碳纖維復(fù)合材料天線框架豎直狀態(tài)加工工藝研究

胡宗文 邵勁力 李宗周 周麗玨 張菊萍

摘 要：天線陣面的平面度是與天線性能相關(guān)的最重要的技術(shù)指標(biāo)，為了達(dá)到安裝要求，介紹了碳纖維復(fù)合材料天線框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和制造技術(shù)難點(diǎn)，研究并分析了重力對(duì)框架平面度及其穩(wěn)定性的影響，提出了豎直狀態(tài)補(bǔ)償、平放狀態(tài)加工的機(jī)加工方案，進(jìn)行了天線框架消除重力影響狀態(tài)下加工的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，按此方案加工的天線框架在豎直懸掛狀態(tài)下的有源安裝面和波導(dǎo)安裝面平面度均達(dá)標(biāo)，滿足天線框架地面展開(kāi)試驗(yàn)及在軌失重狀態(tài)下的使用要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;天線框架;豎直狀態(tài);消除重力影響;平面度

中圖分類號(hào)：TQ342+.742;V258.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0065-04

Study on the machining processes of carbon fiber reinforced

composite antenna frame in vertical state

HU Zongwen1，2，SHAO Jinli1，2，LI Zongzhou1，2，ZHOU Lijue1，2，ZHANG Juping1，2

（1.Shanghai Composite Material Science & Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201112，China；

2.Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composites? Shanghai 201112，China

）

Abstract：The flatness of the antenna array is the most important technical indicator related to antenna performance.In order to meet the installation requirements，the structural characteristics，use requirements and manufacturing technical difficulties of carbon fiber composite antenna frame were introduced，the influence of gravity on the flatness and stability of the frame was studied and analyzed，the machining scheme of vertical state compensation and flat state processing was proposed，and the verification test of the antenna frame under the condition of eliminating the influence of gravity was carried out.Results showed that the flatness of the active mounting surface and the waveguide mounting surface of the antenna frame processed according to this scheme were up to standard in the vertical suspension state，which met the requirements of the antenna frame ground deployment test and the use of the antenna frame in the state of weightlessness in orbit.

Key words：

carbon fiber composite materials，antenna frame，vertical state，eliminate gravity influence，flatness

星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種主動(dòng)式微波成像傳感器，具備全天候、全天時(shí)的成像能力，還有一定的穿透性，獲得的圖像能夠反映目標(biāo)微波散射特性，是實(shí)現(xiàn)空間軍事偵察、自然資源普查、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等的重要技術(shù)手段，廣泛地應(yīng)用于軍民領(lǐng)域中［1-4］。星載衛(wèi)星天線框架是安裝電磁模塊的安裝平臺(tái)，主要結(jié)構(gòu)形式為平面框架，一般包含有源安裝面和波導(dǎo)安裝面，提供相應(yīng)的機(jī)構(gòu)安裝面和安裝接口。天線陣面的平面度是與天線性能相關(guān)的最重要的技術(shù)指標(biāo)［5-7］，而天線陣面的平面度與安裝電磁模塊的天線框架的平面度直接相關(guān)［8-9］。

1 天線框架基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

天線框架常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包含6個(gè)使用面，具有較大的使用面積及較小的厚度，面積最大的2個(gè)主安裝面為形面精度要求最高的波導(dǎo)安裝面和有源安裝面，而扁平的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致框架在大安裝面的法向剛度相對(duì)較弱，法向力易引起框架主安裝面的撓變形，影響主安裝面的形面精度［13-14］。

天線框架從設(shè)計(jì)狀態(tài)確定到在軌運(yùn)行需要經(jīng)過(guò)膠接裝配、機(jī)加工、測(cè)量、地面展開(kāi)試驗(yàn)等多道工序，其中膠接裝配及機(jī)加工是在水平放置狀態(tài)進(jìn)行的，而平面精度測(cè)量和展開(kāi)試驗(yàn)是在豎直懸掛狀態(tài)下進(jìn)行，在軌運(yùn)行則是在失重的太空環(huán)境中，2種狀態(tài)的差異對(duì)主安裝面的加工和測(cè)量帶來(lái)較大的影響［15］。如何消除重力導(dǎo)致的2種狀態(tài)間的差異成為天線框架研制生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

