機載刀型天線靜強度分析與試驗研究

中圖分類號：TN802 文獻標志碼：A文章編號：1006-0316（2025）07-0048-08

doi ：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.07.007

Abstract ： The airborne blade antenna is installed on the surface of the plane，and needs to withstand high-speed wind load during the working process. In order to ensure flight safety，it is necessry to evaluate whether the static strength of the antenna is meets the requirementsduring the lightweight design. In this paper， the finite element analysis method is used to simulate and calculate the surface pressre of the antenna under two load cases; The relationship between the strength and shape/structure of the radome is investigated. It is found that the stress and strain of the radome decreases with the increase of root filet and cover thickness.The downward trend is evidentat the beginning，and then begins to flatten out.And the stress and strain of the overall structure of the antena are simulated and calculated. According to the calculation results， multiple verification methods are used to check the strength ofthe antenna structure and fixing bolts.Finall，the static strength test is used to test the strength of the antenna， and the results show that the damage pressure of the antenna is greater than the wind load presure on the antenna. The static strength analysis and verification method in this paper provide a basis for reasonably evaluating the static strength of blade antennas.

Key words ∵ blade antenna ;wind load ;finite element; static strength ; strength verification

機載刀型天線是飛機上承擔通信、應答等數據信息交互功能的重要設備，需滿足小型化、輕量化、寬頻帶、良好氣動性能、適應高速飛行和復雜電磁環境等需求，天線通常安裝于機體表面，其在工作過程需要承受較大的風載荷，如何采用有效的方法分析以及驗證天線的靜強度成為關鍵問題；自前有學者對雷達天線在風載荷作用下的應力和應變進行了數值模擬和試驗研究[1-4]，但研究主要是集中在大型地面或車載天線在風載下的強度分析上，關于機載天線在高速風載荷下的靜強度研究較少；淚前研究風載主要有理論分析、結構實測、實驗室模擬以及風洞試驗等方法[5-6]，實測是最直觀的驗證方法，但周期長、成本高。因此，開展高效、精確的靜強度分析與校核方法研究，對于提高工程研制效率、支撐天線氣動外形結構設計、減少物理試驗次數以及確保飛機飛行安全具有重要意義。

有限元分析方法已被證明是一種經濟高效的設計分析手段[7]，有限元法是將連續介質看做有限個節點連接起來的有限個單元組成，然后對每個單元通過取定的插值函數將其內部每一個節點的位移用單元節點的位移來表示，隨后根據連續介質整體的協調關系建立包括所有節點未知量的聯立方程，最后使用計算機求解該方程組以獲得需要的解。其效率高且滿足精度要求，邊界條件處理容易，得到了廣泛應用[8]。

本文根據風載荷條件，采用有限元法對天線罩進行了強度性能研究，對天線整體的應力情況進行仿真計算，提出針對天線不同結構件的強度校核方法，并完成靜強度試驗來驗證仿真的有效性，以對該類刀型天線設計提供借鑒方法。

1天線結構與載荷工況

座、印制板及其固定塊六部分組成，天線內部采用聚氨酯發泡料進行灌封；沃線通過8顆M4的不銹鋼螺栓安裝固定在機體表面，天線外形尺寸長 × 寬 × 高 τ=132τmm×62τmm×237τmm， 具體外形如圖1所示。

圖1天線外形

1.2載荷工況

刀型天線安裝在機體表面，假設風載荷存在兩種情況：一、與天線最大表面平行；二、與天線最大表面垂直，這兩種情況恰好是天線在相同速度下所受的最小和最大載荷。根據飛機的飛行包線，依據《軍用飛機結構強度規范第2部分：飛行載荷》 （GJB67.2A-2008）^[9] 要求，選取飛機在亞音速（飛行速度 300m/s） 進行計算，采用Fluent流體仿真軟件計算得出天線的載荷工況如圖2、圖3所示，天線表面壓強最大均為 17640Pa

