某復(fù)合材料星載天線反射面抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

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(1. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 亳州 236800；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天線反射面作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，與信號(hào)的接受、發(fā)射質(zhì)量和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接相關(guān)[1]。平面度和尺寸穩(wěn)定性作為天線反射面的兩個(gè)重要指標(biāo)，將會(huì)直接影響天線的增益，因此反射面研制過(guò)程中，一個(gè)重要任務(wù)是如何來(lái)保證反射面的型面精度和尺寸穩(wěn)定性[2]。同時(shí)衛(wèi)星天線反射面又作為航天結(jié)構(gòu)件，對(duì)重量控制有著較高的要求，因此反射面的研制過(guò)程中，另外一個(gè)重要的工作就是輕量化設(shè)計(jì)。針對(duì)型面精度、尺寸穩(wěn)定性和輕量化設(shè)計(jì)等多重要求，在拓?fù)錁?gòu)型和結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用高模量、高強(qiáng)度的新型材料是最佳的選擇，特別是使用先進(jìn)復(fù)合材料。

復(fù)合材料由多種類型的材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成，既能夠保留原有組成材料的主要特色，又能通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分性能相互彌補(bǔ)、補(bǔ)充、關(guān)聯(lián)和協(xié)同，從而獲得原組分材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[3]。先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料，其在綜合性能上與鋁合金相當(dāng)，但是比剛度、比強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于鋁合金材料[4]，并且具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞性能。特別是碳纖維復(fù)合材料還具有良好的導(dǎo)電性能，能夠滿足天線反射面必須是導(dǎo)電材料的要求；并且碳纖維復(fù)合材料在纖維方向和垂直纖維方向上分別具有負(fù)的和正的熱膨脹系數(shù)，能夠通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)保證天線反射面在軌道熱循環(huán)載荷下的尺寸穩(wěn)定性[5]。正是由于碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良力學(xué)性能、熱學(xué)性能，并且性能可設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，使其在航天航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]，與鋁、鋼、鈦一起成為四大結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料的用量比已經(jīng)成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一[10]。相比于其它的技術(shù)，采用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行航天航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減重20%～30%，在所有新技術(shù)應(yīng)用中減重最為明顯[3]。

針對(duì)某星載天線反射面的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)全復(fù)合材料天線反射面。對(duì)該復(fù)合材料反射面開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)后的天線陣面開(kāi)展力學(xué)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線反射面為天線陣面的重要組成部分，具有三個(gè)方面的主要作用：第一，天線反射面為天線單元陣子的安裝面，其上一共安裝有30個(gè)細(xì)長(zhǎng)型的天線單元陣子；第二，天線反射面為整個(gè)衛(wèi)星天線與衛(wèi)星平臺(tái)的連接件，是主要的承力構(gòu)件；第三，天線反射面還是星載天線的信號(hào)反射面?；谝陨先齻€(gè)方面的作用，將天線反射面設(shè)計(jì)為天線反射板、對(duì)接環(huán)和加強(qiáng)筋三個(gè)主要部分。

天線反射板的設(shè)計(jì)除了常規(guī)的機(jī)械連接設(shè)計(jì)外，主要考慮增加其垂向抗彎剛度。一方面，30個(gè)細(xì)長(zhǎng)型天線單元陣子安裝在天線反射板上，而該細(xì)長(zhǎng)型的天線單元陣子其基頻較低，在衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，提高天線反射板的垂向抗彎剛度有利于降低天線單元陣子的振動(dòng)響應(yīng)；另一方面天線反射板作為衛(wèi)星天線的電反射面，對(duì)平面度有著較高的精度要求，提高天線反射板的剛度可以保證衛(wèi)星天線在空間熱環(huán)境下保持較高的平面度。提高天線反射面剛度可以通過(guò)提高反射板的厚度，以及優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)接環(huán)為天線反射面中與衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行連接的部件，因此其需要保證足夠的剛強(qiáng)度，以保證衛(wèi)星天線在發(fā)射過(guò)程不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和變形，為此對(duì)接環(huán)采用了槽型截面構(gòu)成的環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)接環(huán)尺寸主要影響反射板懸出部分的垂向抗彎剛度，以及系統(tǒng)整體的垂向剛度。如前所述，其尺寸過(guò)小，反射板懸出部分的垂向抗彎剛度不足將造成天線陣子振動(dòng)響應(yīng)明顯放大；而其尺寸過(guò)大，將導(dǎo)致系統(tǒng)整體垂向剛度降低，這會(huì)造成在垂向載荷下整體力學(xué)響應(yīng)過(guò)大。因此在對(duì)接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要對(duì)兩者進(jìn)行均衡考慮。

