陳正江，黃 巍，楊 偉

(中國電子科技集團公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

某電子設備的天線罩和涂層熱膨脹匹配研究

陳正江，黃 巍，楊 偉

(中國電子科技集團公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

為了提高某電子設備的天線罩在高溫環(huán)境下工作的可靠性，確保涂層不脫落，文中結合工程實際，利用ANSYS建立參數(shù)化有限元模型，對天線罩及表面涂層進行瞬態(tài)分析及熱-結構耦合分析，得到天線罩溫度與時間的關系及涂層粘接面剪切應力與時間的關系。根據(jù)涂層發(fā)生脫落時的最大剪切應力對涂層的熱膨脹系數(shù)進行參數(shù)化編程計算，確定了涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，為選擇匹配的天線罩涂層提供了理論依據(jù)，保證涂層在一定溫度與一定時間內(nèi)不開裂脫落。

天線罩；涂層；ANSYS；熱膨脹；匹配

引 言

長時間處于高溫工作環(huán)境下的電子設備作為技術含量極高的工業(yè)產(chǎn)品，對耐高溫涂層的性能指標和質(zhì)量的要求日趨嚴格，而涂層質(zhì)量的優(yōu)劣除了體現(xiàn)在其自身產(chǎn)品質(zhì)量的好壞之外，還體現(xiàn)在其與基體材料相結合、相匹配的程度上。近年來國內(nèi)外在涂層與此類設備之間的結合機理、熱應力變化、新型涂層材料等方面進行了研究，以提高涂層與設備的結合性能[1-3]。但是目前在涂層與設備相互匹配性方面的研究較少，而電子設備的天線罩表面涂層對天線的透波能力和隔熱能力有直接影響。在高溫環(huán)境下工作時，天線罩和涂層會同時受到熱輻射、傳導、對流等作用而發(fā)生熱膨脹。當涂層與天線罩結合界面的剪切應力超過粘接強度時，涂層可能開裂甚至脫落，造成天線罩失去涂層保護，使設備工作不正常、不可靠。本文研究的主要目的在于找出涂層與天線罩之間的熱匹配數(shù)據(jù)，從而確定安全條件下的涂層熱膨脹系數(shù)范圍，保證設備能夠可靠工作。

1 分析基礎及失效評定準則

1.1 分析基礎

本文主要針對天線罩溫度場及應力場進行分析，確定涂層熱膨脹系數(shù)合理范圍。其中熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析及瞬態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度向量{T}通過下面的矩陣方程解得：

K(T)·T=Q(T)

(1)

式中：K傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；T為節(jié)點溫度向量；Q為節(jié)點熱流率向量。

瞬態(tài)傳熱過程指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程，其中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯的變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達為：

(2)

1.2 失效評定準則

通過熱應力耦合仿真得到零件與涂層之間的粘接面剪切應力隨時間變化的曲線，以此來判斷整個過程中是否會達到極限粘接強度。當超過極限粘接強度時，就會發(fā)生涂層脫落的現(xiàn)象，判定為涂層失效。

2 結構有限元模型

2.1 幾何模型

設備由石英陶瓷天線罩和隔熱表面涂層組成，涂層依靠自身粘合力附著在陶瓷材料上表面。天線罩圓盤底部直徑為120 mm，半球形球面頂部直徑為100 mm，罩體平均厚度為8 mm，涂層厚度約為3 mm。為實現(xiàn)涂層的熱膨脹系數(shù)等值的參數(shù)化，利用ANSYS DesignModeler模塊建立三維模型。實際中涂層未脫離時與天線罩之間不存在相對位移，可以認為兩者固聯(lián)且無相對滑動，因此在ANSYS中對涂層與石英陶瓷之間采用綁定(bond)接觸，兩者之間不會產(chǎn)生分離。同時為了得到受熱膨脹后的剪切應力，接觸方程采用拉格朗日方程，非對稱接觸。在接觸面與目標面的選取上，將材料偏軟的零件設置為接觸面較為合適，因此選擇涂層一側的界面為接觸面，最終接觸的結果也將在這一側顯示，如圖1所示。

圖1 天線罩模型

2.2 材料數(shù)據(jù)

天線罩基體材料為石英陶瓷，表面涂層為具有隔熱性能的非金屬材料，常溫下石英陶瓷和涂層材料特性見表1，在ANSYS中通過直接定義方式添加新材料并設置相應的材料參數(shù)。

表1 材料特性表

3 有限元熱仿真計算

本文研究中熱分析單元采用SOLID70，用于計算溫度分布；結構單元使用SOLID185，用于計算結構的應力分布；接觸面單元采用CONTA174、TARGE170，用于計算粘接面應力。利用ANSYS多區(qū)域掃掠方法進行自動區(qū)域劃分后得到完全六面體網(wǎng)格，同時保證網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

外界環(huán)境溫度由20 ℃上升至300 ℃，溫度-時間梯度為4.7 ℃/s，60 s后達到300 ℃，之后環(huán)境溫度基本保持不變。設備與環(huán)境的熱交換主要通過對流方式實現(xiàn)，分析中建立的對流方程為：

q=hA(Tsurface-Tambient)

(3)

式中：q為對流熱量；h為對流系數(shù)，計算中取常用的空氣對流系數(shù)5 W/(m2·℃)；Tsurface為零件對流表面的溫度；Tambient為環(huán)境溫度。

溫度變化曲線如圖3所示，在環(huán)境溫度上升過程中，天線罩溫度變化與時間成正比，同時，天線罩最高溫度比環(huán)境溫度滯后4 s左右達到相同。當60 s時刻環(huán)境溫度到達300 ℃，整個結構已經(jīng)接近環(huán)境溫度，此后溫度維持在300 ℃不變，溫升達到穩(wěn)態(tài)。