1.1天線結構簡介

圖2天線載荷工況一

刀型天線主要由天線罩、底板、鉚套、插

圖3天線載荷工況二

2天線罩力學性能研究

2.1天線罩結構形式

天線罩是刀型天線的主要承載部件，其力學性能決定了天線的整體強度。由于機載天線對重量指標要求非常嚴格，因此，在滿足強度要求情況下，需要盡可能減輕天線罩的重量。天線罩采用環氧玻璃纖維漆布復合材料中溫模壓固化成型，根部圓角設計既要考慮成型工藝性又需兼顧天線罩的強度性能。本節主要研究天線罩根部圓角和罩體厚度對強度的影響，為此類天線罩的優化設計提供理論依據及數據參考，天線罩根部圓角 R 位置和厚度 H 如圖4所示。

圖4天線罩截面

2.2鋪層方式及材料參數

天線罩采用環氧玻璃纖維漆布復合材料，在模具上鋪層固化而成，復合材料每層厚度為0.2mm. ，采用準各向同性方式鋪層，復合材料鋪設方向示例如表1所示，復合材料性能如表2所示。

表1復合材料鋪層方向

表2復合材料力學性能

2.3天線罩根部圓角及厚度對靜強度影響分析

圖5、圖6給出了天線罩在載荷工況二下應力的計算結果。由圖可知，天線罩的應力隨著圓角及厚度不斷增大總體呈現下降趨勢，當圓角和厚度較小時，下降趨勢較明顯，當圓角增大到 R16 及厚度增大到 2.6mm 以后，天線罩應力和應變量值變化趨于平緩。

圖5最大應力隨圓角變化

圖6最大應力隨壁厚變化

3天線整體靜強度分析

根據第2節分析結果，綜合考慮天線重量指標要求和強度性能，本節選取圓角R16、厚度 2.6mm 的天線罩進行天線整體強度分析，本文采用ANSYS有限元分析軟件進行仿真計算。

3.1有限元模型

為節約計算空間，提升計算效率，對于部分零件的小特征如倒圓角，螺栓螺紋都進行簡化處理；為了校核安裝螺栓強度，在原天線結構基礎上加上一個安裝固定板，并且將M4的螺栓也裝配上；簡化模型后，對模型離散化處理，采用六面體單元和高階四面體單元建立有限元模型，單元數為 485746

3.2材料參數

天線主要承力結構件的材料參數如表3所示[10]。

表3天線結構件力學性能

3.3邊界條件

在安裝板底面部位施加固支約束。

所以天線底板的強度滿足設計需求。

3.4天線靜強度分析

經過仿真計算，天線在工況二下的應力與應變遠大于工況一，因為在工況一情況下，天線的迎風面積最小，其上所受風的阻力最小，而工況二是天線迎風面積最大的情況，圖7為天線在載荷工況二下各部件等效應力計算結果。

4.2天線鉚套強度校核

在工況二下，天線鉚套應力最大，發生在螺栓與鉚套接觸部位，等效應力為 117.2MPa， 天線鉚套選用的材料是不銹鋼，其拉伸強度極限 σ_b=586MPa ，其屈服極限 σ_s=287MPa ，所以鉚套的安全系數為 S=287/117.2=2.45gt;1. 所以鉚套的強度滿足設計需求。

4.3天線罩強度校核

4天線強度校核

本節針對天線的主要受力部件如底板、鉚套、天線罩以及固定螺栓進行強度校核。

在工況二下，天線罩應力和應變最大，發生在天線罩根部幾何突變處，天線罩縱向應力σ₁ 為 56.6MPa 、橫向應力 σ₂ 為 23.2MPa 、剪切應力 τ₁₂ 為 15.3MPa. 、應變 ε 為 $3 6 2 2 . 5 。

