高強度輕量化天線罩設計

葛源坤 何定全 曾敬

摘要：文章從工程應用的角度，提出一種天線罩結構的高輕量化設計思路，在等強度、等剛度的條件下對傳統天線罩結構進行對比創新，從而達到大幅降低天線罩結構重量的目的。同時采用有限元法對兩種天線罩結構進行分析計算，通過分析結果實現天線罩結構的高輕量化設計。

關鍵詞：天線罩;輕量化;有限元

中圖分類號：TN826? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

天線罩作為天線系統的保護結構，能免除外部環境對天線電氣結構的影響[1]。電氣性能上，天線罩具備良好的電磁輻射穿透性;結構性能上，天線罩具備良好的惡劣環境適應性。工作于露天的室外天線，通常直接承受自然冰雪、沙塵、暴風雨及太陽輻射等的侵蝕，導致天線的壽命縮短且精度降低，同時天線系統可靠性難以保證[2]。天線罩的使用目的如下：（1）避免冰雪、沙塵、風雨和太陽輻射等外部環境條件對天線系統產生影響，確保天線系統穩定可靠工作，延緩天線系統的老化速度，達到延長天線系統壽命的目的;（2）避免風負載和風力矩對天線系統的直接影響，提高天線系統的機械性能。

天線罩是天線系統不可缺少的部分，具有非常高的設計要求，在滿足電磁輻射穿透性能的同時還必須滿足剛度、強度及壽命等設計條件[3]。傳統天線罩采用復合材料單向帶、復合材料織布預浸料[4]，按預先設計的角度在模具上進行鋪層[5]，采用已有且成熟的工藝方式進行固化成型，以這種方式生產的天線罩在各鋪層向受力較為均勻。鑒于天線罩的設計并沒有一個既定的規范標準，本文在傳統天線罩的基礎上進行結構優化，提出一種車載天線罩結構的輕量化設計思路，采用板-芯即環氧玻璃布與蜂窩夾心結構對天線罩進行優化設計。同時建立兩種結構形式的天線罩模型，運用有限元分析法，對天線罩模型進行靜力計算，保證夾芯結構天線罩與傳統天線罩在強度、剛度相當的情況下，達到大幅降低天線罩重量的目的，實現產品輕量化設計。

1? 天線罩仿真分析

1.1? 幾何模型

本文設計的天線罩為車載天線罩，結構外形如圖1所示，在天線輻射平面采用蜂窩夾芯結構，即板-蜂窩芯-板的結構形式，其余區域采用實心石英制作。由于天線頻段較高，且對增益的要求也高，所以基材選用介電常數和損耗角正切值低的氰酸酯石英預浸料，芯材選用NH系列芳綸紙蜂窩，蜂窩與氰酸酯石英板之間采用氰酸酯石英膠膜進行粘接固化，通過周圍法蘭安裝到天線基座上。

為使天線罩各向承受能力均勻，并在成型固化后變形量小，氰酸酯石英內外板的鋪層遵循對稱原則，天線罩固化后產生的內應力小，使天線罩具有更好的承載能力。利用有限元方法將該夾層天線罩離散成若干單元，每個單元的剛度矩陣為該單元每個鋪層的剛度矩陣對鋪層厚度的積分，整個天線罩有限元的總體坐標系中的剛強度矩陣為每個單元剛度矩陣之和，公式（1）表達了作用力與有限單元節點之間的關系。

其中，F為用力向量;K為總體剛度矩陣;ψ為變形向量。

1.2? 天線罩鋪層設計

根據天線罩的材料選型和內外層的層數，分別定義天線罩內外層的鋪層參數。本天線罩基于輕量化設計和降低對天線增益、幅相一致性的影響，設置的鋪層按照0°/45°/90°/-45°的方向依次進行，其中安裝法蘭處設置有插層鋪層，詳見表1。

1.3? 材料屬性

氰酸酯石英預浸料和芳綸紙蜂窩相對于環氧玻璃預浸料而言，具有更低的介電常數和損耗角正切值，而蜂窩芯更具有低密度的優點，蜂窩夾芯天線罩能夠更好提升天線罩的透波特性和降低產品重量。蜂窩和氰酸酯石英的材料力學性能見表2和表3。芳綸紙蜂窩壓縮強度及模量測試參照《非金屬夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》（GB/T 1453—1987），剪切強度及模量測試參照《膠接鋁蜂窩夾層結構和芯子平面剪切試驗方法》（GJB 130.6—86）;氰酸酯石英織布拉伸及模量測試參照《纖維增強塑料拉伸性能實驗方法》（GB/T 1447—2005），剪切強度及模量測試參照《聚合物基復合材料面內剪切性能標準試驗方法》（ASMT D3518）。

2? 有限元分析及結果

2.1? 天線罩邊界條件

根據技術要求，14級風能夠正常工作，16級風不破環。天線罩需要耐受極限風速為61.2 m/s，根據風壓的計算公式[6]見式（2）。

式中，為風載荷標準值，單位kPa;K為陣風因子;C為風阻系數;ω為基本風壓，單位kPa;V0為最大風速，單位m/s。

根據公式（2）計算得出天線罩表面所受最大風壓為3.2? ?kPa。

2.2? 天線罩分析結果

基于ANSYS中ACP模塊，模擬氰酸酯石英預浸料鋪層進行建模，通過劃分網格、設置材料及單元屬性、施加載荷及約束等步驟，分別對實心天線罩和夾芯天線罩進行靜力分析，實心罩應力云圖如圖2所示，夾芯天線罩應力云圖如圖3所示，蜂窩應力云圖如圖4所示，實心罩位移云圖如圖5所示，夾芯天線罩位移云圖如圖6所示。

綜上，實心罩的最大應力為48.1 MPa，最大位移為20.6 mm;夾芯罩的最大應力為39.8 MPa，最大位移為19.8 mm;蜂窩的最大應力為0.35 MPa。氰酸酯石英層合板的彎曲強度為550 MPa，芳綸紙蜂窩夾層的平面壓縮強度為2.42 MPa，實心天線罩的安全系數為S1=550/48.1≈11.4，夾芯天線罩材料安全系數分別為S2=550/39.8≈13.8，S3=2.42/0.35≈6.9。因此，實心天線罩的安全系數為11.4，夾芯罩的整體安全系數大于6.9，兩種天線罩的設計均滿足強度要求。

兩種天線罩在剛度基本一致的情況下，實現天線罩的重量為16.84 kg，夾芯天線罩的重量為10.57 kg，在實芯天線罩的基礎上減重6.27 kg，減重比例約37.2 %。

3? 結論

相較于實心天線罩而言，采用芳綸紙蜂窩夾芯結構的天線罩設計可以實現大幅減重，蜂窩夾芯的復合材料結構的比剛度和比強度遠大于實心復合材料結構。由此可見，蜂窩夾芯的復合材料結構形式有利于天線罩的輕量化設計。

（責任編輯：張? 瓊）

參考文獻：

[1]韋生文.A型夾芯復合材料在地面雷達天線罩中的應用[J].電子機械工程，2006（04）：47-49.

[2]王興業，曾競成.夾層結構復合材料設計原理及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]方芳.先進復合材料在雷達上的應用[J].電子機械工程，2013（01）：28-31+54.

[4]張京，朱永明.無人機天線罩成型工藝研究[J].電子機械工程，2011（06）：46-48.

[5]沈觀林，胡更開.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社，2006.

[6]杜強，杜平安.天線風載的數值模擬分析[J].現代雷達，2009（03）：77-80.