框架在水平放置狀態(tài)下和豎直懸掛狀態(tài)下其主安裝面的重力撓變形存在一定的差異，導(dǎo)致框架在生產(chǎn)流程不同環(huán)節(jié)的變形狀態(tài)存在較大差異，以某型號(hào)天線框架為例，水平放置狀態(tài)測(cè)量其波導(dǎo)安裝面平面度為0.53 mm，脫模后將天線框架以吊點(diǎn)豎直懸掛測(cè)量，其波導(dǎo)安裝面平面度則減小到0.22 mm。2種狀態(tài)差異0.31 mm，若直接將框架水平裝夾進(jìn)行機(jī)加工，再豎直懸掛測(cè)量，則狀態(tài)差異導(dǎo)致的變形0.28 mm未被消除，考慮到該型號(hào)天線框架的主安裝面的平面度要求為0.4 mm，該狀態(tài)差異會(huì)極大增加主安裝面平面度超差的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，膠接裝配后的框架主安裝面無(wú)法直接作為裝夾初基準(zhǔn)，必須經(jīng)過(guò)懸掛補(bǔ)償工序?qū)顟B(tài)差異盡量減小乃至消除，另外，建立一個(gè)模擬豎直懸掛狀態(tài)的初基準(zhǔn)才可以進(jìn)行機(jī)加工。

2 重力對(duì)天線框架平面度影響的數(shù)值分析

天線框架脫模后，水平放置狀態(tài)下其懸空部分受重力作用會(huì)發(fā)生一定的撓變形。由于機(jī)加工前框架主安裝面的平面度相對(duì)較差，不論是放置在平臺(tái)上還是放置在專用工裝上，主安裝面都無(wú)法與承托面完全貼合，而是僅有部分點(diǎn)與承托面貼合成為支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)的數(shù)量與分布影響框架的變形狀態(tài)。

考慮到支撐點(diǎn)位于框架四周時(shí)，懸空部分所受重力的力矩最大，框架的法向撓變形最大，該狀態(tài)為可認(rèn)為最大變形狀態(tài)。豎直懸掛狀態(tài)時(shí)，重力的作用力矩最小，法向變形最小，該狀態(tài)可認(rèn)為是最小變形狀態(tài)。按此思路，對(duì)天線框架典型工況下的重力變形進(jìn)行有限元分析以得到一些定性的對(duì)比結(jié)果。

參照天線框架的典型結(jié)構(gòu)形式及包絡(luò)尺寸建立分析模型，以對(duì)整框剛度的貢獻(xiàn)來(lái)考量，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將貼片、螺釘?shù)攘慵?。整個(gè)模型由碳纖維桿件、碳纖維接頭、金屬埋件組成［19-20］。整框包絡(luò)尺寸為3 100 mm×2 200 mm×80 mm，包括24根桿件和16個(gè)接頭，如圖2所示。桿件有2種80 mm×60 mm和60 mm×40 mm截面尺寸，壁厚統(tǒng)一為3 mm，材料為M系列碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料；接頭有角形、T形和十字形3種形式，截面尺寸與桿件適配，榫頭壁厚3 mm，增厚區(qū)壁厚6 mm，材料為T系列碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。

整框使用殼單元建模，出于降低計(jì)算成本考慮，建模時(shí)已將所有孔位消去，同時(shí)將金屬埋件當(dāng)作局部加強(qiáng)寫入局部殼單元的鋪層?？紤]到開(kāi)孔僅對(duì)局部剛度有較大影響，對(duì)整框剛度影響較小，而整個(gè)框架的絕大部分剛度主要由碳纖維桿件和接頭貢獻(xiàn)，基于多工況對(duì)比分析的目的來(lái)看，以上簡(jiǎn)化在大幅降低計(jì)算成本的同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的影響較小。

整框全部使用四邊形殼單元建模，單元邊長(zhǎng)10 mm。桿件材料為M系列碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，接頭材料為T系列碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，材料參數(shù)如表1所示。采用［0°/45°/90°/-45°］各向同性鋪層，單層厚度0.15 mm。

