某彈載天線的抗力學環境設計及動態性能分析

劉攀

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

彈載天線是在彈載設備電磁波信號傳播、發射和接收的關鍵部件，其性能直接影響著整個彈載設備的電氣指標[1]。隨著彈體不斷地發展和改進，彈載天線需要承受非常惡劣的環境，特別是彈體在發射和分離過程中，彈載天線承受最大過載達到104g以上，沖擊峰值持續時間為毫秒級。有研究結果表明：振動和沖擊時引起電子設備故障的主要因素，電子產品的失效比例高達（50~60）%[2,3]。由于彈載產品的特殊性，彈載產品通常情況下在導彈艙內的安裝方式為剛性連接，沒法通過對整機采取隔振措施，因此彈載設備的抗振動、沖擊技術是導彈的關鍵技術之一。

彈載天線的抗振動、沖擊設計主要通過對天線進行加固設計和緩沖設計。彈載天線的加固設計主要通過提高承載結構件的抗振動、沖擊能力，并針對大尺寸和大質量的元器件采用機械或膠粘加固，使整機在不加任何隔振措施情況下，就能通過抗振動、沖擊[4]。緩沖設計主要是采取動態性能好的灌封材料對設備內部電路系統進行灌封，使其固化為模塊，提高設備的抗過載能力[5]。

本文根據彈載天線的環境試驗條件和天線性能指標，對該天線進行了抗振設計和動態響應分析。本文首先對該彈載天線的結構設計進行介紹，包括天線的組成和結構形式；其次對天線的抗振動、沖擊設計進行分析；最后結合有限元分析對彈載天線進行動態性能分析。

1 彈載天線結構設計

1.1 天線結構組成

彈載天線主要由收發模塊、頻綜模塊、射頻轉接組件、AIU模塊、信號處理模塊和電源模塊組成，如圖1所示。整機天線以射頻轉接組件為主要承力構件，設置了整機在彈上的安裝法蘭盤。收發模塊通過8個M3沉頭螺釘緊固在射頻轉接組件上，頻綜模塊通過5個M3螺釘單獨固定在射頻轉接組件上，電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊通過9個M4的內六角螺釘穿通緊固在射頻轉接組件上。

圖1 某彈載天線爆炸分解圖

天線整機主結構件材料根據需要選用7075鋁合金，鋁合金7075具有較高的比剛度和強度，在減小整機重量的同時還具備較高的剛度和強度。

1.2 天線結構設計

本天線采用模塊拼接構型進行設計，各模塊具有獨立的功能，易于模塊的軟硬件技術升級和擴展能力，各模塊的高頻信號通過SMP-KK連接器進行盲插互聯，低頻信號通過J63A連接器進行盲插互聯，通過互聯插合緊固實現電氣和機械連接同步到位，從而實現了結構、電氣的緊藕結合。這種結構具有良好的緊湊型、重量輕、抗振、沖擊好、維修方便、擴展性好等優點。

2 彈載天線抗振動、沖擊設計

2.1 抗振動設計

由于天線與平臺的安裝方式為剛性連接，無法在天線與平臺之間添加隔振器。因此天線在滿足質量的要求下，需要對天線進行加固設計和緩沖設計，以使天線滿足振動力學環境條件。主要采取的措施如下：

1）提高天線整機的剛、強度

提高結構的抗振能力主要通過結構的剛度和增大結構阻尼。剛度越大，抵抗變形的能力越強，其自身固有頻率越高,相應的結構的振幅就越小，因而振動時的應力也越小，其抗振動能力也越高。本天線采用模塊拼接構型設計，各模塊采用一體化結構設計，射頻轉接組件作為主承載結構，在滿足重量要求情況下，盡量加厚其法蘭盤厚度，并且在腔體內部設計多個筋板，提高結構強度。電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊不僅通過多個高強度螺桿穿通緊固在射頻轉接組件上，并且各模塊間采取鑲嵌設計措施，可以保證各模塊間在各個方向上既有雙向限位，避免天線串接螺桿在使用過程中承受橫向剪切力。模塊內部的印制板布局合理，盡量對稱均勻布局，安裝盡量低矮，體積和質量較大的元器件布于靠近安裝點的位置上，合理增加印制板固定點，減小電路板固定間距，不僅能提高固有頻率，還可以防止元器件集中受力。對于質量和體積較大的元器件需要采取機械加固或則粘接加固。

2）固有頻率的控制設計

眾所周知，當設備的某一階固有頻率與激勵頻率重合時就會發生共振現象。本天線的力學環境條件是固定不變的，無法通過改變激勵頻率使天線避免共振現象。并且一個復雜的系統有多階固有頻率，在激勵頻率范圍較大時，復雜系統則無法完全避免共振現象。

對于本天線而言，天線整機在無法完全避免共振的情況下，如何避免天線內部產生局部共振是重點研究對象。在天線設計時，應使天線各個模塊的固有頻率遠離天線整機固有頻率，和模塊內部電路板固有頻率遠離模塊的固有頻率。從理論上來講，當兩則的固有頻率比值大子2時，此時相互的共振響應較小。

天線的固有頻率與天線質量和剛度有關。天線的質量受結構材料和結構形式限制，則無法輕易改變天線的質量，因此固有頻率的控制主要通過改變剛度來實現，為了使天線各模塊固有頻率遠離天線整機固有頻率和各電路板遠離模塊固有頻率,主要采取以下措施：

