楊留義，楊雨田，楊志甫，趙軍忠，趙 波，史永康

大型平面天線可展開支撐結構變形影響因素分析*

楊留義，楊雨田，楊志甫，趙軍忠，趙 波，史永康

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

可展開支撐結構是大型車載天線的重要組成部分，其變形直接影響天線的性能指標。為控制天線可展開支撐結構工作狀態(tài)下的變形，針對某大型平面天線復合材料可展開支撐結構，采用有限元法建立仿真分析模型，在結構形式不變的情況下，分析不同復合材料鋪層方案及背部支撐位置對典型工況下結構變形的影響。分析結果表明，增加復合材料鋪層厚度，可以減小變形。對于給定結構形式可展開支撐結構，驅動臂支撐點選取在系統(tǒng)整體重心所在縱向線上可使得整體結構變形最小。分析結果為大型天線可展開支撐結構優(yōu)化設計提供了參考。

平面天線；天線結構；可展開；結構變形

引 言

隨著雷達性能要求的不斷提高，雷達天線口徑尺寸越來越大。為滿足車載雷達的機動性能和公路、鐵路等運輸界限要求，大口徑雷達天線需要引入可展開支撐結構。拋物面天線具有較高的剖面，折疊時存在分塊數(shù)量較多，折疊與展開機構動作較多的問題[1]。相比拋物面天線，平面陣列天線具有剖面低、結構簡單、易與車體共形等優(yōu)勢，在車載雷達領域具有廣泛的應用研究[2-7]。

大型平面陣列天線支撐結構一般采用沿車體橫向分塊的形式，實現(xiàn)折疊與展開狀態(tài)的變化。根據(jù)天線口徑尺寸的不同，分塊數(shù)存在一定的區(qū)別。文獻[2]針對包含上下兩個陣面的大尺寸平面陣列天線，提出了前翻四連桿折疊與展開機構，實現(xiàn)了平面陣列天線雷達的高效率收納，滿足了海陸空多種運輸方式的兼容設計。文獻[3]針對6.4m×4m的高機動雷達天線陣面可展開結構需求，采用擺動缸結合電動缸驅動方案，提出了集大角度翻轉、俯仰、舉高、定位和鎖緊等動作的多功能集成化機構方案。文獻[4]通過將天線單元分步折疊和陣列骨架分塊折疊的方案，實現(xiàn)了18m×6m口徑陣列天線的快速架設與撤收。為滿足大型高精度天線陣面的需求，文獻[5]引入多個作動器，提出了類似Stewart機構的平面天線高精度調整機構方案，實現(xiàn)了5m×5m口徑平面天線陣面精度不大于1mm的目標。文獻[6]和文獻[7]采用有限元方法建立了平面陣列天線展開支撐結構在靜力和動力載荷作用下的分析模型，分析了風載、自重等載荷對可展開支撐結構變形的影響，為平面可展開支撐結構優(yōu)化設計提供了分析方法。目前，平面陣列天線可展開支撐結構一般采用鋼材或鋁合金材料，具有較大的結構自重，影響了平面陣列天線形面精度的提升。碳纖維復合材料具有較大的比強度、比剛度，是減小可展開支撐結構重量、提升結構形面精度的有效解決方案。

本文面向大型平面天線設計需求，針對復合材料可展開支撐結構，采用有限元方法建立復合材料鋪層方案及驅動臂支撐布局形式對可展開支撐結構變形影響的分析模型，分析不同設計參數(shù)對復合材料可展開支撐結構典型工況下變形的影響，為大型平面天線可展開支撐結構設計提供參考。

1 分析模型

某地面遙測系統(tǒng)采用平面陣列天線形式，為減輕可展開支撐結構重量，提高整體系統(tǒng)機動性能，可展開支撐結構設計采用復合材料夾芯結構制成。相對于傳統(tǒng)金屬材料，復合材料夾芯結構可以整體固化成型，在連接接口處預埋金屬件實現(xiàn)附屬部件的連接。根據(jù)平面陣列天線尺寸和重量，以及天線座安裝接口要求，確定了平面天線可展開支撐結構的外形，如圖1所示。可展開支撐結構設計長度為6300mm，寬度為2300mm，有效載荷重量為800kg?？烧归_支撐結構一側通過4個鉸鏈與中間支撐結構連接，另一側自由，通過2個液壓驅動支撐臂實現(xiàn)陣面支撐結構的折疊與展開動作，并在工作狀態(tài)提供一定的結構剛度。為滿足天線工作性能需求，在有效載荷重量和風載荷共同作用下，可展開支撐結構上安裝平面均方根誤差RMS不大于1.5mm[8,9]。

