機載天線罩透波窗結構參數優化分析

摘 要：在考慮機載氣動載荷影響的情況下，運用ANSYS軟件對某機載天線罩透波窗開口形 狀和復合材料鋪層順序等結構參數變化分別進行力學仿真分析，依據仿真結果確定了該天線罩透 波窗結構的優化參數，比較明顯地降低了該天線罩透波窗結構在氣動壓力作用下的正應力和剪切 應力水平。

關鍵詞：天線罩；透波窗；氣動載荷；結構優化；鋪層順序

中圖分類號：TJ760.4；TN820.81文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）06-0041-04

StructureParametersOptimizationAnalysisofAirborne RadomeElectromagneticWindow

HEMin

（SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology，Chengdu610063，China）

Abstract：ConsideringtheinfluencesofAirborneaerodynamicloads，thestructuralparametersof airborneradome，suchaselectromagneticwindowshapeandstackingsequence，aresimulatedandana lyzedbyANSYS.Basedontheresults，theoptimizeparametersaredeterminedforradomestructurede sign，andthenormalstressandshearingstressonthejointcorneroftheradomearedecreasedobviously.

Keywords：radome；electromagneticwindow；aerodynamicload；structureoptimization；stacking sequence

0 引 言

天線罩是保護機載天線免受外部環境影響的 重要保護結構，其結構設計必須同時滿足電磁透波 率、氣動載荷、熱載荷、三防等一系列綜合要求， 涉及到空氣動力學、熱、電磁場、機械等多個學 科。目前，為了滿足天線電磁輻射特性，針對機載 天線罩的透波窗罩厚度、氣動外形、表面涂覆等參 數變化對天線罩性能影響研究比較多。文獻[1- 2]探討了透波窗罩厚度參數對電磁波透明度和天 線方向圖等電磁參數的影響，文獻[3-5]分別研 究了天線罩外形變化、表面涂覆和連接結構形式對天線罩性能的影響，周祝林、羅志軍等人提出了 天線罩厚度設計的優化方法[6-7]，張謨杰提出了天 線罩結構可靠性設計要求[8]。然而，目前還鮮見針 對透波窗罩開口形狀、罩體復合材料鋪層方式等 參數變化對天線罩透波窗結構強度（尤其是粘結剪 切強度）的影響研究，這些參數在實際工程設計時 通常依據經驗而定，缺乏參數優化指導。本文通過 建立天線罩有限元模型，深入分析了透波窗罩開 口形狀、罩體復合材料鋪層等結構參數變化對天 線罩透波窗粘結剪切強度的影響，為機載天線罩 強度優化設計提供指導。

1 天線罩結構與設計要求

1.1 天線罩結構特點

某機載天線罩由金屬圍框和透波窗罩兩部構成，如圖1所示。為滿足飛行器的氣動特性和電磁 隱身要求，該天線罩表面與飛機機身表面共形（為 近似圓柱面的二次曲面），且透波窗罩和金屬圍框 之間不能采用螺釘鏈接和鉚接，必須采用膠粘接 方式。

1.2 天線罩材料

透波窗罩材料為玻璃纖維面板（簡稱玻璃鋼） 復合材料，金屬圍框材料為鋁合金，透波窗罩和圍 框之間用環氧樹脂膠粘結，天線罩各部分的材料 參數見表1～3。

1.3 天線罩結構設計要求

依據天線方向圖設計和飛機氣動載荷條件， 天線罩結構設計必須同時滿足兩方面要求：①透波 窗罩的厚度不能超過2mm；②天線罩表面法向能 夠承受最大12000Pa的氣動壓力或吸力不產生破壞，透波窗罩和金屬圍框之間粘接部位不出現撕 裂。需特別說明的是，在飛行器實際工作狀態下， 天線罩承受的力學載荷幅值、方向和時變特性非 常復雜，但依據實際工程經驗，絕大部分氣動載荷 為作用于天線罩表面法向壓力和吸力，因此通常采 用氣動壓力或吸力最大值并取一定安全系數，按靜 強度校核方法進行天線罩結構強度分析與設計， 本文也采用同樣方法處理。

