天線罩板塊連接邊肋結構優(yōu)化研究

楊成，白雪寒，孫寶華

(哈爾濱哈玻拓普復合材料有限公司，哈爾濱150036)

天線罩板塊連接邊肋結構優(yōu)化研究

楊成，白雪寒，孫寶華

(哈爾濱哈玻拓普復合材料有限公司，哈爾濱150036)

當夾層結構天線罩承受80 m/s或更高風速時，板塊連接會成為天線罩承力的薄弱環(huán)節(jié)之一，因此為了保證結構的安全，板塊連接邊肋結構需要特別設計。本文通過改變邊肋過渡區(qū)角度、添加加強筋等方式改進邊肋連接結構，最后通過邊肋連接件拉伸實驗驗證，實驗結果表明:優(yōu)化后的邊肋結構抗拉能力提高到原來的2倍，現(xiàn)有天線罩邊肋結構優(yōu)化方法可行。

地面雷達天線罩;板塊連接;結構優(yōu)化;拉伸性能

1 引言

地面雷達天線罩作為雷達天線的保護傘，使雷達天線免受自然環(huán)境的影響，保障了天線的正常使用，并能有效延長雷達天線的使用年限［1］。對于大尺寸地面雷達天線罩，出于結構安全的考量，一般選用玻璃鋼夾層結構制造天線罩罩體，同時考慮到天線罩的制造、運輸安裝等問題，一般將天線罩基于球面體基本劃分上進行準隨機劃分［2］，如圖1所示為28 m天線罩板塊劃分示意圖，板塊之間通過螺栓連接，對于夾層板結構天線罩，板塊連接邊為一定厚度的實心玻璃鋼，其厚度一般小于板塊厚度，一般將玻璃鋼連接部分及其與板塊過渡部位稱為板塊連接邊肋，該連接結構在受拉力時會在螺栓連接孔及過渡部位產生較大應力，可能會發(fā)生破壞。

近年來，隨著環(huán)境的嚴苛，雷達天線罩的性能要求及使用環(huán)境要求越來越高。結構方面部分地面雷達天線罩的抗風指標從原有的67 m/s提升至80 m/s甚至90 m/s罩體不發(fā)生破壞。當風速為80 m/ s時，較67 m/s風速下罩體表面風壓提高約50%，這使原有的結構設計不能夠滿足當前高抗風指標要求。在此情況下，板塊連接邊肋成為高抗風地面雷達夾層板結構天線罩承力的薄弱環(huán)節(jié)，所以為保證天線罩結構安全要求在不影響其原有設計的電性能基礎上特別設計其連接結構以保證天線罩在高風速下不發(fā)生破壞。

圖1 直徑28 m天線罩板塊劃分圖

本文主要為28 m高抗風地面雷達天線罩設計板塊連接邊肋形式，如圖2所示為現(xiàn)在普遍使用的玻璃鋼蒙皮/泡沫夾心結構板塊的邊肋結構形式，基于該種結構形式，本文使用ABAQUS有限元軟件進行邊肋受力模擬，結構優(yōu)化并通過邊肋拉伸試驗驗證結構優(yōu)化方法的可行性。

圖2 本文邊肋基本結構形式

2 天線罩邊肋結構優(yōu)化設計

2.1 有限元仿真

對現(xiàn)有邊肋結構簡化后進行有限元仿真，如圖3，為邊肋有限元模型。

圖3 有限元模型

蒙皮選材為玻璃纖維/聚酯，強度為240 MPa;夾層材料為聚氨酯泡沫，強度為0.4 MPa。載荷I面均壓作用，II截面固定約束。

完成整罩受力計算［3］后，計算邊肋需承受的拉力，28 m天線罩在80 m/s風速下邊肋需承受的拉力F=15 000 N。如圖4為F=15 000 N時原邊肋結構受力云圖，發(fā)現(xiàn)螺孔處最大壓應力約為170 MPa，最大拉應力約為180 MPa，螺孔處安全，但邊肋過渡區(qū)泡沫最大主應力為0.6 MPa，大于材料強度，會發(fā)生泡沫破壞。為保證天線罩邊肋在高風速下連接安全，需要重新優(yōu)化設計邊肋結構。

2.2 天線罩邊肋結構優(yōu)化

上節(jié)仿真結果顯示出連接邊肋結構受拉力時的應力分布，其中連接邊肋與板塊的過渡區(qū)(圖2)應力水平高，易發(fā)生破壞，破壞形式為泡沫破壞或蒙皮分層，為提高邊肋抗拉能力，考慮有以下幾種方法:

