開縫蜂窩結構電磁/力學綜合性能設計

楊森 ,陳海燕 ,郟亞威,姚鑫,孫啟峰

(1.國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心,四川 成都 611731;2.多頻譜吸波材料與結構教育部重點實驗室,四川 成都 611731;3.電子科技大學,四川 成都 611731)

蜂窩吸波材料具有密度小、重量輕、強度高[1-2]和吸波性能優(yōu)異等特點,被廣泛應用在航空航天、建筑、交通等領域。隨著蜂窩吸波材料研究的不斷進展,涌現(xiàn)出很多的新型蜂窩復合結構,包括填充型[3]、嵌入型[4]、串聯(lián)型[5]、層次性[6]、負泊松比型[7]、負剛度[8]等。在過去的二十多年,國內外對蜂窩材料在不同加載條件下的基本力學響應,包括拉伸、壓縮、屈曲、剪切和疲勞做了大量研究[9-12]。多功能蜂窩復合材料,如吸波蜂窩復合材料的研究也有長足發(fā)展。如羅輝等[13-14]設計的一種雙層吸波結構,蜂窩上表面加匹配層作為阻坑匹配,蜂窩下表面加吸收層得到的蜂窩夾層結構具有輕質及寬帶吸收的特點。Kwak 等[15]設計的雙蜂窩芯三層蒙皮的鍍鎳玻璃織物蜂窩夾層結構,擴大了吸波入射角范圍?？偟膩碚f,蜂窩吸波復合材料在朝著輕質、高強度及更好吸收性能的方向發(fā)展,蜂窩吸波結構的多功能設計有待進一步研究。

為了滿足蜂窩吸波材料多功能的應用,在蜂窩內部嵌入天線和雷達等電子模塊器件,出現(xiàn)了基于蜂窩夾層板進行預埋的設計方法,最早在20 世紀90 年代由洛克希德馬丁航天公司在進行多功能結構設計中提出[16]。即將蜂窩芯局部挖空,把高度集成的電子模塊埋入芯內部并進行保護加固設計,使航天器的設計在輕量化方面有了質的飛躍。畢中臣等[17]對蜂窩紙板進行開槽處理,結果表明開槽可以降低其起始屈服應力,提高蜂窩平臺區(qū)的緩沖性能。馬科峰等[18]從實驗角度研究了傳統(tǒng)芳綸紙蜂窩芯、開槽芳綸紙蜂窩芯以及有孔芳綸紙蜂窩芯的主要力學性能。夏明凱等[19]用數(shù)值模擬的方法對金屬蜂窩夾層板側壓強度和破壞模式的影響進行了研究。上述研究都針對蜂窩的力學方面,結果表明開縫蜂窩的力學性能有所降低。而對于開縫蜂窩的電磁性能,國內外的研究較為鮮見,開縫蜂窩的電磁/力學綜合設計有待深入研究。

本文在完整蜂窩的基礎上對其進行開縫處理的設計,研究了其開縫后電磁/力學性能的變化。力學方面主要研究在單軸靜態(tài)壓縮下,開縫率對蜂窩結構力學的位移載荷關系特性的影響;電磁方面主要探究不同類型開縫對蜂窩結構X 波段兩種極化下吸波性能的影響。

1 開縫蜂窩結構的力學性能

蜂窩結構單元為一種正六邊形單元周期結構,如圖1 所示。L為蜂窩的L 方向的長度,W為蜂窩W 方向的長度,T為蜂窩的高度,L1為蜂窩的邊長,t為蜂窩壁的厚度,θ為蜂窩壁的夾角。

圖1 (a)Nomex 蜂窩實物圖;(b) Nomex 蜂窩的參數(shù)示意圖Fig.1 The sample of the Nomex honeycomb.(a)Physical picture;(b) Dimention parameters

Nomex 蜂窩比較柔軟,尺寸較小,很難開出規(guī)則形狀,本文從仿真角度研究開縫蜂窩的力學性能。仿真參數(shù)L=60 mm,W=60 mm,T=20 mm,L1=1.83 mm,t=0.1 mm,θ=120°。

