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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.國家級工業(yè)設(shè)計中心(中國電科38所),安徽合肥230088)

0 引言

航天器發(fā)射上升段的載荷環(huán)境復(fù)雜、惡劣,包括噪聲、低頻振動、高頻隨機振動、沖擊、加速度過載等,這些力學(xué)環(huán)境對航天器電子產(chǎn)品的工作性能、穩(wěn)定性和可靠性影響很大[1-2]。抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計就是在對作用在產(chǎn)品上的靜載荷、動載荷及其他載荷充分分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)構(gòu)部件進行靜力分析和動力分析結(jié)果,通過有針對性的強度設(shè)計和剛度設(shè)計來提高結(jié)構(gòu)強度和剛度的工作[3]。通過抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的能力,保障結(jié)構(gòu)安全性,提高結(jié)構(gòu)自身固有頻率以避免與外界振動頻率相耦合。

螺旋天線具有圓極化和寬波束特性,廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星測控天線和相控陣天線等星載通信系統(tǒng)。某星載天線陣反射板上有11個大長細比結(jié)構(gòu)的螺旋天線,細長結(jié)構(gòu)對各種力學(xué)環(huán)境載荷具有明顯放大作用,在保證螺旋天線電性能的前提下,其力學(xué)性能是否能夠滿足星載應(yīng)用環(huán)境的要求成為關(guān)鍵的設(shè)計要素。另外,天線在軌運行期間,各部件工作溫度變化梯度較大,容易產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞。針對該問題本文對螺旋天線陣開展了抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計,進行了力學(xué)分析和試驗,分析和試驗結(jié)果表明該螺旋天線抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計合理、有效。

1 某星載螺旋天線陣結(jié)構(gòu)

某螺旋天線單元采用軸向模螺旋天線實現(xiàn)電磁波的發(fā)射,每個螺旋天線單元由螺旋天線、介質(zhì)支撐筒、圓形反射罩杯、阻抗變換器及射頻連接器等部件組成。

螺旋天線采用?1.3 mm的鈹青銅絲繞制而成,采用介質(zhì)支撐筒支撐以保形,天線單元總高度486 mm,最大螺旋直徑36 mm,為典型的長細比結(jié)構(gòu)形式。

11個螺旋天線單元安裝在一個M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料天線反射板上,組成一個天線陣,天線陣外形如圖1所示。

圖1 螺旋天線陣示意圖

2 螺旋天線陣抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計

2.1 抗力學(xué)設(shè)計要求和難點

螺旋天線陣安裝在衛(wèi)星艙板上,為星體艙外設(shè)備,對重量、剛度、強度及空間寬溫環(huán)境適應(yīng)性等要求如下:

1)重量要求:單個天線單元重量不超過0.55 kg,且支撐筒重量不超過0.13 kg;

2)剛度要求:平行于安裝面方向,結(jié)構(gòu)基頻不小于50 Hz,垂直于安裝面方向基頻不小于80 Hz;

3)強度要求:在規(guī)定的鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗條件下,結(jié)構(gòu)強度滿足安全裕度要求,不發(fā)生結(jié)構(gòu)強度破壞,即對于金屬屈服強度安全裕度(M.S.)≥0,對于樹脂基復(fù)合材料首層失效安全裕度(M.S.)≥0.25;

4)動態(tài)響應(yīng)要求:結(jié)構(gòu)響應(yīng)在可控范圍之內(nèi),各螺旋天線單元之間不發(fā)生物理干涉;

5)空間寬溫環(huán)境適應(yīng)性要求:結(jié)構(gòu)件及材料應(yīng)能滿足-170℃變化到+90℃的空間寬溫環(huán)境的要求;

6)電性能要求:介質(zhì)支撐筒采用透波材料,而圓形反射罩杯需采用導(dǎo)電性良好的鋁合金材料。

抗力學(xué)設(shè)計難點則主要體現(xiàn)在以下3個方面:

1)振動環(huán)境非常嚴苛,在考慮反射板的放大效應(yīng)后,天線單元的鑒定級正弦振動量級為13g,隨機振動振動量級為17.3grms。在水平方向振動時,天線單元為細長的介質(zhì)支撐筒為懸臂結(jié)構(gòu),振動從天線陣反射面?zhèn)鬟f到介質(zhì)支撐筒頂部,會被明顯放大,若設(shè)計不合理會導(dǎo)致介質(zhì)支撐筒由于剛強度不夠而發(fā)生折斷或者響應(yīng)過大兩兩之間物理上發(fā)生碰撞;受到重量的限制。

