開(kāi)縫蜂窩結(jié)構(gòu)電磁/力學(xué)綜合性能設(shè)計(jì)

楊森 ,陳海燕 ,郟亞威,姚鑫,孫啟峰

(1.國(guó)家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心,四川 成都 611731;2.多頻譜吸波材料與結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731;3.電子科技大學(xué),四川 成都 611731)

蜂窩吸波材料具有密度小、重量輕、強(qiáng)度高[1-2]和吸波性能優(yōu)異等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在航空航天、建筑、交通等領(lǐng)域。隨著蜂窩吸波材料研究的不斷進(jìn)展,涌現(xiàn)出很多的新型蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu),包括填充型[3]、嵌入型[4]、串聯(lián)型[5]、層次性[6]、負(fù)泊松比型[7]、負(fù)剛度[8]等。在過(guò)去的二十多年,國(guó)內(nèi)外對(duì)蜂窩材料在不同加載條件下的基本力學(xué)響應(yīng),包括拉伸、壓縮、屈曲、剪切和疲勞做了大量研究[9-12]。多功能蜂窩復(fù)合材料,如吸波蜂窩復(fù)合材料的研究也有長(zhǎng)足發(fā)展。如羅輝等[13-14]設(shè)計(jì)的一種雙層吸波結(jié)構(gòu),蜂窩上表面加匹配層作為阻坑匹配,蜂窩下表面加吸收層得到的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)及寬帶吸收的特點(diǎn)。Kwak 等[15]設(shè)計(jì)的雙蜂窩芯三層蒙皮的鍍鎳玻璃織物蜂窩夾層結(jié)構(gòu),擴(kuò)大了吸波入射角范圍。總的來(lái)說(shuō),蜂窩吸波復(fù)合材料在朝著輕質(zhì)、高強(qiáng)度及更好吸收性能的方向發(fā)展,蜂窩吸波結(jié)構(gòu)的多功能設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究。

為了滿足蜂窩吸波材料多功能的應(yīng)用,在蜂窩內(nèi)部嵌入天線和雷達(dá)等電子模塊器件,出現(xiàn)了基于蜂窩夾層板進(jìn)行預(yù)埋的設(shè)計(jì)方法,最早在20 世紀(jì)90 年代由洛克希德馬丁航天公司在進(jìn)行多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出[16]。即將蜂窩芯局部挖空,把高度集成的電子模塊埋入芯內(nèi)部并進(jìn)行保護(hù)加固設(shè)計(jì),使航天器的設(shè)計(jì)在輕量化方面有了質(zhì)的飛躍。畢中臣等[17]對(duì)蜂窩紙板進(jìn)行開(kāi)槽處理,結(jié)果表明開(kāi)槽可以降低其起始屈服應(yīng)力,提高蜂窩平臺(tái)區(qū)的緩沖性能。馬科峰等[18]從實(shí)驗(yàn)角度研究了傳統(tǒng)芳綸紙蜂窩芯、開(kāi)槽芳綸紙蜂窩芯以及有孔芳綸紙蜂窩芯的主要力學(xué)性能。夏明凱等[19]用數(shù)值模擬的方法對(duì)金屬蜂窩夾層板側(cè)壓強(qiáng)度和破壞模式的影響進(jìn)行了研究。上述研究都針對(duì)蜂窩的力學(xué)方面,結(jié)果表明開(kāi)縫蜂窩的力學(xué)性能有所降低。而對(duì)于開(kāi)縫蜂窩的電磁性能,國(guó)內(nèi)外的研究較為鮮見(jiàn),開(kāi)縫蜂窩的電磁/力學(xué)綜合設(shè)計(jì)有待深入研究。

本文在完整蜂窩的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行開(kāi)縫處理的設(shè)計(jì),研究了其開(kāi)縫后電磁/力學(xué)性能的變化。力學(xué)方面主要研究在單軸靜態(tài)壓縮下,開(kāi)縫率對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移載荷關(guān)系特性的影響;電磁方面主要探究不同類型開(kāi)縫對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)X 波段兩種極化下吸波性能的影響。