在完整模型的基礎上,開5 個相同的縫隙,如圖2(a)所示,L2為縫隙的長度,W2為縫隙的寬度,T2為縫隙的高度。共9 種縫隙,縫隙長度L2分別為10,30,50 mm,縫隙寬度W2分別為2,4,6 mm,縫隙高度T2都是20 mm。

圖2 (a)仿真模型圖;(b)開縫蜂窩模型Fig.2 The Nomex honeycomb model.(a) Simulation model;(b) Slotting details

用有限元分析軟件LS-DYNA 對蜂窩結構在壓縮下的力學性能進行仿真。首先對蜂窩結構進行整體建模,先建立單蜂窩模型,然后進行旋轉復制和布爾運算,得到蜂窩模型;再建立5 個長方體模型,通過相減,得到開縫蜂窩的模型,如圖2(a)所示。為了模擬實驗條件,蜂窩上下面各設定一個剛體,上剛體以恒定速度v向下移動,下剛體固定不動,如圖2(b)所示。蜂窩材料采用彈塑性材料[20-22]模型,蜂窩材料參數(shù)為: 密度0.66×10-3g/mm3;彈性模量4400 MPa;泊松比0.3;屈服強度80 MPa。蜂窩整體接觸屬性設置為自接觸,剛體與蜂窩的接觸為面面接觸;LSPREPOST 專用后處理軟件,提取反作用力和觀察壓縮過程中的變形。

如圖3 所示,開縫尺寸為2 mm×30 mm×20 mm 的位移-載荷曲線,開縫蜂窩壓縮的過程可以分為三個階段[23-25]。第一階段AB 段,呈線性,此階段蜂窩處于彈性形變階段,其斜率為蜂窩T 方向的彈性模量。B 點是彈性形變的峰值點,蜂窩在B 點屈服,彈性階段積累的能量由于蜂窩屈服破壞而瞬間釋放,載荷有明顯下降,一般把B 點稱為蜂窩的屈服強度。第二階段CD 段,蜂窩進入塑性形變階段,此階段蜂窩壁彎曲漸進折疊,載荷在一定范圍內小幅變化,蜂窩吸收能量主要在塑性變形CD 段。第三階段DE 段是致密化階段,蜂窩孔壁完全折疊,蜂窩結構徹底破環(huán)。

圖3 開縫尺寸2 mm×30 mm×20 mm 蜂窩的位移-載荷曲線Fig.3 Load-displacement curve of the honeycomb with the slotting size of 2 mm×30 mm×20 mm

如圖4 為仿真得到9 種開縫結構的位移-載荷曲線,其中,No-slot 代表沒有開縫的蜂窩,Slot-W2-L2表示縫隙的寬度和長度。

由圖4 可知,在準靜態(tài)平面壓縮載荷下,蜂窩開縫后的力學性能有較大變化,位移載荷曲線向下偏移,說明蜂窩開縫后的屈服強度、平均平臺應力減小;隨著開縫尺寸增加,蜂窩的彈性模量基本不變,屈服強度、平均平臺應力、比吸能減小。值得注意的是,開縫蜂窩在準靜態(tài)壓縮過程中的曲線的三個形變階段仍然保持一致。

圖4 不同開縫蜂窩的位移-載荷曲線。(a)開縫長度10 mm;(b)開縫長度30 mm;(c)開縫長度50 mmFig.4 Load-displacement curves of the slotted honeycombs with various slotting length.(a) Slotting length is 10 mm;(b) Slotting length is 30 mm;(c) Slotting length is 50 mm

由圖4 可以建立開縫尺寸與開縫蜂窩靜態(tài)壓縮屈服強度、平均平臺應力之間的關系,以此評估其他開縫尺寸參數(shù)下蜂窩的抗壓能力。如表1 是由仿真計算得到的不同開縫尺寸蜂窩平面壓縮的峰值應力和平均平臺應力。

表1 9 種開縫尺寸的峰值應力和平均平臺應力的值Tab.1 Simulated peak and plateau stress values of the Nomex honeycomb with variable slotting sizes