復合材料夾芯結構采用復合材料面板和中間輕質的芯材粘接而成，在結構重量增加較少的情況下，可以有效提升結構的抗彎和抗扭剛度。復合材料夾芯結構的面板設計采用T700/3234預浸料成型，材料參數(shù)見表1，單層厚度為0.16mm。芯材選用聚甲基丙烯酰亞胺，避免蜂窩夾芯結構存在的面板與蜂窩界面的濕熱腐蝕問題。夾芯泡沫材料密度約120kg/m3。

圖1 展開支撐結構外形

表1 T700/3234單向布性能參數(shù)[10]

風載荷是車載雷達天線系統(tǒng)設計中必須考慮的載荷，對天線工作性能具有重要影響。在可展開支撐結構分析時，考慮風載荷影響，引入風載荷系數(shù)，將風載荷等效為靜載荷進行分析?？紤]風阻系數(shù)影響，迎風面動風壓計算公式為

取俯仰0°迎風、俯仰45°迎風和俯仰90°三種典型工況進行分析，分析工況示意圖如圖2所示。8級風速取為20.0m/s，大氣密度為1.225kg/m3。對于平面結構，風阻系數(shù)d依據(jù)文獻[11]取值為1.6，則迎風面所產生的動壓力為392.0Pa。

采用多點耦合約束的方式，約束鉸鏈安裝孔附近單元節(jié)點自由度。鉸鏈安裝孔附近單元節(jié)點僅具有繞可展開支撐結構長度方向旋轉的自由度。通過建立等效加載面的方式引入有效載荷。根據(jù)有效載荷支撐結構性能以及有效載荷重量，設置等效加載面彈性模量為2.7GPa，厚度為30mm，密度設置為1840kg/m3。對于復合材料夾芯結構，由于上下面板彈性模量大，主要承受拉壓載荷，中間較厚的輕質芯材主要承受壓縮載荷?？紤]到中間夾芯結構自身剛度對結構整體剛度的影響很小，為簡化分析模型，在有限元分析過程中忽略中間芯材對結構變形的影響，僅考慮碳纖維增強復合材料面板對結構性能的影響。對于等效加載面與復合材料可展開支撐結構，分別采用殼單元進行建模。等效加載面設置為約束主面，網(wǎng)格尺寸設置為300mm，與可展開支撐結構的上表面采用綁定約束。復合材料面板網(wǎng)格尺寸設置為30mm，并在應力集中區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。鉸鏈連接區(qū)域通過多點耦合約束的方式約束到參考點上。參考點約束設置為繞可展開支撐結構長度方向自由，約束其余自由度。驅動臂材料模型設置為鋼材，彈性模量設置為210GPa，泊松比設置為0.27，密度設置為7800kg/m3。驅動臂位移邊界條件設置為一端固定，另一端與可展開支撐結構局部連接區(qū)域單元節(jié)點采用耦合自由度的方式約束。驅動臂采用梁單元進行網(wǎng)格劃分?？烧归_支撐結構有限元分析模型如圖3所示。

圖2 可展開支撐結構典型載荷工況

圖3 可展開支撐結構有限元分析模型

2 鋪層方案對變形的影響

復合材料鋪層方案對可展開支撐結構成型后的性能具有重要影響。考慮到可展開支撐結構在實際工作中需要承受彎曲、剪切等載荷共同作用，為保證可展開支撐結構具有較好的剪切與拉壓強度，并避免應力集中現(xiàn)象，采用0°，+45°，–45°，90°四種鋪層角交錯鋪層方式。為提高可展開支撐結構抗沖擊性能，在可展開支撐結構的外表面鋪設2層平紋編織預浸布，鋪設角度與可展開支撐結構的橫向或縱向的夾角為45°。