4.1天線底板強度校核

在工況二下，天線底板應力最大，發生在底板與鉚套接觸部位，等效應力為 11.2MPa 天線底板選用的材料是鋁合金，其拉伸強度極限 σ_b=325MPa ，其屈服極限 σ_s=160MPa ，所以天線底的安全系數為 S=160/11.2=14.3gt;1

4.3.1損傷容限強度校核

損傷容限強度校核方法立足于目前已經取得的研究成果。考慮沖擊損傷對復合材料結構強度降的影響，并按損傷不擴展概念確定設計許用應變值。

拉伸載荷下：許用拉伸應變 [ε]=5250με εlt;[ε]. ，因此，天線罩強度滿足設計需求。

天線在極限載荷下最大應變為 ε=3622.5με

圖7載荷工況二下天線應力和應變

4.3.2無損傷結構強度校核

目前復合材料常用的幾種應力失效準則有：Tsai-Hill準則、Hoffman準則、Tsai- ??w_u 準則、Hashin準則以及chang-chang失效準則，由于天線罩的拉、壓強度不同或者拉壓載荷同時存在時，此處使用Hoffman失效準則來進行無損傷結構的靜強度校核[11-12]。

Hoffman失效準則表達式如下：

式中： X_t 為縱向拉伸強度； X_c 為縱向壓縮強度；Y_t 為橫向拉伸強度； Y_c 為橫向壓縮強度；S為縱橫向剪切強度； σ₁ 為縱向應力； σ₂ 為橫向應力；τ₁₂ 為剪切應力。

天線罩采用的是環氧玻璃漆布復合材料，其縱向拉伸強度 X_t=320MPa ，縱向壓縮強度X_c=277MPa ，橫向拉伸強度 Y_t=320MPa ，橫向壓縮強度 Y_c=277MPa ，縱橫向剪切強度S=60MPa 天線罩的縱向應力 σ₁=56.6MPa 橫向應力 ，剪切應力 τ₁₂=15.3MPa. 0