由圖4(a)可知,沒有開縫、開縫尺寸2 mm×10 mm 和開縫尺寸4 mm×10 mm 的三條曲線相互交叉,變化很小;由表1 可知,開縫率為5.4%時,峰值應力下降2.3%,平臺應力下降3.6%。開縫率在5.4%之內時,開縫蜂窩的峰值應力和平臺應力變化很小;開縫率超過5.4%后,峰值應力和平臺應力隨開縫率的增大明顯減小,呈直線下降。從擬合曲線預測任意尺寸開縫蜂窩的峰值應力和平臺應力,再根據(jù)無縫蜂窩的彈性模量,就可以模擬出任意尺寸開縫蜂窩的位移-載荷曲線,從而評估開縫蜂窩單軸平面壓縮的力學性能。

對上述開縫蜂窩的仿真模型及結果進行實驗驗證。實驗所用蜂窩如圖1(a),蜂窩參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。所用實驗儀器為萬能拉力試驗機,在常溫常壓下進行單軸平壓實驗,設備壓頭上面放置壓力傳感器,壓頭勻速向下運動,速度2 mm/min,實驗獲得位移-載荷曲線,結果如圖5 所示。

圖5 實驗和仿真的位移-載荷曲線Fig.5 Experimental and simulated load-displacement curves of the considered honeycomb structures

從圖5 可以看出,實驗獲得的位移-載荷曲線和仿真曲線吻合較好,蜂窩壓縮過程中的三個階段一致,驗證了所建立的蜂窩平壓仿真模型的正確性,可以通過該仿真方法模擬實驗來得到開縫蜂窩的位移-載荷曲線,從而分析其力學性能。對比圖3 和圖5,開縫蜂窩與無縫蜂窩的位移-載荷曲線的三個階段保持一致,表明開縫蜂窩在重量減輕的同時,與無縫蜂窩單軸平壓力學特性類似。

2 開縫蜂窩結構的電磁性能

2.1 不同開縫長度

為實現(xiàn)蜂窩的電磁/力學綜合設計,開縫蜂窩的電磁模型在開縫參數(shù)上需與力學模型保持一致,即蜂窩分別以不同的長度、寬度及高度開縫,本節(jié)研究縫隙的尺寸(開縫長度和寬度)對電磁性能的影響。

蜂窩是以正六邊形胞元為基本單元的周期結構,根據(jù)蜂窩的等效電磁參數(shù)理論,把浸漬吸波涂層的Nomex 蜂窩結構當成吸波平板,賦予吸波材料的屬性,在平板上進行開縫。吸波材料介電常數(shù)的實部和虛部如圖6 所示。

圖6 吸波材料的介電常數(shù)Fig.6 Delectric constant of absorber material

用電磁分析軟件FEKO 仿真蜂窩結構的單站RCS。蜂窩面板尺寸200 mm×200 mm×10 mm,面板傾斜角22°,θ=90°,φ: 0°～60°,底層加PEC,頻率設為X波段三個頻點: 8,10,12 GHz,極化方式為線性hh極化和vv 極化。

為研究開縫不同長度對RCS 的影響,蜂窩面板開縫數(shù)量為15 個,縫隙尺寸相同,如圖7 所示,縫隙寬度w3固定為2.5 mm,縫隙高度均為10 mm,縫隙長度L3分別設計為50,100,150,190 mm。仿真結果如圖8 所示。

圖7 吸波面板開縫模型Fig.7 Slotting model of the absorbing panel

2.2 不同開縫寬度

仿真參數(shù)設置與2.1 節(jié)一致,開縫尺寸w3分別為2,4,6,8 mm,L3為177.5 mm,高度為10 mm,研究開縫不同寬度對RCS 的影響。如圖9 為不同開縫寬度的RCS 仿真結果。

由圖8,9 可知,當旋轉角φ在小角度時(0°～3°,在此RCS 的值小于-30 dBm2),開縫蜂窩面板在hh 極化,8 GHz 和10 GHz 頻率下,吸波性能相較于未開縫蜂窩都有所增加;但在12 GHz 下,不同開縫長度的蜂窩吸波性能均變好,不同開縫寬度時,開縫寬度在2 mm 時性能變好,在4,6,8 mm 時吸波性能變差。而在vv 極化,不同長度開縫和不同寬度開縫的蜂窩,8 GHz 時吸波性能差,10 GHz 時吸波性能好,12 GHz時吸波性能又變差。對于極化而言,不同開縫條件在vv 極化下的吸波性能均高于hh 極化。