圖4 優(yōu)化前邊肋結構模擬結果

(1)過渡區(qū)泡沫更換為高強度泡沫，提高泡沫的承力水平，該方法的存在的問題是無法從根本上解決過渡區(qū)應力水平高的問題，在后續(xù)試驗中仍舊會出現(xiàn)蒙皮分層破壞的情況出現(xiàn);

(2)為根本上解決過渡區(qū)易破壞的問題，需要降低過渡區(qū)應力水平。通常有兩種方法，一是可適當調節(jié)過渡區(qū)坡角，即圖5中α、β的角度。一般來講，減小其角度能通過降低過渡區(qū)應力水平來提高邊肋結構的抗拉能力;二是對過渡區(qū)泡沫保護，如圖5，過渡區(qū)后加立筋進行泡沫保護是一種有效方法，立筋位置L對過渡區(qū)受力情況有較大影響，適當減小L可提高邊肋結構的抗拉能力;

(3)邊肋連接螺孔處破壞也是一種常見的邊肋結構破壞形式，一般可選用加厚玻璃鋼連接邊厚度或選用大直徑螺栓來分散螺孔處承受的壓力，使之可抵抗更大的拉力。

圖5 邊肋優(yōu)化參數(shù)示意圖

按照上述思路進行邊肋結構優(yōu)化，主要針對邊肋結構參數(shù)α、β及L進行優(yōu)化。首先將玻璃鋼邊肋處增厚2 mm，以保障實心邊肋的強度滿足強度要求;而后反復校對數(shù)組α、β取值，選取角度適宜且能使過渡區(qū)應力水平降低的匹配值，最后調整L的距離，達到設計最優(yōu)化要求。

如圖6所示為邊肋優(yōu)化后仿真結果，優(yōu)化后邊肋承受15 000 N拉力時泡沫最大主應力為0.19 MPa，邊肋過渡區(qū)受力水平明顯降低。

圖6 邊肋優(yōu)化后泡沫受力云圖

3 天線罩邊肋拉伸試驗

本文選取上節(jié)中論述的原有設計和改進設計兩種邊肋連接結構做邊肋拉伸試驗，并用有限元仿真預測其破壞時拉力。拉伸試驗結果如表1所示，邊肋結構的優(yōu)化使連接件的抗拉能力提高到原來的2倍。

表1 邊肋拉伸試驗與仿真結果

鑒于工藝水平的限制、仿真中材料的簡化定義等原因，可以認為試驗與仿真之間的誤差可以接受，邊肋拉伸試驗中泡沫破壞及螺孔破壞結果基本與仿真結果吻合，邊肋實際的抗拉能力略高于仿真結果，優(yōu)化設計手段有效。

圖7 優(yōu)化后邊肋拉伸破壞

需要說明的是，經(jīng)過優(yōu)化的邊肋在試驗驗證滿足結構強度的基礎上進行了相應的電性能計算。經(jīng)計算，電性能設計認為當前優(yōu)化的邊肋結構對電性能指標影響較小，基本滿足電性能設計要求。

4 結語

提高天線罩邊肋抗拉性能可通過改進邊肋材料或邊肋結構來完成，如更換高強泡沫、降低邊肋過渡區(qū)角度、過渡區(qū)泡沫保護等都會提升天線罩抗拉性能。同時可通過利用有限元仿真方法輔助邊肋結構優(yōu)化設計，設計結果基本能夠與實際情況相吻合。

當前邊肋強度優(yōu)化設計方法適用于高抗風環(huán)境下大尺寸雷達天線罩夾層結構板塊的邊肋設計。

［1］張志孝，周怡.大尺寸、高性能地面雷達天線罩的研制［C］// 2014年電子機械與微波結構工藝學術會議論文集，2014:54 -57.

［2］孫懿敏，閻宏濤.大型球面天線罩隨機劃分方法［C］//2011年機械電子學學術會議論文集，2011:66-69.

［3］佟麗莉，孟松鶴，陳輝.大型地面雷達天線罩內力及穩(wěn)定性分析［J］.纖維復合材料，2002，19(4):3-5.

Structure Optimization for the Plate Joint of Radome

YANG Cheng，BAI Xuehan，SUN Baohua
(Harbin Topfrp Composite Co.，Ltd.，Harbin，150036)

When a sandwich-type radome undergoes the wind with high speed，like 80m/s or higher，the plate connection will be one of the weak areas for the radome，so the joints of plates need to be specially designed.In this paper we optimize the structure of the joint by changing the angles of the transition zone and adding strengthening，and finally prove that after optimizing the tensile strength of the joint increases to 2 times of the original by tension tests.The existing method of structure optimization for the joint is available.

ground radome;plate joint;structure optimization;tension performance

2016-02-18)

楊成(1990-)，女，黑龍江人，碩士，結構工程師。研究方向:復合材料天線罩結構設計。

E-mail:hrbfrp_yc@163.com.