基于力學(xué)仿真優(yōu)化技術(shù)對(duì)反射板的厚度、對(duì)接環(huán)的尺寸，以及加強(qiáng)筋的位置進(jìn)行了優(yōu)化配置。最終設(shè)計(jì)完成的天線反射面的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中反射面高30 mm，直徑為1 880 mm，對(duì)接環(huán)高115 mm，外接直徑1 450 mm。

圖1 天線反射面結(jié)構(gòu)

2 反射面復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

該天線反射面為航天結(jié)構(gòu)件，在發(fā)射主動(dòng)段其承受的力學(xué)環(huán)境極為惡劣，因此其對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化和可靠性的要求極為苛刻。采用復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但能夠收到很好的經(jīng)濟(jì)效益，還可以增加結(jié)構(gòu)抗破壞能力。特別是復(fù)合材料的整體成型技術(shù)，可以有效地減小連接，提高結(jié)構(gòu)可靠性；并且復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗疲勞特性都優(yōu)于鋁、鈦等其他航天材料，能夠極大提高結(jié)構(gòu)可靠性。

該天線反射面采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)。主反射板采用復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)強(qiáng)度和剛度較大的蒙皮和中間輕質(zhì)、較厚的芯材粘接組成。中間的蜂窩芯材，分隔上下蒙皮，使兩者保持了一定的間距，增加了夾芯結(jié)構(gòu)的慣性矩，有效地提高結(jié)構(gòu)的抗彎和抗扭剛度，但是整體質(zhì)量增加較小，從而提高了結(jié)構(gòu)比剛度和比強(qiáng)度。反射板的蒙皮采用M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)4層，厚度為0.5 mm，鋪層順序?yàn)閇0/45/90/-45]；夾芯結(jié)構(gòu)的芯材為鋁蜂窩材料，厚度39 mm。對(duì)接環(huán)為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)8層，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0]s，厚度為3 mm。加強(qiáng)筋條為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)8層，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0]s，厚度為2 mm。整個(gè)天線反射面的質(zhì)量為46 kg。

各鋪層均采用M55J碳纖維單向預(yù)浸料鋪設(shè)，M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料單向板的力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能表

3 有限元分析驗(yàn)證

為了校核該復(fù)合材料天線反射面的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，采用有限元分析手段對(duì)其基頻和各種力學(xué)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行校核，這里主要考察M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度。

3.1 力學(xué)環(huán)境條件及要求

天線子系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星平臺(tái)的對(duì)地板上，其鑒定級(jí)的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件如為加速度9g，沿3個(gè)軸向；振動(dòng)試驗(yàn)條件分為正弦掃頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩種，具體條件分別見(jiàn)表2和表3所示。

表2 SMA天線陣面鑒定級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

注：g為加速度單位，1g=9.8 m/s2

3.2 抗力學(xué)環(huán)境要求

抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求該衛(wèi)星天線在平行于安裝方向上的基頻大于30 Hz，垂直于安裝方向(Z向)基頻大于100 Hz；并且結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)在可控范圍，不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度大于0.25。

表3 SMA天線陣面鑒定級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

3.3 有限元建模

天線陣面的有限元模型見(jiàn)圖2所示。建模中主反射板蒙皮、對(duì)接環(huán)、加強(qiáng)筋等復(fù)合材料與天線單元陣子采用殼單元進(jìn)行模擬，并按照設(shè)計(jì)鋪層對(duì)復(fù)合材料鋪層屬性的定義，蜂窩芯采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，對(duì)于其中的天線螺旋線、射頻電纜組件、射頻轉(zhuǎn)換器等作為負(fù)載以質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。邊界條件設(shè)置為對(duì)接環(huán)與衛(wèi)星平臺(tái)的連接法蘭孔上約束6個(gè)方向的自由度。

圖2 天線陣面有限元模型

3.4 分析結(jié)果

基于動(dòng)力學(xué)有限元分析手段，分別對(duì)該天線陣面進(jìn)行了模態(tài)分析、加速度過(guò)載分析、正弦振動(dòng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。

天線反射面的模態(tài)頻率與振型描述如表4所示，圖3為反射板的垂向一階和二階彎曲振型圖。由分析結(jié)果可見(jiàn)，整個(gè)衛(wèi)星天線在水平方向上的基頻為67.4 Hz，為天線單元陣子在水平方向上的一階彎曲；衛(wèi)星天線在垂直方向一階基頻為209.5 Hz，為反射板的彎曲變形模式。由此可見(jiàn)結(jié)構(gòu)的基頻均能滿足水平方向大于30 Hz，垂直方向大于100 Hz的要求。