圖8 不同開縫長度蜂窩反射率仿真結果Fig.8 The reflectivity of simulation of the honeycomb absorbing structures with variable slotting lengths

圖9 不同開縫寬度蜂窩反射率仿真結果Fig.9 The reflectivity simulation of the honeycomb absorbing structures with variable slotting widths

2.3 不同開縫方式

仿真參數(shù)設置與2.1 節(jié)一致,其中2.1 節(jié)和2.2節(jié)開縫都是規(guī)則開縫,開縫高度都為10 mm。電磁波照射到蜂窩面板上,會有反射和吸收。為了增大電磁波與蜂窩面板的接觸,使電磁波在蜂窩內多次反射吸收,達到較好的吸波性能,本節(jié)蜂窩上下面板T/2 高度5 mm 開不同的縫隙。蜂窩面板開縫數(shù)量為15 個,第一種開縫方式為: 第一個面板不開縫,作為對照組;第二個面板規(guī)則開縫,開縫尺寸為177.5 mm×2.5 mm×10 mm,作為對照組;而第三個面板開縫上下不同縫長,其中上縫: 177.5 mm×2.5 mm×5 mm,下縫:1.5.5mm×2.5 mm×5 mm;第四個面板開縫上下不同縫寬,上縫: 177.5 mm×2.5 mm×5 mm,下縫: 177.5 mm×8 mm×5 mm,如圖10(a)、(b)所示。第二種開縫方式為: 四個面板同第一種開縫尺寸,第一、第二塊面板同第一種開縫方式;第三個面板把第一種開縫方式的上縫長177.5 mm、下縫長185.5 mm 改為上縫長185.5 mm、下縫長177.5 mm,即上下縫長翻轉;第四塊面板把第一種開縫方式的上縫寬2.5 mm、下縫寬8 mm 改為上縫寬8 mm、下縫寬2.5 mm,即上下縫寬翻轉,如圖10(b)所示。兩種開縫方式的RCS 仿真結果如圖11,12 所示。

圖10 第一種開縫方式。(a)第三塊面板;(b)第四塊面板Fig.10 The first slotting way.(a) The 3th panel;(b) The 4th panel

由圖11,12 可知,對RCS 值影響最大的是當旋轉角φ在小角度(0°～3°)時。對于不同的開縫方式,hh 極化時,8 GHz 和10 GHz 頻率下,開縫后吸波性能略有增加;但是12 GHz 時,第一種方式開縫后性能變好,第二種方式開縫后,規(guī)則開縫和上下不同縫長,吸波性能變好,上下不同縫寬時,吸波性能變差。而在vv 極化下,對于不同的開縫方式,開縫后8 GHz 時吸波性能變差,10 GHz 時吸波性能變好,12 GHz 時吸波性能又變差。對于極化來說,8 GHz 和10 GHz 時,不同方式開縫后在vv 極化下的吸波性能均高于hh 極化。

圖11 第一種開縫方式仿真結果Fig.11 Simulation results of the honeycomb absorbing structures with the 1st slotting scheme

圖12 第二種開縫方式仿真結果Fig.12 Simulation results of the honeycomb absorbing structures with the 2nd slotting scheme

3 結論

本文針對傳統(tǒng)蜂窩吸波結構,研究了不同開縫方式對開縫蜂窩吸波結構電磁/力學性能的影響。開縫后的蜂窩在壓縮過程中的位移-載荷曲線與傳統(tǒng)蜂窩一致,蜂窩開縫率在5.4%之內,開縫蜂窩在壓縮下的力學性能變化較小;隨著開縫率的增大,其力學性能明顯降低。電磁方面,在hh 極化時,8 GHz 和10 GHz頻率下,蜂窩開縫后吸波性能都有所增加;vv 極化時,8 GHz 和12 GHz 頻率時,開縫后吸波性能變差,10 GHz 時,開縫后吸波性能變好。對于極化來說,8 GHz 和10 GHz 時,蜂窩開縫后在vv 極化下的吸波性能均優(yōu)于hh 極化。