①合理增加模塊的固定點，提高模塊的剛度，從而提高模塊的固有頻率；

②合理增加模塊主承結構件的筋條，提高模塊的剛度；

③電路板的合理布局并合理增加電路板的固定點，提高電路板的固有頻率。

3）去耦設計

本天線是個多自由度系統，存在多個振型，并且各振型存在相互耦合。因此在天線設計時需要盡量減少各振型的耦合和減少天線的諧振數量，從而減少共振峰數量并抑制共振峰值。

天線在激勵振源下，可能會產生扭轉振動和彎曲振動的耦合。因此在結構設計時，各模塊的布局一定要合理，使天線在高度方向的尺寸盡量最小，將安裝法蘭設計在射頻轉接組件上，使天線重心盡量靠近安裝面，有利于降低天線的重心 ，并在設計時各模塊布局盡量均勻對稱，使天線重心與天線安裝固定點的重心大致重合。

2.2 抗沖擊設計

為使天線滿足高量級沖擊振動，除了對天線采取加固措施外，還對天線的電源模塊采用了緩沖設計，提高電源模塊的抗沖擊能力。

由于天線的電源模塊含有多個重量和體積較大的DC-DC組件，為使電源模塊滿足高量級沖擊振動，電源模塊采取聚氨酯材料對其進行灌封處理，灌封材料具有粘彈效應和橫向慣性效應，使其應力波在傳播過程中會發生幅值衰減和波形彌散作用，通過灌封材料的彈塑性變形和阻尼作用吸收能量[5]。

3 彈載天線動態響應分析

為了驗證本天線滿足其振動力學環境條件，通過有限元分析方法對本天線進行模態分析、隨機振動分析和沖擊響應譜分析，校核天線結構的剛強度，驗證其可靠性。

具體的力學試驗條件見表1和表2。

表1 隨機振動條件

表2 沖擊響應譜試驗條件

動力響應分析首先要建立動力學基本方程，在實際情況下，復雜的問題很難建立偏微分方程，并且很難求解，普遍采用常微分方程，最常見的有限元動力學基本方程[6]：

式中：

[M]，[C]，[K]—質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；{x˙}，{}，{?}—位移向量、速度向量、加速度向量；{F(t)}—激勵載荷。

3.1 模態分析

模態分析是動力學分析的基礎[7]，通過模態分析可以得到系統的動態特性參數，包括：各階固有頻率和相對應的振型。

天線的振動特性主要取決于天線本身的質量、剛度和阻尼，與外激勵載荷無關。由于天線的阻尼較小，對天線的固有頻率影響較小，在計算天線的固有頻率時，不考慮阻尼帶來的影響。無阻尼自由振動運動方程為：

當發生諧振動，即

結合式（2）和式（3），運動方程可表示為：

要得到式（4）的非零解，則需要求解如下方程式：

式中：

ωi，φi—第i階固有頻率和都i階振型。

求解式（5）可得到n個固有頻率和n個對應的振型。

天線的材料力學見表3所示。結合振動試驗條件，主要提取了（0~5 000）Hz范圍內的所有模態，其中前6階模態（見表4）和振動模態振型（如圖2所示）。

表3 材料力學性能表

表4 前6階固有頻率

圖2 天線前6階對應的模態振型

3.2 隨機振動分析

根據表1試驗條件分別對彈載天線施加X、Y、Z三個方向隨機振動激勵，并進行有限元分析。有限元分析采用模態疊加法，經過計算得到天線在三個方向的等效應力標準差和等效變形標準差，如表5所示。

表5 隨機振動仿真結果

從表5可知，天線在三個方向的最大等效應變發生在X方向，最大變形量為0.18 mm，位于AIU模塊的印制板上；最大等效應力發生在X方向，最大應力為72.2 MPa，位于天線安裝法蘭盤上。

3.3 沖擊響應譜分析

沖擊響應譜常采用模態疊加法來計算系統的動力學響應，系統的模態總響應為：

式中：

N，εij，Ri—擴展模態的個數、模態耦合系數、第i階模態響應。

利用有限元分析軟件的譜分析功能，選擇SRSS法（平方之平方根法）的模態疊加方法計算沖擊響應的極值，即

根據表2分別對彈載天線施加X、Y、Z三個方向激勵。計算得到了天線在三個方向的最大應力的最大變形，見表6所示。

表6 沖擊振動仿真結果

圖6 X向沖擊載荷最大應力

從表6可知，天線在三個方向的最大應變發生在X方向，最大變形量為1.04 mm，位于AIU模塊的印制板上；最大等效應力發生在X方向，最大應力為212 MPa，位于射頻轉接組件上。

3.3 結果分析

根據整機結構的強度校核公式：

式中：

MS，σf，σmax，f—安全裕度、許用應力、計算應力、安全因子（對于屈服極限取1.2，對于破壞載荷取1.35）。

在隨機振動分析中，天線的最大應力為72.2 MPa，對應的安全裕度為3.44，滿足設計要求。

圖3 X向最大等效應力

圖4 X向最大等效變形

在沖擊響應譜分析中，天線的最大的應力為212 MPa，對應的安全裕度為0.5，滿足設計要求。

4 結束語

彈載天線作為導彈內部的關鍵設備，為了使彈載天線能適應高量級的載荷，本文詳解介紹了彈載天線的結構設計、抗振動和沖擊設計以及動態啊應分析。通過對彈載天線的動態響應進行分析，結果表明該彈載天線能滿足高量級的振動和沖擊載荷，滿足力學環境條件。

經過實物樣機的試驗驗證，本彈載天線的結構形式具有抗高量級振動、沖擊的能力，對同類產品貝有一定的鑒定意義。