2)重量指標為關(guān)鍵指標,透波的非金屬介質(zhì)支撐筒和導(dǎo)電的鋁合金反射罩杯須采用薄壁結(jié)構(gòu),且應(yīng)滿足剛強度、穩(wěn)定性及加工工藝性的要求。

3)在軌期間,天線陣會經(jīng)歷較大的溫度變化,一個軌道周期內(nèi)最大溫差高達260℃。在如此高的溫差作用下,天線陣不同材料各部件之間的熱應(yīng)力匹配、熱應(yīng)力釋放以及連接結(jié)構(gòu)的可靠性需特別關(guān)注。

2.2 抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計

2.2.1 介質(zhì)支撐筒

介質(zhì)支撐筒結(jié)構(gòu)為長細比結(jié)構(gòu),其抗水平振動能力較差,剛強度設(shè)計要求高,主要從材料、構(gòu)型及工藝實現(xiàn)三個方面上開展設(shè)計。

1)材料

Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料具有電磁波透過性能,具有密度小、高強度、高模量、耐熱性能好、阻尼性能好等特點,化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好,具有良好的尺寸穩(wěn)定性,為金屬螺旋天線較為理想的介質(zhì)支撐材料。Kevlar 49芳綸的主要性能如表1所示[4]。

表1 Kevlar 49芳綸的主要性能

2)構(gòu)型

為降低損耗,改善其抗大功率特性,螺旋天線與介質(zhì)支撐之間采用點接觸的結(jié)構(gòu)形式[5]。介質(zhì)支撐筒為三角形薄壁結(jié)構(gòu),螺旋天線僅與三角形截面棱角上伸出的筋條接觸。

充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計特性,支撐筒三角形薄壁結(jié)構(gòu)按照等強度設(shè)計原則,采用漸變厚度設(shè)計,頂部的質(zhì)量盡可能小,由上至下逐步增加厚度(從0.8 mm到2.4 mm),但同截面處壁厚一致以確保具備好的工藝性,對安裝面及根部區(qū)域采取局部加厚、過渡處倒圓角的方式以減小應(yīng)力集中。

3)工藝實現(xiàn)方式

三維編織復(fù)合材料的突出特點是增強纖維呈空間多向分布,克服了層板復(fù)合材料的厚度方向力學(xué)性能差、層間剪切強度低、易分層開裂等致命缺陷。三維整體編織技術(shù)能編織異型整體織物,可以一次成型復(fù)雜的零部件。編織復(fù)合材料還具有優(yōu)良的性能可設(shè)計性,通過改變編織紗線的密度和方向角來達到理想的力學(xué)性能[6]。

基于此,介質(zhì)支撐筒采用以三維編織纖維預(yù)制體為增強體的整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu),然后用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)成型。Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料三維織物隨爐件強度典型實測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三維織物隨爐件強度典型實測數(shù)據(jù)

2.2.2 反射罩杯

介質(zhì)支撐筒安裝在反射罩杯上,反射罩杯采用高強度鋁合金7A04-T6。

反射罩杯安裝在天線反射面上,采用6個孔位的游離安裝結(jié)構(gòu)形式,即中心1個螺釘完全固定,周邊5個螺釘孔采取徑向腰形孔的連接方式,將周邊5個螺釘孔位置的徑向位移進行釋放,以主動釋放熱變形,減小熱應(yīng)力。

2.2.3 天線陣反射板

11個長細比結(jié)構(gòu)的螺旋天線介質(zhì)支撐筒安裝在天線陣反射板上,反射板的垂向抗彎剛度大小對介質(zhì)支撐筒響應(yīng)影響非常大,若剛度不足將造成支撐筒響應(yīng)明顯放大,因此反射板的抗力學(xué)設(shè)計主要從提高其垂向抗彎剛度考慮。

天線陣反射板采用蒙皮/蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu),其蒙皮為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料,夾層結(jié)構(gòu)的芯材為LF2鋁蜂窩材料。在控制重量的前提下,對蒙皮厚度、蜂窩芯高度等進行綜合設(shè)計,確定蒙皮鋪設(shè)4層(0°/45°/90°/-45°),厚度為0.5 mm,鋁蜂窩厚度為25 mm。

3 力學(xué)分析

3.1 分析工況及環(huán)境條件

采用有限元分析方法,對螺旋天線陣進行抗力學(xué)性能分析。

分析工況有模態(tài)分析、加速度過載、頻率響應(yīng)分析、隨機振動分析,具體的力學(xué)環(huán)境試驗條件如下:

1)加速度為9g,保持時間5 min;

2)正弦掃頻,5～16 Hz位移單峰值9.7 mm,16～120 Hz加速度10g,掃頻速率為2 oct/min;