1 開(kāi)縫蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

蜂窩結(jié)構(gòu)單元為一種正六邊形單元周期結(jié)構(gòu),如圖1 所示。L為蜂窩的L 方向的長(zhǎng)度,W為蜂窩W 方向的長(zhǎng)度,T為蜂窩的高度,L1為蜂窩的邊長(zhǎng),t為蜂窩壁的厚度,θ為蜂窩壁的夾角。

圖1 (a)Nomex 蜂窩實(shí)物圖;(b) Nomex 蜂窩的參數(shù)示意圖Fig.1 The sample of the Nomex honeycomb.(a)Physical picture;(b) Dimention parameters

Nomex 蜂窩比較柔軟,尺寸較小,很難開(kāi)出規(guī)則形狀,本文從仿真角度研究開(kāi)縫蜂窩的力學(xué)性能。仿真參數(shù)L=60 mm,W=60 mm,T=20 mm,L1=1.83 mm,t=0.1 mm,θ=120°。

在完整模型的基礎(chǔ)上,開(kāi)5 個(gè)相同的縫隙,如圖2(a)所示,L2為縫隙的長(zhǎng)度,W2為縫隙的寬度,T2為縫隙的高度。共9 種縫隙,縫隙長(zhǎng)度L2分別為10,30,50 mm,縫隙寬度W2分別為2,4,6 mm,縫隙高度T2都是20 mm。

圖2 (a)仿真模型圖;(b)開(kāi)縫蜂窩模型Fig.2 The Nomex honeycomb model.(a) Simulation model;(b) Slotting details

用有限元分析軟件LS-DYNA 對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮下的力學(xué)性能進(jìn)行仿真。首先對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模,先建立單蜂窩模型,然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制和布爾運(yùn)算,得到蜂窩模型;再建立5 個(gè)長(zhǎng)方體模型,通過(guò)相減,得到開(kāi)縫蜂窩的模型,如圖2(a)所示。為了模擬實(shí)驗(yàn)條件,蜂窩上下面各設(shè)定一個(gè)剛體,上剛體以恒定速度v向下移動(dòng),下剛體固定不動(dòng),如圖2(b)所示。蜂窩材料采用彈塑性材料[20-22]模型,蜂窩材料參數(shù)為: 密度0.66×10-3g/mm3;彈性模量4400 MPa;泊松比0.3;屈服強(qiáng)度80 MPa。蜂窩整體接觸屬性設(shè)置為自接觸,剛體與蜂窩的接觸為面面接觸;LSPREPOST 專用后處理軟件,提取反作用力和觀察壓縮過(guò)程中的變形。

如圖3 所示,開(kāi)縫尺寸為2 mm×30 mm×20 mm 的位移-載荷曲線,開(kāi)縫蜂窩壓縮的過(guò)程可以分為三個(gè)階段[23-25]。第一階段AB 段,呈線性,此階段蜂窩處于彈性形變階段,其斜率為蜂窩T 方向的彈性模量。B 點(diǎn)是彈性形變的峰值點(diǎn),蜂窩在B 點(diǎn)屈服,彈性階段積累的能量由于蜂窩屈服破壞而瞬間釋放,載荷有明顯下降,一般把B 點(diǎn)稱為蜂窩的屈服強(qiáng)度。第二階段CD 段,蜂窩進(jìn)入塑性形變階段,此階段蜂窩壁彎曲漸進(jìn)折疊,載荷在一定范圍內(nèi)小幅變化,蜂窩吸收能量主要在塑性變形CD 段。第三階段DE 段是致密化階段,蜂窩孔壁完全折疊,蜂窩結(jié)構(gòu)徹底破環(huán)。

圖3 開(kāi)縫尺寸2 mm×30 mm×20 mm 蜂窩的位移-載荷曲線Fig.3 Load-displacement curve of the honeycomb with the slotting size of 2 mm×30 mm×20 mm

如圖4 為仿真得到9 種開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的位移-載荷曲線,其中,No-slot 代表沒(méi)有開(kāi)縫的蜂窩,Slot-W2-L2表示縫隙的寬度和長(zhǎng)度。