經過計算，Hoffman失效準則表達式左端 結果為0.062，小于1，未達到失效條件。

因此，天線罩強度滿足設計需求。

4.4固定螺栓強度校核

本文采用材料力學相關理論進行螺栓強度分析，這種分析的結果偏于保守和安全，具體計算方法如下所示[13-14]。

4.4.1螺栓預緊力計算

在用擰螺母的方法將螺紋連接擰緊時，螺栓的預緊力計算公式如下：

式中： Q₀ 為螺栓預緊力； M_k 為擰緊螺紋時的扳手力矩； K 為擰緊力矩系數（按一般加工表面，無潤滑處理）； d 為螺紋公稱直徑，即螺紋外徑。

其中，M4 螺栓擰緊力矩 M_k=3N?m ，擰緊系數 K=0.18 ，公稱直徑 d=4mm （2

經計算得 Q₀=4160N

4.4.2螺栓橫向載荷計算

由于工況二螺栓的受載遠比工況一苛刻，下文以工況二為例；作為保守的估算，天線所用的橫向壓力全部由八個螺栓承擔。

當結合面無開縫和壓潰時，螺栓受到的翻轉力矩計算公式如下：

M_y=R₁×H

式中： M_y 為翻轉力矩； R₁ 為螺栓受到的剪力；

H 為天線罩中心面距螺栓組的高度。

由有限元仿真計算結果得到螺栓受到總的剪力 R₁=357.76N ，天線罩中心面距螺栓組的高度 H=120.5mm

經計算得 M_y=43110.1N?mm

螺栓的軸向工作載荷計算公式如下：

式中： P₁₁ 為螺栓軸向工作載荷； x_i 為螺栓距離螺栓組中心線的距離 （根據每個螺栓安裝位置進行測量）。

經計算得 P₁₁=442.9N

4.4.3固定螺栓強度校核

由預緊力和橫向載荷引起的螺栓最大拉力P_M1 為計算公式如下：

P_M1=Q₀+K_cP₁₁

式中： P_M1 為螺栓最大拉力； P₁₁ 為因彎矩作用引起的最大拉力； K_c 為基本載荷系數，取值為0.3。

經計算得螺栓的最大拉力 P_M1=4298.87N

螺栓受到的拉應力計算公式如下：

式中： σ_M1 為螺栓受到的拉應力； A_s 為螺栓的截面積。

經計算得 σ_M1=495.39MPa ，可得等效應力σ_e≈1.3σ_M1=644.1MPa （204號

在預緊力矩為 3N?m 和工作載荷下，螺栓受到的等效應力為 644.1MPa_i ，天線所選用的螺栓是M4的不銹鋼螺釘（等級為12.9），根據標準GB 3098.1-82^[15] 可得其材料的拉伸強度極限 σ_b=1200MPa ，其屈服極限 σ_s=1080MPa 所以其安全系數 S=1.67gt;1 ，滿足設計要求。

5靜強度試驗

結構靜強度試驗是根據不同工況施加載荷，以檢驗飛機上設備結構強度是否滿足設計要求的一種試驗方法，為驗證強度和剛度的計算方法和結構以及結構設計合理性提供支撐，是研制過程中必不可少的環節[16-17]。

為了模擬天線承受的風載荷作用，利用靜強度試驗進行驗證。將待測天線利用夾具固定，水平面向上，然后通過試驗設備向下對天線施壓，直到天線罩破壞，加載控制與數據采集由SANS微機控制電子萬能試驗機（型號CMT6104）來完成，試驗示意圖如圖8、圖9所示，施加壓力如圖10、圖11所示。

圖10 1#天線加壓曲線

圖11 2#天線加壓曲線

圖8靜強度試驗示意

對2個樣品進行了靜強度試驗，對1#天線施壓的過程中，當力達到 760N 時聽見輕微的響聲，壓力為 830N 左右時出現肉眼可見的裂紋，1066N 時施壓的力不再變化。2#天線在 800N 左右聽見輕微聲響，壓力為 880N 左右時天線出現肉眼可見的裂紋， 1174N 時施壓的力不再變化。根據仿真結果，在工況二下，天線迎風面積最大的情況，所受風載荷壓力最大、最大壓力為 401N， ，根據試驗結果，天線出現裂紋破壞、需要的最小壓力為 760N ，基本滿足載荷與變形相關數據關系。由上可知，天線損傷壓力值大于天線所承受的風載荷壓力，安全裕度約為1.9，天線靜強度足夠，滿足使用要求。

圖9天線靜強度試驗

6結語

對機載刀型天線在高速風載荷下的靜強度進行研究，首先研究了天線結構外形在風載工況下對天線強度的影響，發現天線罩的應力和應變隨著根部圓角和罩體厚度不斷增大總體為下降趨勢，開始時下降趨勢較明顯，后續開始趨于平緩，因此，在刀型天線輕量化設計時應根據外部載荷工況選擇合適的根部圓角和罩體厚度，避免天線罩結構強度的安全裕度過大。文中對刀型天線的靜強度進行了仿真分析，并針對不同結構件的材料特性，采取了相應校核方法進行強度校核，最后通過靜強度試驗來驗證了有限元仿真計算的有效性；需要指出的是，刀型天線的外罩采用復合材料制作，其成型工藝參數、溫度、濕度以及材料老化等因素均會影響力學性能指標，在工程應用中需要預留較大安全系數，本文研究內容對此類機載刀型天線的裝機安全可靠性評估提供評估方法，為合理評估此類刀型天線的靜強度分析和校核提供了數據及實驗支撐。刀型天線在適應高速飛行時的輕量化設計是未來的趨勢，其中天線罩的重量優化設計必不可少，后續可進一步研究天線罩的插層設計方法，復合材料在鋪層設計時，在應力較大處局部增加鋪層來加強天線罩的強度，減小天線罩的整體鋪層厚度，從而達到輕量化設計目的。

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