圖3 溫度-時間曲線

選取60 s時刻的溫度分布如圖4所示，天線罩頂部到底部溫度逐漸降低，表明熱流主要從天線罩底部與安裝架連接部位向外傳導。

圖4 溫度分布

通過ANSYS中多場耦合分析，將前一個物理場分析的結果作為后一個物理場分析的輸入條件進行計算，即將上述所有時刻點的溫度分布結果輸入到結構分析中進行熱-結構耦合分析，如圖5所示。

圖5 熱-結構耦合分析步驟

粘接面最大剪切應力隨時間變化曲線見圖6。

圖6 粘接面最大剪切應力變化曲線

選取60 s時刻的粘接面剪切應力分布見圖7。

圖7 剪切應力分布

粘接面的剪切應力在整個過程中呈現(xiàn)線性變化。當環(huán)境溫度到達300 ℃后，天線罩結構呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，粘接面剪切應力達到最大值，涂層最易出現(xiàn)開裂脫落現(xiàn)象。

4 涂層熱膨脹系數(shù)參數(shù)化分析

為了獲得安全條件下涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，需要將涂層的熱膨脹系數(shù)參數(shù)化，以確定其與粘接面剪切應力之間的函數(shù)關系，從而得出當粘接面剪切應力在1 MPa(粘接強度)時熱膨脹系數(shù)的取值范圍。

本文通過ANSYS APDL參數(shù)化設計語言對涂層的熱膨脹系數(shù)進行參數(shù)化編程，部分命令流如下：

!*******建立參數(shù)*******

thickness=3e-3 !隔熱層厚度

diameter=100e-3

h1=31.5e-3

h2=40.3e-3

rad=6e-3

dens1=410 !涂層密度

dens2=1650 !石英陶瓷密度

alpx1=1.46e-6 !涂層熱膨脹系數(shù)

alpx2=1.5e-6 !石英陶瓷熱膨脹系數(shù)

c1=0.94 !涂層比熱

c2=0.91 !石英陶瓷比熱

ex1=5.3e8 !涂層彈模

ex2=1.8e10 !石英陶瓷彈模

!******定義材料參數(shù)*******

/prep7

mp,ex,1,ex1 !調(diào)用參數(shù)建立材料模型

mp,prxy,1,prxy

mp,dens,1,dens1

mp,kxx,1,kxx1

mp,c,1,c1

mp,alpx,1,alpx1

將涂層熱膨脹系數(shù)設置為輸入?yún)?shù)，將整個導熱過程中粘接面最大剪切應力作為輸出參數(shù)。設定涂層熱膨脹系數(shù)的范圍為1×10-8～4.5×10-6m/K，采用中心復合差分法選取在設定區(qū)域內(nèi)的樣本點，程序通過樣本點計算輸出參數(shù)的取值，如圖8所示。

圖8 樣本點結果

得到樣本點后，利用ANSYS DesignXplorer響應面分析可以得到輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間的函數(shù)曲線，采用完全二階多項式法擬合函數(shù)關系，如圖9所示。

圖9 輸入輸出參數(shù)曲線

從圖中可以看到，由于石英陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為1.5×10-6m/K，當涂層的熱膨脹系數(shù)接近石英陶瓷材料熱膨脹系數(shù)時，粘接面剪切應力較小，越遠離則應力越大，兩者的匹配性越差。同時，當涂層的熱膨脹系數(shù)小于3.7×10-6m/K時，粘接面的最大剪切應力小于1 MPa，屬于安全范圍，在使用過程中不易出現(xiàn)開裂失效。

5 結束語

本文研究分析了在特定高溫環(huán)境下，天線罩和涂層受熱膨脹后發(fā)生內(nèi)部結構和應力變化，導致涂層脫落的過程。利用ANSYS準確構建分析模型和定義邊界條件，選擇合理的分析方法，確定了涂層的熱膨脹系數(shù)范圍，為天線罩和涂層在特定溫度下的變化情況提供了詳細的分析數(shù)據(jù)，有利于設計者了解具體情況并正確選擇與天線罩匹配的涂層，保證涂層在一定溫度與一定時間內(nèi)不開裂脫落，設備工作可靠。

[1] 劉海定, 曹旭東, 賀文海, 等. 吸波涂層界面結合機理(I)：涂層力學性能影響因素分析[J]. 功能材料, 2007, 38(7): 1045-1048.

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[4] 趙敦殳. 電子設備熱設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

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陳正江(1977-)，男，工程師，主要從事電子裝備結構設計及仿真分析工作。

Research on Thermal Expansion Matching of Radome and Coating for an Electronic Equipment

CHEN Zheng-jiang，HUANG Wei，YANG Wei

(The30thResearchInstituteofCETC,Chengdu610041,China)

In order to improve the functional reliability of the radome of an electronic equipment in high-temperature environment and ensure that coating will not shed, this paper creates parametric finite element model by ANSYS and carries out transient state analysis and thermal-structural coupling analysis for radome and coating with engineering practice considered. Relationships between radome temperature and time, shearing-stress of bonding surface of coating and time are obtained. Based on the maximum shearing-stress of coating when it is shedding, the coefficient of thermal expansion is calculated by parametric programming and its range of value is determined. It provides theoretical foundation for choosing matching radome coating and make sure that coating will not shed and split in certain temperature range and certain period of time.

radome; coating; ANSYS; thermal expansion; matching

2014-12-31

TN820.8+1

A

1008-5300(2015)02-0055-04