由圖4 可知,在準(zhǔn)靜態(tài)平面壓縮載荷下,蜂窩開(kāi)縫后的力學(xué)性能有較大變化,位移載荷曲線向下偏移,說(shuō)明蜂窩開(kāi)縫后的屈服強(qiáng)度、平均平臺(tái)應(yīng)力減小;隨著開(kāi)縫尺寸增加,蜂窩的彈性模量基本不變,屈服強(qiáng)度、平均平臺(tái)應(yīng)力、比吸能減小。值得注意的是,開(kāi)縫蜂窩在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中的曲線的三個(gè)形變階段仍然保持一致。

圖4 不同開(kāi)縫蜂窩的位移-載荷曲線。(a)開(kāi)縫長(zhǎng)度10 mm;(b)開(kāi)縫長(zhǎng)度30 mm;(c)開(kāi)縫長(zhǎng)度50 mmFig.4 Load-displacement curves of the slotted honeycombs with various slotting length.(a) Slotting length is 10 mm;(b) Slotting length is 30 mm;(c) Slotting length is 50 mm

由圖4 可以建立開(kāi)縫尺寸與開(kāi)縫蜂窩靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度、平均平臺(tái)應(yīng)力之間的關(guān)系,以此評(píng)估其他開(kāi)縫尺寸參數(shù)下蜂窩的抗壓能力。如表1 是由仿真計(jì)算得到的不同開(kāi)縫尺寸蜂窩平面壓縮的峰值應(yīng)力和平均平臺(tái)應(yīng)力。

表1 9 種開(kāi)縫尺寸的峰值應(yīng)力和平均平臺(tái)應(yīng)力的值Tab.1 Simulated peak and plateau stress values of the Nomex honeycomb with variable slotting sizes

由圖4(a)可知,沒(méi)有開(kāi)縫、開(kāi)縫尺寸2 mm×10 mm 和開(kāi)縫尺寸4 mm×10 mm 的三條曲線相互交叉,變化很小;由表1 可知,開(kāi)縫率為5.4%時(shí),峰值應(yīng)力下降2.3%,平臺(tái)應(yīng)力下降3.6%。開(kāi)縫率在5.4%之內(nèi)時(shí),開(kāi)縫蜂窩的峰值應(yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力變化很小;開(kāi)縫率超過(guò)5.4%后,峰值應(yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力隨開(kāi)縫率的增大明顯減小,呈直線下降。從擬合曲線預(yù)測(cè)任意尺寸開(kāi)縫蜂窩的峰值應(yīng)力和平臺(tái)應(yīng)力,再根據(jù)無(wú)縫蜂窩的彈性模量,就可以模擬出任意尺寸開(kāi)縫蜂窩的位移-載荷曲線,從而評(píng)估開(kāi)縫蜂窩單軸平面壓縮的力學(xué)性能。

對(duì)上述開(kāi)縫蜂窩的仿真模型及結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用蜂窩如圖1(a),蜂窩參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。所用實(shí)驗(yàn)儀器為萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī),在常溫常壓下進(jìn)行單軸平壓實(shí)驗(yàn),設(shè)備壓頭上面放置壓力傳感器,壓頭勻速向下運(yùn)動(dòng),速度2 mm/min,實(shí)驗(yàn)獲得位移-載荷曲線,結(jié)果如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)和仿真的位移-載荷曲線Fig.5 Experimental and simulated load-displacement curves of the considered honeycomb structures

從圖5 可以看出,實(shí)驗(yàn)獲得的位移-載荷曲線和仿真曲線吻合較好,蜂窩壓縮過(guò)程中的三個(gè)階段一致,驗(yàn)證了所建立的蜂窩平壓仿真模型的正確性,可以通過(guò)該仿真方法模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)得到開(kāi)縫蜂窩的位移-載荷曲線,從而分析其力學(xué)性能。對(duì)比圖3 和圖5,開(kāi)縫蜂窩與無(wú)縫蜂窩的位移-載荷曲線的三個(gè)階段保持一致,表明開(kāi)縫蜂窩在重量減輕的同時(shí),與無(wú)縫蜂窩單軸平壓力學(xué)特性類似。