3)隨機振動,10～200 Hz按照+6 dB/oct增加,200～1 500 Hz功率譜密度為0.13g2/Hz,1 500～2 000 Hz按照-12 dB衰減,總均方根加速度14.5g。

3.2 有限元模型說明

根據(jù)螺旋天線陣的結(jié)構(gòu)形式,對天線介質(zhì)支撐筒、反射板蒙皮等復(fù)合材料與金屬反射罩杯采用殼單元進行模擬,蜂窩芯采用實體單元進行模擬,天線陣內(nèi)其余部件以質(zhì)量單元進行模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

邊界條件設(shè)置為天線反射安裝孔位置約束全部自由度,10個M5的螺釘安裝點。

反射罩杯為高強鋁合金7A04-T6。介質(zhì)支撐筒采用三維編織Kevlar纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料構(gòu)成,由于目前三維編織復(fù)合材料的力學(xué)模型尚沒有成熟的工程化模擬方式,按照常規(guī)層合結(jié)構(gòu)進行近似模擬。具體來說,支撐筒按照4層鋪設(shè),每層等厚且各層之間無鋪設(shè)角度,沿著筒長度方向為其材料的縱向,近似后保證單個介質(zhì)支撐筒振動特性的計算值與試驗值相一致。Kevlar三維編織件的材料性能取材料試驗實測數(shù)據(jù)。

天線反射板為蒙皮/鋁蜂窩夾層復(fù)合材料,其蒙皮為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料,鋪設(shè)4層,厚度為0.5 mm。夾層結(jié)構(gòu)的芯材為鋁蜂窩材料,厚度為25 mm。有限元模型中反射板蒙皮的鋪層設(shè)計如圖3所示,其中t為厚度,PLY-N(N=1～4)為鋪層名稱。

圖3 天線反射板蒙皮鋪層建模示意圖

材料的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

表3 材料力學(xué)性能表

3.3 仿真分析

3.3.1 模態(tài)分析

為了驗證結(jié)構(gòu)的動剛度是否滿足設(shè)計要求,對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,同時模態(tài)分析也是隨機振動和諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。根據(jù)計算結(jié)構(gòu)提取300 Hz之內(nèi)的模態(tài)信息,如表4所示。分析結(jié)果顯示100 Hz以內(nèi)模態(tài)都為天線支撐筒的局部模態(tài),振動方向為水平方向,其中橫向的一階基頻為61 Hz,垂向的一階基頻為166 Hz,為天線反射板的彎曲變形模式。分析結(jié)果滿足橫向基頻大于50 Hz、垂向基頻大于80 Hz的動剛度設(shè)計要求。

表4 模態(tài)頻率與振形描述

3.3.2 加速度過載分析

為了驗證結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛強度,根據(jù)加速度過載試驗條件對結(jié)構(gòu)進行過載分析。3個方向上加速度過載的計算結(jié)果如表5所示。由分析結(jié)果可見,3個方向加速度過載下,反射面最大變形為1.02 mm,靜剛度好,各材料的最大應(yīng)力遠小于材料允許的強度,天線結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷下有較大的安全余量。

表5 加速度過載下的計算結(jié)果

3.3.3 隨機振動分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,運用模態(tài)疊加法,取臨界阻尼比0.05,分別計算天線陣在3個方向上隨機激勵下的振動響應(yīng)。3個方向上加速度過載的計算結(jié)果如表6所示。分析結(jié)果可見,3個方向隨機振動下,天線陣的最大總均方根相對位移為0.43 mm,即3倍總均方根相對位移為1.29 mm,則可以認為隨機振動下天線陣面的最大位移為1.29 mm,變形在可接受范圍內(nèi)。蒙皮3倍的最大總均方根單向應(yīng)力為140.6 MPa,按照復(fù)合材料的最大拉伸/壓縮破壞準則考慮,遠小于材料破壞強度。

表6 隨機振動下的計算結(jié)果

3.3.4 諧響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)的正弦掃頻頻率從15 Hz到100 Hz,而由前面模態(tài)分析可知,100 Hz以內(nèi)結(jié)構(gòu)的模態(tài)都是沿著橫向上介質(zhì)支撐筒的彎曲模態(tài),而垂向的基頻較高,因此在進行諧響應(yīng)分析時主要在水平方向上進行。匯總水平方向正弦振動分析結(jié)果如表7所示。由分析結(jié)果可見,兩個方向正弦振動作用下,最大變形為9.6 mm,位于支撐筒的頂端,支撐筒之間不會發(fā)生碰撞,變形在可接受范圍內(nèi)。單向最大應(yīng)力為55.6 MPa,按照復(fù)合材料的最大拉伸/壓縮破壞準則考慮,遠小于材料破壞強度。

