復合材料天線骨架結構設計

李瀟峰

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230000）

復合材料天線骨架結構設計

李瀟峰

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230000）

球載雷達對球上設備的重量要求嚴格，因此結構設計時應貫徹輕量化設計原則。為了達到設計要求，天線骨架采用輕質維復合材料以減輕重量。同時，利用有限元軟件對天線骨架進行力學分析，在力學分析的基礎上，充分利用復合材料的可設計性，設計并研制出符合要求的復合材料天線骨架結構。

球載雷達 復合材料 天線骨架

1　引言

球載雷達是一種空中平臺監視系統。該系統利用系留氣球作為平臺，搭載專門研制的雷達升空，用以實現對遠距離低空小目標的探測。為了盡可能增加氣球的剩余浮力，提高氣球空中工作的穩定性，結構總體設計時應貫徹輕量化設計原則，其中采用輕質復合材料設計制造球上設備是一種行之有效的方法。本文根據雷達系統的總體要求，結構設計時充分考慮質量、布局、體積等條件的約束，進行綜合優化設計，最終采用復合材料設計制造天線骨架。

2　天線骨架結構設計

該雷達系統球上設備主要包括通偵設備、雷達設備、穩定平臺以及作為承載結構的天線骨架。球上設備安裝在氣球整流罩內，通過穩定平臺懸掛于氣球的設備掛架。各天線設備則通過天線骨架懸掛在穩定平臺下方。天線骨架作為系統的主承力結構及安裝平面，要求其具有較好的剛度和強度。

根據系統設計要求，天線骨架為矩形平板結構，尺寸約為3000mm×1250mm，天線骨架正面安裝通偵設備及雷達設備的天線陣面，同時天線骨架背面安裝射頻前端等其他設備。球上天線設備總重超過75kg，且總體重量（不包括穩定平臺）要求小于110kg。綜合分析以上需求，確定天線骨架選擇復合材料進行設計，同時為了驗證其可靠性，對其進行力學分析。

以天線骨架結構力學分析為設計依據，考慮現有材料的性能以及天線結構形式本身的特點，天線骨架的材料選擇鋁蒙皮-碳纖維/泡沫-蜂窩夾層結構，以提高天線骨架的整體剛度及穩定性，同時滿足使用的需求。天線骨架的主體結構包括碳纖維/泡沫結構承力梁，鋁蜂窩中間夾層以及覆蓋在兩者外表面的薄鋁蒙皮，如圖1所示。

碳纖維/泡沫結構作為天線骨架的主承力梁，對整體的剛強度及穩定性起到了至關重要的作用。梁結構內部為泡沫F50-50膠結而成的泡沫框架，框架外部纏繞5層厚度為0.2mm的碳纖維布，框架內部相應位置預埋預制的鋁件作為穩定平臺的安裝接口?？蚣苤虚g拼接厚度為50mm的鋁蜂窩夾層，夾層內部同樣通過預埋預制鋁件的方式作為天線其他設備的安裝接口。拼裝完成后，在天線骨架的正反兩面安裝薄鋁蒙皮，穩定平臺與天線骨架的安裝點通過厚鋁件進行加固處理。

圖1　天線骨架結構示意圖

3　天線骨架力學分析

天線骨架的有限元建模首先采用CAD軟件PRO/E建立詳細的幾何模型，然后使用Hypermesh對幾何模型進行網格劃分和網格優化，然后導入ABAQUS求解器進行求解。復合材料各組分的力學參數如表1、表2所示。

表1　鋁合金、泡沫及碳纖維布力學參數

表2　鋁蜂窩力學參數

計算過程中，模擬天線系統實際使用條件，穩定平臺在最上端與天線骨架上相應的安裝接口相連，計算時約束穩定平臺最上端節點上所有自由度。有限元模型共1437865個節點，劃分為1662341個單元，如圖2所示。坐標原點取穩定平臺轉軸的最上端點，Z向為由天線陣面指向天線陣面背面方向，Y向為豎直向上方向，X向由右手定則確定。

由計算結果可知，天線骨架在工作狀態沿OX軸橫滾23°且受到法向（Z向）5m/s2過載時，結構發生最大變形，最大變形為5.3mm，最大變形位置出現在天線骨架底部；天線骨架在工作狀態沿OX軸橫滾23°且受到法向（X向）3m/s2過載時，結構產生最大應力，最大應力為34.1MPa。取安全系數1.5，則最小剩余安全裕度為1.5＞0，滿足強度設計要求。

圖2　天線骨架（含穩定平臺）有限元模型圖

4　結論

（1）經過力學分析，可以看出設計的復合材料天線骨架力學性能滿足設計指標的要求，工作狀態下結構的應力水平遠小于材料的許用應力，最小剩余安全裕度較高，同時結構變形也可以滿足使用要求。（2）通過實測可知，復合材料天線骨架總重量約為32kg，滿足總體的重量要求，較金屬鋁合金制造的天線骨架減重超過40%，較好地達到了輕量化的設計目的。（3）在設計各個階段充分運用經驗分析、理論計算、試驗測試等設計手段，不僅保證了整個設計過程沿著正確的方向進行，避免造成設計反復、浪費人力和物力，而且現代設計手段的應用有效提高了設計水平，很好地解決了該復合材料天線骨架結構設計中的各種難點。

[1]彭天杰.復合材料在雷達天饋系統結構設計中的應用[J].纖維復合材料，2008，（2）：18-19.

[2]萬錄明.雷達天饋系統輕量化技術[A]//第九屆機械加工技術學術年會論文集[C].2004.

[3]李順林.復合材料工作手冊[M].北京：北京航空工業出版社，1988.

Design of Composite Aantenna Framework Structure

LI Xiaofeng
(the thirty-eight h Institute of China Elect ronic Technology Group Corporation, Hefei 230000)

In order to meet the design requirements, the design principles of lightweigh t design should be carried out in order to meet the design requirements. At the same time, the finite element software the mechanical analysis of the antenna frame. The mechanics analys is bas ed on, make full us e of composite design, designed and developed in line with the requirements of the composite antenna framework structure.

Ball borne radar, composite, antenna framework