Q/V頻段波導(dǎo)法蘭塑性變形研究

劉江濤,張保,張梓杰,曹健,董鋒

（中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100）

0 引 言

Q頻段指33～50 GHz，V頻段指50～75 GHz。Q/V頻段作為毫米波頻段中最適合開展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的頻段，該頻段的通信載荷已開始逐步進入商業(yè)衛(wèi)星市場[1]。Q/V頻段是未來高通量通信衛(wèi)星和超高通量通信衛(wèi)星饋電鏈路使用頻段。微波無源產(chǎn)品是衛(wèi)星有效載荷的關(guān)鍵部件之一，常用的微波無源產(chǎn)品包括濾波器、多工器、開關(guān)等。波導(dǎo)法蘭是無源產(chǎn)品內(nèi)部及產(chǎn)品相互之間相互連接的接口，法蘭的強度關(guān)系到連接是否可靠，進而影響無源產(chǎn)品單機性能及系統(tǒng)系能。Q/V頻段無源單機作為通信衛(wèi)星主要有效載荷應(yīng)用會越來越廣泛。

1 問題背景

圖1為某型號Q/V頻段耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，耦合器中間需要開窗以方便腔體內(nèi)的特征加工。窗口設(shè)計堵板，內(nèi)腔加工完成后使用釬焊工藝將窗口封閉。常用的滿足釬焊焊接要求的材料有銅、防銹鋁、殷鋼等，單機設(shè)計從減重方面考慮材料選用防銹鋁3A21。結(jié)構(gòu)設(shè)計時按照通用Q/V法蘭標(biāo)準(zhǔn)厚度進行設(shè)計。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)法蘭強度不足，法蘭面產(chǎn)生了塑性變形，兩法蘭接觸面間的壓強由于法蘭塑性變形而減小，連接可靠性降低，影響單機性能可靠性。

圖2顯示了較低頻段波導(dǎo)法蘭及Q/V頻段波導(dǎo)法蘭的結(jié)構(gòu)形式。從法蘭結(jié)構(gòu)上可以看出，Q/V頻段之前的各頻段常用法蘭大面均為平面形式，兩法蘭對接緊固時壓力在法蘭面均勻分布，兩法蘭面之間沒有間隙，不會引起法蘭變形。Q/V法蘭為了增大接觸面壓強，中間設(shè)計有圓形凸起，兩法蘭對接時法蘭大面間會形成1.6 mm的間隙，當(dāng)法蘭緊固力矩過大時，超過材料的屈服極限，法蘭就會產(chǎn)生塑性變形。

圖1 Q/V頻段耦合器及法蘭受力變形示意圖

圖2 法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

2 解決方法

通過分析，決定法蘭變形的因素主要是法蘭受力及法蘭強度。其中法蘭受力取決于緊固螺釘?shù)臄Q緊力矩，影響法蘭強度的因素主要是材料本身的力學(xué)性能和法蘭結(jié)構(gòu)形式，如厚度等。本研究從減小擰緊力矩、增加法蘭厚度、更換高強度材料三方面措施入手，嘗試解決法蘭塑性變形問題。

2.1 減小擰緊力矩

Q/V法蘭中間凸臺的設(shè)計目的是為了增大接觸面的壓強。查閱相關(guān)資料壓強大于35 MPa認(rèn)為滿足要求。Q/V頻段波導(dǎo)法蘭擰緊螺釘為4顆M3圓柱頭內(nèi)六角螺釘，目前法蘭螺釘擰緊力矩按照1.3 N·m執(zhí)行，按照式（1）計算出每顆螺釘施加給法蘭的力，在1.3 N·m力矩的條件下單顆螺釘壓力約2166 N，根據(jù)凸臺面積計算出Q/V頻段法蘭接觸壓強約78.8 MPa，遠超35 MPa。根據(jù)分析結(jié)果法蘭大部分區(qū)域均超過了材料的塑性極限，見圖3。

式中：T為力矩，N·m；K為擰緊系數(shù)，取0.2；D為公稱直徑，m；F為力，N。

圖3 法蘭塑性變形分析結(jié)果

對于Q/V頻段法蘭，在滿足壓強的前提下應(yīng)減小法蘭緊固力矩，防止過要求、過設(shè)計。考慮到加工誤差、操作誤差等因素，法蘭面壓強值需要留有一定余量。本研究選取0.8 N·m的力矩進行計算，計算結(jié)果為法蘭凸臺面壓強約為48.5 MPa，壓強余量充足，滿足使用要求，暫時確定為Q/V法蘭擰緊力矩，在下文結(jié)合材料、厚度等進行仿真分析。

