)行相應(yīng)的仿真，得到了喇叭在以上工況下的變形及應(yīng)力分布。

圖4 四脊喇叭仿真分析

1.3 仿真結(jié)果及分析

綜合仿真結(jié)果，可以得到：當(dāng)喇叭位于不同方向時(shí)，在重力載荷的作用下其應(yīng)力及位移均較小，在安全范圍內(nèi)。其中，當(dāng)喇叭位于90°方向時(shí)，應(yīng)力水平較大，最大應(yīng)力為1.091MPa，如圖5左圖所示；當(dāng)喇叭位于30°方向時(shí)，位移水平較大，最大位移為1.01e-2mm，見圖5右圖。

2 工藝設(shè)計(jì)及過程

2.1 工藝流程

圖6 總工藝流程簡(jiǎn)圖

從四脊喇叭饋源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真結(jié)果得知，將四脊喇叭以四根脊作為拆分界線，四根脊與四個(gè)喇叭體單瓣組裝的八瓣體形式結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，在不同姿態(tài)下的應(yīng)力與變形，均不影響?zhàn)佋吹碾姎庑阅?。按照此種拆分形式，采用鋁合金脊片與復(fù)合材料喇叭單瓣分別成型且零件檢測(cè)合格后再進(jìn)行整體裝配的路線來完成四脊喇叭的研制，其研制的總體工藝流程如圖6所示。鋁合金機(jī)加工工藝為成熟的制造工藝，本文主要針對(duì)復(fù)合材料喇叭單瓣制作論述。

此外，對(duì)電氣性能要求很高的碳纖維制件，必須進(jìn)行金屬化處理，因此，本研究金屬化采用金屬轉(zhuǎn)移法來實(shí)現(xiàn)，而且為保證金屬化的連續(xù)可靠性，將金屬膜的厚度控制在100 μm～120 μm之間。

2.2 喇叭體成型及組裝驗(yàn)證

復(fù)合材料四脊喇叭的成型需要依托模具，因此模具是其制造過程的關(guān)鍵裝備，直接關(guān)系到制件成型質(zhì)量的優(yōu)劣。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足構(gòu)件成型精度要求的前提下應(yīng)考慮模具的成型和制造工藝性、剛性、耐用度等方面的要求[6-7]。因此，基于球墨鑄鐵模具的良好性能，經(jīng)過綜合考慮，選擇了鑄鐵模具作為碳纖維喇叭瓣的成型模具，且模具結(jié)構(gòu)形式為陽模，喇叭內(nèi)表面為模具的貼模面，在模具成型面設(shè)計(jì)擋邊，便于成型喇叭的翻邊，同時(shí)可用于定位加強(qiáng)筋的安裝，經(jīng)加工制造后模具型面精度RMS≤0.05mm。

圖7 喇叭瓣成型工藝流程圖

為滿足組裝后喇叭體的高精度，必須控制單塊零件喇叭的精度。單塊喇叭成型工藝采用濕法工藝，有效解決了因熱脹冷縮造成的型面變形問題。碳纖維喇叭瓣的整體壁厚1.5mm，為方便鋪層設(shè)計(jì)及控制形變，主材選用單層厚度為0.25mm的3K碳纖維編織布，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)行鋪貼，采用45℃、4h的固化參數(shù)。喇叭瓣固化后不進(jìn)行脫模，在模具上進(jìn)行加強(qiáng)筋的膠粘操作。喇叭瓣成型的工藝流程參見圖7。對(duì)喇叭體單瓣精度及重量進(jìn)行檢測(cè)，成型的單塊喇叭重量3kg左右，型面精度RMS≤0.12mm。

成型的復(fù)合材料喇叭瓣與鋁合金脊片機(jī)加工及表面處理完成后進(jìn)行螺連組裝。經(jīng)過檢測(cè)，組裝后喇叭曲面精度RMS≤0.3 mm。根據(jù)電氣要求，對(duì)復(fù)合材料四脊喇叭進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，其結(jié)果見圖8，從圖中可以看出復(fù)合材料四脊喇叭駐波比及端口隔離度與仿真結(jié)果相吻合并可滿足使用要求。

研制的復(fù)合材料四脊喇叭通過了電氣性能的測(cè)試，復(fù)合材料四脊喇叭與同結(jié)構(gòu)的鋁合金喇叭相比，重量減輕了23%左右。

3 結(jié)論

以1.49m口徑的四脊喇叭作為研究對(duì)象，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，給出了合理的復(fù)合材料成型方案，通過相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)制備了復(fù)合材料四脊喇叭，驗(yàn)證了復(fù)合材料四脊喇叭的可行性。與同結(jié)構(gòu)的鋁合金材質(zhì)相比，重量減輕約23%，并通過電氣測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。為該類型大口徑電氣復(fù)合材料制件的研制提供了技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐參考，有利于復(fù)合材料四脊喇叭饋源在雷達(dá)天線產(chǎn)品中逐步推廣應(yīng)用，并對(duì)產(chǎn)品的輕量化起到了重要的作用。