2 開(kāi)縫蜂窩結(jié)構(gòu)的電磁性能

2.1 不同開(kāi)縫長(zhǎng)度

為實(shí)現(xiàn)蜂窩的電磁/力學(xué)綜合設(shè)計(jì),開(kāi)縫蜂窩的電磁模型在開(kāi)縫參數(shù)上需與力學(xué)模型保持一致,即蜂窩分別以不同的長(zhǎng)度、寬度及高度開(kāi)縫,本節(jié)研究縫隙的尺寸(開(kāi)縫長(zhǎng)度和寬度)對(duì)電磁性能的影響。

蜂窩是以正六邊形胞元為基本單元的周期結(jié)構(gòu),根據(jù)蜂窩的等效電磁參數(shù)理論,把浸漬吸波涂層的Nomex 蜂窩結(jié)構(gòu)當(dāng)成吸波平板,賦予吸波材料的屬性,在平板上進(jìn)行開(kāi)縫。吸波材料介電常數(shù)的實(shí)部和虛部如圖6 所示。

圖6 吸波材料的介電常數(shù)Fig.6 Delectric constant of absorber material

用電磁分析軟件FEKO 仿真蜂窩結(jié)構(gòu)的單站RCS。蜂窩面板尺寸200 mm×200 mm×10 mm,面板傾斜角22°,θ=90°,φ: 0°～60°,底層加PEC,頻率設(shè)為X波段三個(gè)頻點(diǎn): 8,10,12 GHz,極化方式為線性hh極化和vv 極化。

為研究開(kāi)縫不同長(zhǎng)度對(duì)RCS 的影響,蜂窩面板開(kāi)縫數(shù)量為15 個(gè),縫隙尺寸相同,如圖7 所示,縫隙寬度w3固定為2.5 mm,縫隙高度均為10 mm,縫隙長(zhǎng)度L3分別設(shè)計(jì)為50,100,150,190 mm。仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖7 吸波面板開(kāi)縫模型Fig.7 Slotting model of the absorbing panel

2.2 不同開(kāi)縫寬度

仿真參數(shù)設(shè)置與2.1 節(jié)一致,開(kāi)縫尺寸w3分別為2,4,6,8 mm,L3為177.5 mm,高度為10 mm,研究開(kāi)縫不同寬度對(duì)RCS 的影響。如圖9 為不同開(kāi)縫寬度的RCS 仿真結(jié)果。

由圖8,9 可知,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角φ在小角度時(shí)(0°～3°,在此RCS 的值小于-30 dBm2),開(kāi)縫蜂窩面板在hh 極化,8 GHz 和10 GHz 頻率下,吸波性能相較于未開(kāi)縫蜂窩都有所增加;但在12 GHz 下,不同開(kāi)縫長(zhǎng)度的蜂窩吸波性能均變好,不同開(kāi)縫寬度時(shí),開(kāi)縫寬度在2 mm 時(shí)性能變好,在4,6,8 mm 時(shí)吸波性能變差。而在vv 極化,不同長(zhǎng)度開(kāi)縫和不同寬度開(kāi)縫的蜂窩,8 GHz 時(shí)吸波性能差,10 GHz 時(shí)吸波性能好,12 GHz時(shí)吸波性能又變差。對(duì)于極化而言,不同開(kāi)縫條件在vv 極化下的吸波性能均高于hh 極化。

圖8 不同開(kāi)縫長(zhǎng)度蜂窩反射率仿真結(jié)果Fig.8 The reflectivity of simulation of the honeycomb absorbing structures with variable slotting lengths

圖9 不同開(kāi)縫寬度蜂窩反射率仿真結(jié)果Fig.9 The reflectivity simulation of the honeycomb absorbing structures with variable slotting widths