金屬埋件材料為2A12T4鋁合金，楊氏模量72 GPa、泊松比0.3、密度2.73 g/cm3。在x向的60 mm×40 mm桿件上均勻布置了18個(gè)埋件，埋件當(dāng)作桿件內(nèi)部的加強(qiáng)層寫入局部的桿件鋪層中，埋件在安裝面方向壁厚20 mm，其余3個(gè)方向壁厚3 mm。

共計(jì)算3種工況以進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。其中，1#和2#工況模擬整框水平放置狀態(tài)，施加4處鉸支約束（平放狀態(tài)不能完全限制支撐點(diǎn)區(qū)域的局部轉(zhuǎn)動(dòng)），其中1#施加在整框的4個(gè)角；2#施加在整框四周的中點(diǎn)，單個(gè)約束區(qū)域尺寸為60 mm×60 mm。3#工況模擬整框豎直掛起狀態(tài)，在長(zhǎng)邊的80 mm×80 mm桿件的中線上施加2處固支約束（吊點(diǎn)通過(guò)螺栓鎖緊，限制該區(qū)域局部轉(zhuǎn)動(dòng)），單個(gè)約束區(qū)域尺寸為20 mm×20 mm。完整的有限元模型和3

種工況的約束施加位置如圖3所示。

軟件輸出的整框重心位置在z方向上相對(duì)中面往+z一側(cè)偏移3.3 mm，由于吊點(diǎn)通常位于中面上，重心相對(duì)吊點(diǎn)的偏移會(huì)導(dǎo)致整框在繞吊點(diǎn)軸線小角度旋轉(zhuǎn)后達(dá)到平衡，旋轉(zhuǎn)后的重力在法線方向的分量導(dǎo)致整框在懸掛狀態(tài)也出現(xiàn)一定的撓變形?？梢远ㄐ缘呐袛嘭Q直懸掛狀態(tài)的天線框架仍然會(huì)有一定的撓變形，但是法向的重力分量遠(yuǎn)小于水平放置時(shí)完全沿法向作用的重力，因此，懸掛狀態(tài)的撓變形應(yīng)遠(yuǎn)小于水平放置狀態(tài)的撓變形。

3種工況下的整框撓變形，最大撓變形量分別為0.279 mm、0.138 mm、0.025 mm?？梢?jiàn)，2種平放工況下整框的撓變形量存在一定差異，但均與懸掛狀態(tài)變形量存在數(shù)量級(jí)差異，且懸掛狀態(tài)的撓變形量相當(dāng)小，以實(shí)際的精度需求來(lái)衡量基本可以忽略。若在投產(chǎn)前計(jì)算整框質(zhì)心，設(shè)計(jì)專用的吊點(diǎn)工裝可以使吊點(diǎn)受力點(diǎn)穿過(guò)整框質(zhì)心，從而進(jìn)一步降低懸掛狀態(tài)的撓變形量。

綜上所述，天線框架豎直放置狀態(tài)下主安裝面撓變形較小，而水平放置的框架平面狀態(tài)受重力影響較大，不可忽略，且變形情況與框架支撐點(diǎn)位置有關(guān)。以上為理想狀態(tài)的差異對(duì)比，產(chǎn)品實(shí)物的尺寸及重心分布存在一定的誤差，無(wú)法完全照搬數(shù)值分析結(jié)果，但定性的結(jié)論適用于產(chǎn)品實(shí)物，即3種狀態(tài)主安裝面變形狀態(tài)差異較大且豎直懸掛狀態(tài)主安裝面變形狀態(tài)更接近失重狀態(tài)。因此，在豎直懸掛狀態(tài)下設(shè)法創(chuàng)建一個(gè)精度盡可能高的實(shí)物平面并在裝夾時(shí)將該平面于機(jī)床臺(tái)面貼合作為初基準(zhǔn)可以最大地減小水平和豎直狀態(tài)差異帶來(lái)的影響。

3 天線框架消除重力狀態(tài)下機(jī)加工方案設(shè)計(jì)

（1）天線框架完成膠接裝配及固化后，將產(chǎn)品脫離模具，在天線框架上均勻膠接輔助墊塊，如圖4所示；

（2）將天線框架通過(guò)2個(gè)連接點(diǎn)豎直懸掛到工裝上；

（3）通過(guò)激光跟蹤儀對(duì)輔助墊塊的平面度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)輔助墊塊進(jìn)行補(bǔ)償，保證所有輔助墊塊共面度小于等于0.15 mm；