為分析鋪層數(shù)量對可展開支撐結構變形的影響，在鋪設面積保持不變的情況下，分析以下三種不同鋪層數(shù)量下可展開支撐結構的變形情況：鋪層方案A的鋪層厚度為3.2mm，鋪層順序為[0/+45/–45/90]4[+45/–45]2；鋪層方案B的鋪層厚度為3.84mm，鋪層順序為[0/+45/–45/90]5[+45/–45]2；鋪層方案C的鋪層厚度為4.48mm，鋪層順序為[0/+45/–45/90]6[+45/–45]2。不同鋪層數(shù)量下，可展開支撐結構上安裝面RMS分析結果見表2。

表2 鋪層方案對可展開支撐結構形面精度的影響

根據(jù)表2可知，在相同結構形式下，可展開支撐結構RMS隨鋪層厚度的增加而近似線性減小。對于三種典型工況，當鋪層厚度增加20%時，RMS約減少11%。相比其他兩種工況，工況2下可展開支撐結構RMS最大。需要指出的是，復合材料鋪層厚度的增加將直接導致結構重量和成本的增加，一般以薄壁結構為主。

對于工況2，在自重和風載荷影響下，采用鋪層方案C的可展開支撐結構變形分布如圖4所示。根據(jù)位移分布云圖，可展開支撐結構的最大變形發(fā)生在遠離地面的伸出端邊角處，最大變形為3.84mm，說明靠近伸出端橫梁剛度偏小，需要進一步提高結構剛度。

3 驅動臂支撐位置對變形的影響

可展開支撐結構通過背部布置的2個雙向推拉驅動臂實現(xiàn)支撐結構的展開與折疊動作。展開到位后，驅動臂自鎖，實現(xiàn)到位鎖定。為合理設計驅動臂支撐位置，以鋪層方案C為例，在驅動臂總質量不變的前提下，分析驅動臂布局形式對可展開支撐結構變形的影響。三種典型驅動臂布置方案如圖5所示。

圖5 驅動臂支撐位置

不同驅動臂布置方案下，可展開支撐結構上安裝面RMS如表3所示。根據(jù)分析結果，對于所分析的可展開支撐結構，在驅動臂質量不變的情況下，驅動臂支撐位置布置在可展開支撐結構重心位置附近可以使得可展開支撐結構的RMS最小。當驅動臂支撐位置遠離可展開支撐結構重心位置時，可展開支撐結構的RMS將增大。驅動臂支撐位置布置在可展開支撐結構重心與鉸鏈之間時，在相同載荷工況下，可展開支撐結構的RMS將大于驅動臂支撐位置布置在重心與自由伸出端之間的情況。

表3 驅動臂支撐位置對可展開支撐形面精度的影響

4 結束語

面向大型平面天線技術需求，提出了復合材料可展開支撐結構方案。采用有限元方法，分析了鋪層數(shù)量、驅動臂支撐位置等因素對復合材料可展開支撐結構變形的影響，實現(xiàn)了滿足變形要求的可展開支撐結構設計。分析結果表明，在相同截面形式下，可展開支撐結構變形隨復合材料鋪層厚度的增加而線性減小。在驅動臂總質量不變的前提下，驅動臂支撐位置布置在可展開支撐結構重心位置附近時具有最大的結構承載效率，遠離重心位置時，復合材料可展開支撐結構的變形將增大。關于芯材性能及芯材截面形式等對可展開支撐結構變形的影響將在進一步工作中考慮。本文結果可為大型天線可展開結構設計提供參考。

[1] 周雷, 任翠鋒. 高機動雷達天線結構設計[J]. 機械與電子, 2011, 29(4): 78–80. ZHOU Lei, REN Cuifeng. Design of mechanism of the antenna system for the highly mobile radar[J]. Machinery & Electronics, 2011, 29(4): 78–80.

[2] 孟國軍, 倪仁品, 陳建平. 一種新型雷達天線折疊機構研究與實現(xiàn)[J]. 中國測試, 2012, 38(1): 85–89. MENG Guojun, NI Renpin, CHEN Jianping. Research and implementation of new folding mechanism for radar antenna[J]. China Measurement & Test, 2012, 38(1): 85–89.

