射頻電纜組件剛度仿真與優(yōu)化研究

鄒作濤，朱 寧,2

(1.貴州航天電器股份有限公司 貴陽 550025；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

1 前言

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻電纜組件的應(yīng)用也越來越廣泛。射頻電纜組件是傳輸通訊引號的重要部件，可實現(xiàn)信號傳輸路徑的阻抗匹配、能量傳輸[1]，在航空航天等行業(yè)的導(dǎo)航、通信載荷等部件中有大量應(yīng)用[2]。

射頻電纜組件中有很多射頻連接器和電纜組成，在設(shè)計階段需要充分考慮其結(jié)構(gòu)特性，才能保證產(chǎn)品正常使用[3]。連接器在整體對接過程中會產(chǎn)生較大的總體插入力，會導(dǎo)致射頻電纜組件蓋板變形，當(dāng)蓋板變形超過設(shè)計指標(biāo)時便可能導(dǎo)致連接器接觸不良，因此需要對蓋板的變形量進行計算和仿真優(yōu)化。

本文應(yīng)用ANSYS對射頻電纜組件的蓋板剛度進行仿真分析，得出其變形量，并與設(shè)計指標(biāo)進行對比，對比結(jié)果表明兩側(cè)蓋板的變形量均超過設(shè)計指標(biāo)。通過改變安裝方式和蓋板厚度兩種優(yōu)化方案對產(chǎn)品的蓋板部分進行優(yōu)化后仿真，得出其變形量達到設(shè)計指標(biāo)。最后通過試驗驗證了仿真的正確性，剛度仿真為射頻電纜組件設(shè)計提供了有力支撐，保證了設(shè)計方案的可行性。

2 射頻組件蓋板剛度計算

射頻電纜組件模型如圖1，上側(cè)由34塊SMP蓋板組成，下側(cè)為1塊SSMP蓋板和2塊輔助板組成。

圖1 射頻電纜組件上下視圖

對于上蓋板，因為整條蓋板上均布這SMP連接器，因此總體的插入力基本是均勻作用在上蓋板整個上表面，可應(yīng)用固支梁公式得出其變形量[4]：

(1)

式中，f為上蓋板最大變形量，q為線均布載荷密度，l為上蓋板長度，E為上蓋板材料彈性模量，I為上蓋板的截面慣性矩，可查表求得。

代入相應(yīng)的設(shè)計值，可以得出上蓋板最大變形了Y=0.42mm。

對于下蓋板，其SSMP連接器集中在整個蓋板的中間部分，下蓋板為兩側(cè)固定的平板，中心區(qū)域受到一個集中力，這個用公式很難計算，后續(xù)應(yīng)用ANSYS進行仿真與優(yōu)化。

3 蓋板剛度仿真分析與優(yōu)化

3.1 上蓋板剛度仿真

上蓋板剛度仿真邊界條件設(shè)定如圖2所示，固定射頻電纜組件主框架四個表面，圖中A所示，給上蓋板上表面加載384N的均布式載荷，圖中B所示。

圖2 上蓋板剛度仿真邊界條件設(shè)定圖

材料為鋁合金，彈性模量70GPa，泊松比0.3，因為整體為彈性變形，設(shè)定為彈性材料即可。

得出上蓋板變形量分布如圖3，上蓋板最大變形量為0.45mm，分布在中間位置，比計算值略大，因為上蓋板兩側(cè)也可以少量變形，而計算中按照固定處理。變形量大于設(shè)計指標(biāo)0.3mm，需進行優(yōu)化。

圖3 上蓋板變形量分布圖

3.2 上蓋板剛度優(yōu)化與仿真

要減小上蓋板的變形量主要有加厚、加寬或者改變材料，加厚會導(dǎo)致整體重量的大幅度提高，不利于總體產(chǎn)品的減重要求，材料因為受很多因素的影響，不好隨意改變，而且鋁合金是比強度很高的材料。因此上蓋板的優(yōu)化思路主要從增加寬度方面考慮，可以考慮將中心上蓋板和旁邊的上蓋板連接起來，組成一個整體，可以有效降低中心上蓋板的變形量。

仿真的邊界條件基本不變，僅需將中心蓋板和旁邊一塊蓋板之間增加一個綁定的接觸對。

得出優(yōu)化后上蓋板變形量分布如圖4，上蓋板最大變形量降低到0.25mm，分布在受力上蓋板的中間位置，小于設(shè)計指標(biāo)0.3mm，滿足設(shè)計要求。

圖4 優(yōu)化后上蓋板變形量分布圖

3.3 下蓋板剛度仿真

下蓋板剛度仿真邊界條件設(shè)定如圖5所示，固定射頻電纜組件主框架四個表面，圖中B所示，給下蓋板中心加載768N的均布式載荷，圖中A所示。

圖5 下蓋板剛度仿真邊界條件設(shè)定圖

材料為鋁合金，彈性模量70GPa，泊松比0.3，因為整體為彈性變形，設(shè)定為彈性材料即可。

得出下蓋板變形量分布如圖6，下蓋板最大變形量為0.53mm，分布在中間位置。變形量大于設(shè)計指標(biāo)0.2mm，需進行優(yōu)化。

圖6 下蓋板變形量分布圖

3.4 下蓋板剛度優(yōu)化與仿真

要減小下蓋板的變形量也可以從加厚、加寬或者改變材料來考慮，材料同樣不適合隨意改變，而下面輔助板也需要受力，不適合與下蓋板連接在一起，因此只能從加厚角度進行優(yōu)化，將下蓋板厚度由原來的7mm加厚到8mm。

仿真的邊界條件基本不變，更新三維模型即可。

得出優(yōu)化后下蓋板變形量分布如圖7，上蓋板最大變形量降低到0.19mm，分布在受力上蓋板的中間位置，小于設(shè)計指標(biāo)0.2mm，滿足設(shè)計要求。

圖7 優(yōu)化后下蓋板變形量分布圖

4 實驗測試

根據(jù)優(yōu)化后的方案進行設(shè)計并制造樣品，應(yīng)用拉力壓力試驗機對其作用力和變形量進行測試，得出上蓋板中心變形量為0.44mm，下蓋板中心變形量為0.18mm，滿足設(shè)計指標(biāo)且和仿真優(yōu)化結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

本文對射頻電纜組件上蓋板變形量進行了計算，并應(yīng)用ANSYS對上下蓋板的變形量進行仿真分析，得出產(chǎn)品變形量指標(biāo)超過了設(shè)計指標(biāo)，通過改變安裝方式和增加厚度的方法對上下蓋板進行優(yōu)化，優(yōu)化后產(chǎn)品變形量指標(biāo)達標(biāo)，并制造樣品進行測試驗證了仿真正確性。對射頻電纜組件進行剛度仿真與優(yōu)化可以在設(shè)計初期保證設(shè)計符合指標(biāo)要求，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，對同類產(chǎn)品的研發(fā)也有一定的指導(dǎo)意義。