表5為各種工況下天線反射板的最大應(yīng)力值和位移值；不失一般性，圖4給出了垂向(Z)隨機(jī)振動(dòng)下，天線陣面的1σ應(yīng)力分布云圖和1σ變形云圖。由分析結(jié)果可見(jiàn)，縱向最大應(yīng)力為280.86 MPa，橫向最大應(yīng)力為10.62 MPa，最大剪切應(yīng)力為18.50 MPa，均要小于材料強(qiáng)度。取安全系數(shù)為1.5，計(jì)算結(jié)構(gòu)安全裕度。計(jì)算結(jié)果表明最小安全裕度為0.42，滿足一般復(fù)合材料安全裕度需要大于0.25的要求。由反射面法向位移結(jié)果，可見(jiàn)最大法向位移為0.53 mm，位移較小，在可控范圍之內(nèi)。力學(xué)仿真分析結(jié)果表明該天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各向指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 模態(tài)頻率與振型描述

圖3 反射板一階和二階彎曲的振型

表5 各種工況下天線反射面的最大應(yīng)力和法向最大位移

圖4 垂向隨機(jī)振動(dòng)下天線陣面的1 σ應(yīng)力分布和變形云圖

4 力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該天線陣面力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，試驗(yàn)包括正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)流程

通過(guò)每次試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的對(duì)比來(lái)判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化，變化是否在可接受的范圍之內(nèi)，并以此進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。具體的做法是：每次試驗(yàn)前后均增加一次低量級(jí)的正弦特征掃頻試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比天線反射面上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)處，前后特征掃頻曲線的變化(峰值頻率、峰值大小、前后曲線吻合度等)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化，發(fā)生的變化是否在預(yù)期范圍之內(nèi)，并進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷和破壞。特征掃頻的條件為：頻率20～600 Hz，量級(jí)為0.5g(1g=9.8 m/s2)，掃頻速率2 oct/min。試驗(yàn)中設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為M01和M02，其中M01為最中部天線單元陣子的頂部，主要監(jiān)測(cè)天線單元陣子的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與特征；M02為天線反射板的中部位置處，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)天線反射板的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與特征。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程中未聽(tīng)見(jiàn)異常聲響，且試驗(yàn)完畢后天線陣面的結(jié)構(gòu)外觀目視檢查良好，沒(méi)有出現(xiàn)任何外觀上的損傷。通過(guò)每次試驗(yàn)前后關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)M01和M02的特征掃頻曲線對(duì)比可見(jiàn)，特征曲線吻合較好，振動(dòng)峰值的頻率和大小均沒(méi)有發(fā)生明顯變化，不失一般性。圖6給出了橫向(X向)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)M01的3次特征曲線對(duì)比圖；圖7給出了垂向(Z向)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)M02的3次特征掃頻曲線對(duì)比圖。

圖6 橫向(X向)振動(dòng)時(shí)M01測(cè)點(diǎn)3次特征掃頻曲線對(duì)比

圖7 垂向(Z向)振動(dòng)時(shí)M02測(cè)點(diǎn)3次特征掃頻曲線對(duì)比

另外由圖6中測(cè)點(diǎn)M01特征曲線還可以得出，該天線在水平方向上振動(dòng)時(shí)，其一階峰值頻率為68.9 Hz，也就是天線水平方向上的基頻試驗(yàn)結(jié)果為68.9 Hz，大于30 Hz的設(shè)計(jì)要求；同樣由圖7中測(cè)點(diǎn)M02特征曲線可見(jiàn)，該天線在垂直方向上的基頻為208.7 Hz，大于100 Hz的設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)，該天線陣面經(jīng)受住了振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的考核，且各向指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并且由天線陣面基頻的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，仿真與試驗(yàn)吻合良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某星載天線重量要求輕、平面精度和尺寸穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗力學(xué)環(huán)境驗(yàn)證工作。

分別從天線陣面的整體結(jié)構(gòu)形式、復(fù)合材料鋪層、加強(qiáng)筋的布置位置等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)仿真分析和力學(xué)試驗(yàn)對(duì)該天線陣面進(jìn)行了指標(biāo)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該天線反射面的橫向和垂向基頻分別為67.4 Hz和209.5 Hz，結(jié)構(gòu)的最小安全裕度為0.42，均滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且該天線陣面順利通過(guò)了鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的考核，該天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可行。另外，由試驗(yàn)測(cè)試基頻和仿真分析基頻對(duì)比可見(jiàn)，仿真分析較好地預(yù)測(cè)了試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)仿真分析能為該類型天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的支撐。