2.2 增加法蘭厚度

對于防銹鋁3A21法蘭，應(yīng)用有限元仿真的方法進行分析，在緊固力矩0.8 N·m的條件下調(diào)整法蘭的厚度，尋找不發(fā)生塑性變形的法蘭厚度。

通過分析，當(dāng)法蘭厚度為5.2 mm時（圖4），凸臺和法蘭大面結(jié)合處發(fā)生局部塑性變形，可以認(rèn)為是應(yīng)力集中的結(jié)果，法蘭正面未發(fā)生明顯塑性變形。法蘭背面區(qū)域應(yīng)力較大，處于塑形變形臨界區(qū)域。當(dāng)法蘭厚度增加到5.7 mm時（圖5），應(yīng)力情況明顯改善，正面只有凸出與大面結(jié)合處產(chǎn)生部分塑性變形，背面只有直角區(qū)域應(yīng)力比較大，均為應(yīng)力集中的結(jié)果。

圖4 防銹鋁，法蘭厚度5.2 mm，力矩0.8 N·m應(yīng)力分布

圖5 防銹鋁，法蘭厚度5.7 mm，力矩0.8 N·m應(yīng)力分布

2.3 更換高強度的材料

防銹鋁材料作為結(jié)構(gòu)件強度較弱，常用的其他材料如硬鋁2A12、黃銅、電鑄銅的強度要高于防銹鋁，并且黃銅和電鑄銅也具有可焊接性能，故選擇以下3種材料進行研究。徐良朗等[2]研究了脈沖電鑄銅的性能，其抗拉強度位于390～680 MPa之間。李智等[3]研究了直流電鑄銅的性能，其抗拉強度平均值約為400 MPa之間。電鑄銅的力學(xué)參數(shù)與黃銅類似，有限元分析和實驗驗證可參考黃銅進行。

圖6為材料硬鋁2A12 H112法蘭厚度為3.7 mm時的分析結(jié)果，法蘭大面未見塑性變形區(qū)域，僅凸臺與大面結(jié)合處有輕微塑性變形。圖7為法蘭厚度為4.2 mm時的分析結(jié)果，應(yīng)力進一步改善。

圖8為黃銅法蘭厚度3.2 mm時的應(yīng)力分布，法蘭背面部分區(qū)域應(yīng)力較大。當(dāng)法蘭厚度增加到3.7 mm時（圖9），

圖6 硬鋁2A12，法蘭厚度3.7 mm，力矩0.8 N·m應(yīng)力分布

圖7 硬鋁2A12，法蘭厚度4.2 mm，力矩0.8 N·m應(yīng)力分布

圖8 黃銅，法蘭厚度3.2 mm，力矩0.8 N·m應(yīng)力分布

法蘭強度滿足要求。

3 實驗驗證

根據(jù)以上有限元分析結(jié)果，輸出結(jié)構(gòu)圖樣，對Q/V頻段法蘭進行了結(jié)構(gòu)件的加工。分別驗證不同法蘭厚度、不同法蘭材料的性能。

圖10 不同材料及厚度法蘭實驗件

表1 法蘭加載-卸載后變形量

從實驗結(jié)果看，卸載后法蘭均有一定的殘余變形，材料為3A21、法蘭厚度為5.7mm時的殘余變形為0.0007mm；材料為2A12、厚度為4.2時的殘余變形為0.0005mm；材料為純銅、法蘭厚度為4.2 mm時的殘余變形為0.0004 mm；材料為黃銅、法蘭厚度為3.7 mm時的殘余變形為0.0002 mm。考慮到測量時的誤差，認(rèn)為上述法蘭均消除了塑性變形。

4 結(jié)論

通過分析和實驗驗證，對于Q/V頻段波導(dǎo)法蘭設(shè)計建議如下：1）材料為防銹鋁3A21 H112時，法蘭厚度5.7 mm；2）材料為硬鋁2A12 H112時，法蘭厚度4.2 mm；3）材料為黃銅H62 Y2/電鑄銅時，法蘭厚度3.7 mm。

[參考文獻]

[1] 左朋,潘琳,馬尚.Q/V頻段通信載荷初步分析[]J].空間電子技術(shù),2017(1):31-37.

[2] 徐良朗.超細晶銅的電鑄工藝優(yōu)化研究]D].南京:南京理工大學(xué),2006.

[3] 李智.毫米波器件關(guān)鍵制造技術(shù)研究]D].南京:南京理工大學(xué),2012.