2.3 不同開(kāi)縫方式

仿真參數(shù)設(shè)置與2.1 節(jié)一致,其中2.1 節(jié)和2.2節(jié)開(kāi)縫都是規(guī)則開(kāi)縫,開(kāi)縫高度都為10 mm。電磁波照射到蜂窩面板上,會(huì)有反射和吸收。為了增大電磁波與蜂窩面板的接觸,使電磁波在蜂窩內(nèi)多次反射吸收,達(dá)到較好的吸波性能,本節(jié)蜂窩上下面板T/2 高度5 mm 開(kāi)不同的縫隙。蜂窩面板開(kāi)縫數(shù)量為15 個(gè),第一種開(kāi)縫方式為: 第一個(gè)面板不開(kāi)縫,作為對(duì)照組;第二個(gè)面板規(guī)則開(kāi)縫,開(kāi)縫尺寸為177.5 mm×2.5 mm×10 mm,作為對(duì)照組;而第三個(gè)面板開(kāi)縫上下不同縫長(zhǎng),其中上縫: 177.5 mm×2.5 mm×5 mm,下縫:1.5.5mm×2.5 mm×5 mm;第四個(gè)面板開(kāi)縫上下不同縫寬,上縫: 177.5 mm×2.5 mm×5 mm,下縫: 177.5 mm×8 mm×5 mm,如圖10(a)、(b)所示。第二種開(kāi)縫方式為: 四個(gè)面板同第一種開(kāi)縫尺寸,第一、第二塊面板同第一種開(kāi)縫方式;第三個(gè)面板把第一種開(kāi)縫方式的上縫長(zhǎng)177.5 mm、下縫長(zhǎng)185.5 mm 改為上縫長(zhǎng)185.5 mm、下縫長(zhǎng)177.5 mm,即上下縫長(zhǎng)翻轉(zhuǎn);第四塊面板把第一種開(kāi)縫方式的上縫寬2.5 mm、下縫寬8 mm 改為上縫寬8 mm、下縫寬2.5 mm,即上下縫寬翻轉(zhuǎn),如圖10(b)所示。兩種開(kāi)縫方式的RCS 仿真結(jié)果如圖11,12 所示。

圖10 第一種開(kāi)縫方式。(a)第三塊面板;(b)第四塊面板Fig.10 The first slotting way.(a) The 3th panel;(b) The 4th panel

由圖11,12 可知,對(duì)RCS 值影響最大的是當(dāng)旋轉(zhuǎn)角φ在小角度(0°～3°)時(shí)。對(duì)于不同的開(kāi)縫方式,hh 極化時(shí),8 GHz 和10 GHz 頻率下,開(kāi)縫后吸波性能略有增加;但是12 GHz 時(shí),第一種方式開(kāi)縫后性能變好,第二種方式開(kāi)縫后,規(guī)則開(kāi)縫和上下不同縫長(zhǎng),吸波性能變好,上下不同縫寬時(shí),吸波性能變差。而在vv 極化下,對(duì)于不同的開(kāi)縫方式,開(kāi)縫后8 GHz 時(shí)吸波性能變差,10 GHz 時(shí)吸波性能變好,12 GHz 時(shí)吸波性能又變差。對(duì)于極化來(lái)說(shuō),8 GHz 和10 GHz 時(shí),不同方式開(kāi)縫后在vv 極化下的吸波性能均高于hh 極化。

圖11 第一種開(kāi)縫方式仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of the honeycomb absorbing structures with the 1st slotting scheme

圖12 第二種開(kāi)縫方式仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of the honeycomb absorbing structures with the 2nd slotting scheme

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)蜂窩吸波結(jié)構(gòu),研究了不同開(kāi)縫方式對(duì)開(kāi)縫蜂窩吸波結(jié)構(gòu)電磁/力學(xué)性能的影響。開(kāi)縫后的蜂窩在壓縮過(guò)程中的位移-載荷曲線與傳統(tǒng)蜂窩一致,蜂窩開(kāi)縫率在5.4%之內(nèi),開(kāi)縫蜂窩在壓縮下的力學(xué)性能變化較小;隨著開(kāi)縫率的增大,其力學(xué)性能明顯降低。電磁方面,在hh 極化時(shí),8 GHz 和10 GHz頻率下,蜂窩開(kāi)縫后吸波性能都有所增加;vv 極化時(shí),8 GHz 和12 GHz 頻率時(shí),開(kāi)縫后吸波性能變差,10 GHz 時(shí),開(kāi)縫后吸波性能變好。對(duì)于極化來(lái)說(shuō),8 GHz 和10 GHz 時(shí),蜂窩開(kāi)縫后在vv 極化下的吸波性能均優(yōu)于hh 極化。