2 天線罩結構參數優化

2.1 天線罩有限元建模與邊界條件

在ANSYS軟件中分別將天線罩的金屬圍框、 環氧樹脂膠層、透波窗罩等建立有限元模型，如圖 2所示。金屬圍框和環氧樹脂膠層采用SOLID95六 面體單元，單元材料屬性采用表1和表2中所列參 數；透波窗罩采用SHELL99殼單元來模擬其復合 材料特性[10]，并將SHELL99單元實常數的內部鋪 層數設置為20層，每層厚0.1mm，單元材料屬性 采用表3中所列參數。

金屬圍框、環氧樹脂膠層和透波窗罩FEM之 間采用界面節點融合來模擬彼此間連接約束；金 屬圍框四周邊做零位移約束，天線罩表面施加法 向氣動面壓力12000Pa，如圖3所示。

2.2 天線罩透波窗開口形狀參數優化

天線罩透波窗開口形狀和面積必須滿足天線 單元排布、氣動共形和隱身等電磁設計要求。但在 滿足上述要求時，透波窗可能有多種開口形狀，如 四邊形、多邊形和圓形等，當透波窗罩與金屬圍框 之間采用粘接方式時，開口形狀不同，其粘接位置 正應力和剪切應力大小也是不同的，因此有必要 對透波窗開口形狀參數進行優化分析。在設定透 波窗開口面積基本一致和透波窗罩鋪層參數（均取 [0/0/0]20）相同的前提下如表4所示，按2.1節所述的有限元建模方法分別建立圓形、四邊形、五邊 形和六邊形透波窗的天線罩有限元模型如圖4，并 用ANSYS軟件進行氣動載荷等效靜力學仿真。

仿真應力云圖及應力值分別示于圖5和表5。 仿真結果表明：

（1）隨著透波窗開口形狀向圓形近似，透波 窗罩邊緣粘接位置的正應力和剪切應力呈現下降 趨勢，透波窗罩邊緣應力分布更趨均衡；

（2）相對常用的四邊形透波窗，圓形透波窗 罩與金屬圍框粘接處的正應力和剪切應力分別下 降了約6.6%和6%。

2.3 透波窗罩復合材料鋪層參數優化

透波窗罩一般采用層壓玻璃布板復合材料， 由20層單層厚度約為0.1mm的鋪層粘接層壓敷 制而成，相鄰鋪層的經線（或緯線）之間的不同夾 角值，如圖6所示，會對透波窗罩的層間剪切強度 產生不同的影響。文獻[11]雖然研究了各層鋪層 角度相差為10°的天線罩在隨機振動下的形變與應力，但未深入討論各層的不同鋪層角度不同組合 對波窗罩與金屬圍框粘接位置應力變化影響。

參照2.1節所述的有限元建模方法，建立五種 不同鋪層方式，鋪層參數如表6所示。圓形開口透 波窗的天線罩有限元模型如圖7所示。

多種鋪層方式仿真應力值如表7所示。仿真結 果表明：

（1）天線罩體上最大正應力和剪切應力位于 透波窗罩與金屬圍框粘接邊緣；

（2）改變玻璃鋼復合材料鋪層方式，會比較 明顯地影響透波窗罩體應力分布與大小；

（3）相對[0/0/0]20鋪層方式，[0/90/0]20鋪 層方式能夠降低透波窗罩與金屬圍框粘接位置最 大層間剪切應力值40%以上。

3 結 論

通過對天線罩有限元仿真分析，確定了透波窗罩開口形狀、敷制罩體的玻璃纖維面板鋪層方 式對天線罩結構強度的影響，并提出了透波窗罩 開口和鋪層方式參數優選指導方法，即在滿足天 線罩電磁和接口安裝等設計要求，并主要承受罩 體表面法向壓力或吸力氣動載荷等前提下：①應 盡可能使透波窗開口形狀向圓形近似，以降低透 波窗罩邊緣粘接位置的正應力和剪切應力大小， 并使其應力分布更加均衡；②天線罩敷制時相鄰 鋪層的經線（或緯線）盡可能正交，以降低氣動載 荷作用下的罩體層間剪切應力。

參考文獻：

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