射頻電纜組件剛度仿真與優化研究

鄒作濤，朱 寧,2

(1.貴州航天電器股份有限公司 貴陽 550025；2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

1 前言

隨著移動通信技術的不斷發展，射頻電纜組件的應用也越來越廣泛。射頻電纜組件是傳輸通訊引號的重要部件，可實現信號傳輸路徑的阻抗匹配、能量傳輸[1]，在航空航天等行業的導航、通信載荷等部件中有大量應用[2]。

射頻電纜組件中有很多射頻連接器和電纜組成，在設計階段需要充分考慮其結構特性，才能保證產品正常使用[3]。連接器在整體對接過程中會產生較大的總體插入力，會導致射頻電纜組件蓋板變形，當蓋板變形超過設計指標時便可能導致連接器接觸不良，因此需要對蓋板的變形量進行計算和仿真優化。

本文應用ANSYS對射頻電纜組件的蓋板剛度進行仿真分析，得出其變形量，并與設計指標進行對比，對比結果表明兩側蓋板的變形量均超過設計指標。通過改變安裝方式和蓋板厚度兩種優化方案對產品的蓋板部分進行優化后仿真，得出其變形量達到設計指標。最后通過試驗驗證了仿真的正確性，剛度仿真為射頻電纜組件設計提供了有力支撐，保證了設計方案的可行性。

2 射頻組件蓋板剛度計算

射頻電纜組件模型如圖1，上側由34塊SMP蓋板組成，下側為1塊SSMP蓋板和2塊輔助板組成。

圖1 射頻電纜組件上下視圖

對于上蓋板，因為整條蓋板上均布這SMP連接器，因此總體的插入力基本是均勻作用在上蓋板整個上表面，可應用固支梁公式得出其變形量[4]：

(1)

式中，f為上蓋板最大變形量，q為線均布載荷密度，l為上蓋板長度，E為上蓋板材料彈性模量，I為上蓋板的截面慣性矩，可查表求得。

代入相應的設計值，可以得出上蓋板最大變形了Y=0.42mm。

對于下蓋板，其SSMP連接器集中在整個蓋板的中間部分，下蓋板為兩側固定的平板，中心區域受到一個集中力，這個用公式很難計算，后續應用ANSYS進行仿真與優化。

3 蓋板剛度仿真分析與優化

3.1 上蓋板剛度仿真

上蓋板剛度仿真邊界條件設定如圖2所示，固定射頻電纜組件主框架四個表面，圖中A所示，給上蓋板上表面加載384N的均布式載荷，圖中B所示。

圖2 上蓋板剛度仿真邊界條件設定圖

材料為鋁合金，彈性模量70GPa，泊松比0.3，因為整體為彈性變形，設定為彈性材料即可。

得出上蓋板變形量分布如圖3，上蓋板最大變形量為0.45mm，分布在中間位置，比計算值略大，因為上蓋板兩側也可以少量變形，而計算中按照固定處理。變形量大于設計指標0.3mm，需進行優化。

圖3 上蓋板變形量分布圖

3.2 上蓋板剛度優化與仿真

要減小上蓋板的變形量主要有加厚、加寬或者改變材料，加厚會導致整體重量的大幅度提高，不利于總體產品的減重要求，材料因為受很多因素的影響，不好隨意改變，而且鋁合金是比強度很高的材料。因此上蓋板的優化思路主要從增加寬度方面考慮，可以考慮將中心上蓋板和旁邊的上蓋板連接起來，組成一個整體，可以有效降低中心上蓋板的變形量。

仿真的邊界條件基本不變，僅需將中心蓋板和旁邊一塊蓋板之間增加一個綁定的接觸對。

得出優化后上蓋板變形量分布如圖4，上蓋板最大變形量降低到0.25mm，分布在受力上蓋板的中間位置，小于設計指標0.3mm，滿足設計要求。

圖4 優化后上蓋板變形量分布圖

3.3 下蓋板剛度仿真

下蓋板剛度仿真邊界條件設定如圖5所示，固定射頻電纜組件主框架四個表面，圖中B所示，給下蓋板中心加載768N的均布式載荷，圖中A所示。

圖5 下蓋板剛度仿真邊界條件設定圖

材料為鋁合金，彈性模量70GPa，泊松比0.3，因為整體為彈性變形，設定為彈性材料即可。

得出下蓋板變形量分布如圖6，下蓋板最大變形量為0.53mm，分布在中間位置。變形量大于設計指標0.2mm，需進行優化。

圖6 下蓋板變形量分布圖

3.4 下蓋板剛度優化與仿真

要減小下蓋板的變形量也可以從加厚、加寬或者改變材料來考慮，材料同樣不適合隨意改變，而下面輔助板也需要受力，不適合與下蓋板連接在一起，因此只能從加厚角度進行優化，將下蓋板厚度由原來的7mm加厚到8mm。

仿真的邊界條件基本不變，更新三維模型即可。

得出優化后下蓋板變形量分布如圖7，上蓋板最大變形量降低到0.19mm，分布在受力上蓋板的中間位置，小于設計指標0.2mm，滿足設計要求。

圖7 優化后下蓋板變形量分布圖

4 實驗測試

根據優化后的方案進行設計并制造樣品，應用拉力壓力試驗機對其作用力和變形量進行測試，得出上蓋板中心變形量為0.44mm，下蓋板中心變形量為0.18mm，滿足設計指標且和仿真優化結果吻合。

5 結論

本文對射頻電纜組件上蓋板變形量進行了計算，并應用ANSYS對上下蓋板的變形量進行仿真分析，得出產品變形量指標超過了設計指標，通過改變安裝方式和增加厚度的方法對上下蓋板進行優化，優化后產品變形量指標達標，并制造樣品進行測試驗證了仿真正確性。對射頻電纜組件進行剛度仿真與優化可以在設計初期保證設計符合指標要求，提高設計效率，縮短設計周期，對同類產品的研發也有一定的指導意義。