X,Y向諧響應(yīng)下天線單元頂點加速度最大值分別達到182.3g,176.2g,分別如圖4、圖5所示。

表7 諧響應(yīng)分析結(jié)果

圖4 X向諧響應(yīng)下介質(zhì)支撐筒頂點加速度

圖5 Y向諧響應(yīng)下介質(zhì)支撐筒頂點加速度

3.3.5 熱應(yīng)力分析

為驗證游離安裝方式對熱變形的釋放作用,對游離安裝方式和全約束安裝方式的熱應(yīng)力情況進行了仿真分析和對比,分別如圖6、圖7所示。與全約束安裝方式相比,采用游離安裝方式后,反射罩杯的最大熱應(yīng)力從979 MPa下降到207 MPa。

圖6 全約束安裝方式熱應(yīng)力云圖

圖7 游離安裝方式熱應(yīng)力云圖

3.4 仿真結(jié)果分析

綜合加速度過載、隨機振動分析和諧響應(yīng)分析,各部件最大應(yīng)力結(jié)果如表8所示。

表8 各材料部件最大應(yīng)力

取設(shè)計安全系數(shù)1.5,根據(jù)分析結(jié)果和各部分材料的許用應(yīng)力計算了各部件的強度安全裕度,如表9所示。分析結(jié)果表明各項指標均滿足設(shè)計要求,且有一定的設(shè)計余量。

表9 力學(xué)性能符合表

4 力學(xué)環(huán)境試驗驗證情況

4.1 天線單元

對3件天線單元試驗件進行正弦振動試驗,同時考慮天線單元在天線陣反射板的響應(yīng)放大效應(yīng),按照仿真分析結(jié)果確定天線單元鑒定級正弦振動環(huán)境試驗條件為:5～16 Hz位移單峰值10.5 mm,16～120 Hz加速度13g,掃頻速率為2 oct/min。3件天線單元試驗件均通過正弦振動環(huán)境試驗的考核,一階頻率分別為62.8,62.3和63.1 Hz。對比模態(tài)分析結(jié)果,支撐筒的一階頻率分布在61.4～64.1 Hz的區(qū)間內(nèi)。試驗和分析的誤差在10%以內(nèi),運用上述材料參數(shù)和建模方式建立的支撐筒有限元模型進行動力學(xué)分析是有效的。

4.2 天線陣

為了對天線陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析及制造進行驗證,考核其承受鑒定級隨機振動和正弦振動環(huán)境試驗條件的能力,對天線陣試驗件開展鑒定級的隨機振動和正弦振動環(huán)境試驗,并且在每次方向正式試驗前后進行特征級掃頻試驗(10～500 Hz,量級0.5g,掃頻速率為4 oct/min),以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

按照X,Y,Z向的順序,在各個方向均先作正弦振動后再作隨機振動,試驗后天線陣外觀無任何損傷,電性能測試正常,性能指標前后一致。并且在試驗前后的特征掃頻試驗中,天線陣面上不同位置處天線單元上布置的測點的特征級掃頻響應(yīng)譜對應(yīng)峰值頻率的最大頻差都很小,頻率偏移小于2%,可見試驗前后結(jié)構(gòu)特性和健康狀態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化,試驗件通過了環(huán)境試驗的考核。另外,幾個天線單元的峰值頻率都在62 Hz左右,一致性較好,這說明天線陣經(jīng)過鑒定級三維編制復(fù)合材料支撐筒的加工離散性較小。以X向試驗為例,表10為試驗前后特征掃頻曲線峰值頻率頻差表,圖8為測點1的特征掃頻曲線對比圖。

表10 X向振動試驗前后特征掃頻的峰值頻率對比

圖8 X向振動試驗前后測點1特征掃頻曲線對比

5 結(jié)束語

星載天線在發(fā)射過程中經(jīng)歷復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境,進行抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計和分析以保障其經(jīng)歷復(fù)雜力學(xué)環(huán)境后可靠工作具有十分重要的意義。本文結(jié)合一種大細長比星載螺旋天線陣進行了抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計,利用有限元方法對其進行模態(tài)、加速度過載、諧響應(yīng)和隨機振動分析,對其結(jié)構(gòu)基頻和各部件安全裕度要求進行對比考核,各項指標均滿足設(shè)計要求。最后對設(shè)計產(chǎn)品進行試驗驗證,試驗結(jié)果顯示天線單元的峰值頻率在62 Hz左右,試驗結(jié)果與分析結(jié)果一致性較好,并且試驗前后特征曲線峰值頻率的頻差較小,天線單元的結(jié)構(gòu)特征和健康狀態(tài)沒有發(fā)生明顯變化,螺旋天線陣抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計合理、有效。

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