[3] 房景仕, 張根烜, 王晨晨. 一種車載高機動雷達結構總體設計[J]. 電子機械工程, 2017, 33(4): 6–10. FANG Jingshi, ZHANG Genxuan, WANG Chenchen. System structure design of a high mobility vehicle-borne radar[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2017, 33(4): 6–10.

[4] 魏志文, 陳虎, 陶曉瑛. 一種可折疊的米波超帶寬天線陣列設計[J]. 現(xiàn)代雷達, 2017, 39(4): 73–76. WEI Zhiwen, CHEN Hu, TAO Xiaoying. Design of flexible meter-wave ultra-wideband arrays[J]. Modern Radar, 2017, 39(4): 73–76.

[5] 方紅梅, 鐘劍鋒, 徐文華, 等. 高精度調整技術在大型天線陣面上的應用研究[J]. 電子機械工程, 2018, 34(1): 8–11. FANG Hongmei, ZHONG Jianfeng, XU Wenhua, et al. Research on application of high-accuracy adjustment technology to large antenna array[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2018, 34(1): 8–11.

[6] 周小龍, 操衛(wèi)忠. 某機動式雷達天陣面結構優(yōu)化設計方法研究[J]. 電子機械工程, 2017, 33(5): 24–27. ZHOU Xiaolong, CAO Weizhong. Research on optimization design method for antenna array structure of a mobile radar[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2017, 33(5): 24–27.

[7] 李文舒, 劉崗風, 李振偉, 等. 基于ANSYS的車載相控陣天線骨架結構分析[J]. 無線電工程, 2017, 47(2): 57–60. LI Wenshu, LIU Gangfeng, LI Zhenwei. Structure analysis of vehicle-borne phased array antenna framework based on ANSYS[J]. Radio Engineering, 2017, 47(2): 57–60.

[8] 王從思, 王偉, 宋立偉. 微波天線多場耦合理論與技術[M]. 北京: 科學出版社, 2015.

[9] WANG C S, Duan B Y, Zhang F S. Coupled structural-electromagnetic-thermal modeling and analysis of active phased array antennas[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2010, 4(2): 247–257.

[10] 張國旗, 胡琦, 武海生, 等. 某型號無人機復合材料主起落架的研制[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2017, 1(6): 89–93. ZHANG Guoqi, HU Qi, WU Haisheng, et al. The research and development of composite landing gear for an unmanned aerial vehicle(UAV)[J]. FRP/CM, 2017, 1(6): 89–93.

[11] 施吉剛. 某新型車載相控陣天線結構設計[J]. 通信技術, 2014, 47(5): 584–588. SHI Jigang. Structural design of vehicle-borne phased array antenna[J]. Communications Technology, 2014, 47(5): 584–588.

Influencing factors on deformation of deployable support structure for large planar array antenna

YANG Liuyi, YANG Yutian, YANG Zhifu, ZHAO Junzhong, ZHAO Bo, SHI Yongkang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Deployable structure is one of the key components for large vehicle-borne antenna, and deformation of the deployable structure affects the antenna performance directly. Finite element model of a composite deployable structure is presented for a large planar array antenna. Effects of the number of composite plies and the support positions of deployable boom on the deformation are analyzed for a certain deployable structure. Results indicate that the deformation will reduce with the increase of the number of composite plies. Besides, support positions of the deployable booms should be near the gravity center of the system in order to reduce the deformation. Results of this paper provide valuable information about optimization design of deployable structure of large antenna.

Planar array antenna; Antenna structure; Deployable structure; Deformation

TN957.2

A

CN11-1780(2019)05-0042-05

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

總裝預研項目支持

2019-06-11

2019-09-09

楊留義 1988年生，博士，工程師，主要研究方向為可展開天線結構技術。

楊雨田 1982年生，高級工程師，主要研究方向為天線結構設計技術。

楊志甫 1981年生，高級工程師，主要研究方向為天線結構設計技術與天線熱控技術。

趙軍忠 1959年生，研究員，主要研究方向為航天電子設備設計技術。

趙 波 1982年生，高級工程師，主要研究方向為天線設計技術。

史永康 1979年生，研究員，主要研究方向為天線設計技術。