（4）以輔助墊塊面為裝夾基準(zhǔn)面和粗加工基準(zhǔn)面對(duì)天線框架進(jìn)行裝夾和加工；

上述方案以均勻分布的輔助墊塊結(jié)合框架桿件，接頭的自身剛度抵消產(chǎn)品重力變形，實(shí)現(xiàn)天線框架水平裝夾后的平面狀態(tài)與豎直懸掛狀態(tài)保持基本一致，誤差保證在可控范圍內(nèi)。

4 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)選用包絡(luò)尺寸為1 678 mm×1 024 mm×80 mm的碳纖維復(fù)合材料天線框架進(jìn)行驗(yàn)證，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖5所示。驗(yàn)證件為采用碳纖維復(fù)合材料橫梁、縱梁、接頭及波導(dǎo)安裝組件等膠接而成的平面框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式與常見(jiàn)的衛(wèi)星天線框架結(jié)構(gòu)形式類似。

4.1 裝夾基準(zhǔn)補(bǔ)償

框架驗(yàn)證件膠接裝配完成后，將框架利用橫梁側(cè)面吊點(diǎn)豎直懸掛，利用激光跟蹤儀測(cè)量有源面及波導(dǎo)面初始平面度分別為0.57 mm及0.66 mm。

對(duì)該狀態(tài)下的框架驗(yàn)證件的輔助墊塊形成的平面進(jìn)行補(bǔ)償，保證豎直狀態(tài)下輔助墊塊共面度小于等于0.15 mm。

補(bǔ)償后輔助墊塊共面度0.14 mm。

4.2 安裝面機(jī)加工

利用龍門銑床以輔助墊塊形成的平面作為機(jī)加工的裝夾面和加工的粗基準(zhǔn)，對(duì)有源面和波導(dǎo)面進(jìn)行放樣并光出，并以光出的加工面作為后續(xù)加工精基準(zhǔn)將安裝面加工到位。

4.3 安裝面測(cè)量

將框架通過(guò)懸掛測(cè)量工裝重新懸掛固定后，通過(guò)三維攝影測(cè)量?jī)x對(duì)有源安裝面、波導(dǎo)安裝面進(jìn)行測(cè)量。

框架驗(yàn)證件加工后，有源面平面度為0.129 mm，波導(dǎo)面平面度為0.172 mm，優(yōu)于該包絡(luò)尺寸天線框架常規(guī)的有源面及波導(dǎo)面平面度要求0.3 mm及0.4 mm。該加工方案可以保證天線框架加工狀態(tài)與測(cè)量、試驗(yàn)、使用狀態(tài)基本一致，加工結(jié)果滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，衛(wèi)星用碳纖維復(fù)合材料天線框架由于其安裝面在研制生產(chǎn)過(guò)程中受重力影響較大，傳統(tǒng)的加工方式很難消除重力影響、使其滿足產(chǎn)品在豎直狀態(tài)下的試驗(yàn)和失重環(huán)境中的使用要求。通過(guò)在天線框架均勻放置輔助墊塊，并在豎直狀態(tài)下對(duì)輔助墊塊進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償，使其平面度達(dá)到一定要求后，以此平面作為機(jī)加工裝夾基準(zhǔn)和加工粗基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)天線框架加工后的安裝面精度滿足試驗(yàn)和使用要求，多型號(hào)產(chǎn)品推廣應(yīng)用也驗(yàn)證了該加工方案有效可行。同時(shí)，該加工方案對(duì)有類似結(jié)構(gòu)和要求的宇航產(chǎn)品也具有借鑒意義。

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收稿日期：2023-10-21；修回日期：2024-01-04

作者簡(jiǎn)介：胡宗文（1990-），男，碩士，工程師，主要從事復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)研制；E-mail：hzw0317@163.com。

通信作者：邵勁力（1993-），男，工程師，主要從事復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)研制；E-mail：shaojingli0502@163.com。

引文格式：胡宗文，邵勁力，李宗周，等.

碳纖維復(fù)合材料天線框架豎直狀態(tài)加工工藝研究［J］.粘接，2024，51（3）：65-68.