彈載SAR波導(dǎo)斷裂故障分析*

程 林，彭 超，胡勁松

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

彈載SAR波導(dǎo)斷裂故障分析*

程 林，彭 超，胡勁松

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對(duì)彈載SAR波導(dǎo)斷裂故障，從傳力路徑分析入手排查故障原因。通過故障機(jī)理分析尋求解決方案，并通過環(huán)境適應(yīng)性力學(xué)仿真驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性。分析結(jié)果表明，采用90°E彎軟波導(dǎo)代替硬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)，斷開硬波導(dǎo)之間的傳力路徑，波導(dǎo)組件內(nèi)部應(yīng)力降低為原來的1/3左右；軟波導(dǎo)的彎曲剛度遠(yuǎn)低于拉伸剛度，采用彎角軟波導(dǎo)比直線軟波導(dǎo)更有利于變形協(xié)調(diào)。

故障；軟波導(dǎo)；變形協(xié)調(diào)；傳力路徑

引 言

彈載SAR在發(fā)射和再入階段歷經(jīng)高過載、強(qiáng)振動(dòng)和寬溫的環(huán)境條件，惡劣環(huán)境條件對(duì)結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提出嚴(yán)重考驗(yàn)[1]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包含尺寸優(yōu)化、幾何優(yōu)化(形狀和位置)、拓?fù)鋬?yōu)化以及結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化(結(jié)構(gòu)選型)等方面內(nèi)容[2]。拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的較高層次，當(dāng)前通常采用2種途徑描述拓?fù)鋬?yōu)化：一種是針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)法；另一種是針對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)的均勻化法[3]。

波導(dǎo)組件屬于高精度微波器件，傳統(tǒng)的僅依靠增加結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的方式并無法解決結(jié)構(gòu)安全性問題，有效的解決措施是改變或斷開傳力路徑。軟波導(dǎo)內(nèi)壁呈波紋結(jié)構(gòu)，具有很好的柔韌性，能夠承受復(fù)雜的彎曲、拉伸和壓縮，在航天產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用[4]。軟波導(dǎo)主要具有2大作用：一是用于消除硬波導(dǎo)之間的裝配誤差；二是利用可變形性，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射器或饋源組件的指向微調(diào)。

1 彈載SAR伺服平臺(tái)

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

彈載SAR伺服平臺(tái)包括平板裂縫天線、方位旋轉(zhuǎn)、俯仰旋轉(zhuǎn)、波導(dǎo)組件、U型框架和基座等，伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。波導(dǎo)組件為矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)折彎處通過90°圓角E彎過渡。

圖1 伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 故障機(jī)理分析

彈載SAR導(dǎo)引頭在進(jìn)行綜合試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)伺服平臺(tái)俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)出口連接波導(dǎo)根部有裂紋，拆卸下來后發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)法蘭盤與波導(dǎo)管連接處已斷裂。經(jīng)初步判斷，波導(dǎo)斷裂是由于波導(dǎo)兩端相對(duì)變形過大造成的。波導(dǎo)一端與伺服平臺(tái)基座通過法蘭連接，另一端與U型框架支臂通過波導(dǎo)夾連接，伺服平臺(tái)在進(jìn)行橫向、法向過載和振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由于框架結(jié)構(gòu)橫向、法向剛度不足，引起波導(dǎo)兩端相對(duì)變形過大，波導(dǎo)根部應(yīng)變能過大，導(dǎo)致波導(dǎo)斷裂。為了定位故障原因，對(duì)照試驗(yàn)條件進(jìn)行過載和隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)分析，并尋求解決方案。

1.3 改進(jìn)措施

為了改善波導(dǎo)兩端相對(duì)變形過大的問題，考慮在U形框架支臂和基座頂部之間增加一段軟波導(dǎo)，從而降低硬波導(dǎo)兩端的相對(duì)位移，降低硬波導(dǎo)根部應(yīng)變能。本解決方案在軟波導(dǎo)安裝和使用過程中需注意以下特點(diǎn)：

1)軟波導(dǎo)彎曲剛度遠(yuǎn)低于拉伸剛度，相比直波導(dǎo)，采用彎角軟波導(dǎo)更有利于變形協(xié)調(diào)；

2)軟波導(dǎo)安裝時(shí)，盡可能使軟波導(dǎo)的寬面法向與存在最大位移差的方向一致；

3)盡可能使軟波導(dǎo)與法蘭連接的區(qū)域保持平直，避免裝配時(shí)在與法蘭連接位置軟波導(dǎo)局部出現(xiàn)較大曲率的彎曲；

4)軟波導(dǎo)長度要合適。軟波導(dǎo)過長會(huì)導(dǎo)致懸空部分質(zhì)量過大；軟波導(dǎo)過短容易造成其與法蘭連接位置局部曲率過大[5]。

綜合考慮以上情況，將波導(dǎo)組件的90°圓角E彎段改為軟波導(dǎo)連接。

1.4 工況分析

(1)工況1：加速度過載分析

表1 加速度過載條件

軸向最大加速度出現(xiàn)于二級(jí)飛行階段，橫向、法向最大加速度出現(xiàn)于再入段。

(2)工況2：隨機(jī)振動(dòng)分析

圖2所示為主動(dòng)段隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)曲線，均方根加速度grms= 10.5g。

圖2 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)曲線

2 有限元仿真

2.1 硬波導(dǎo)連接方案

2.1.1 加速度過載分析

圖3所示為采用硬波導(dǎo)連接時(shí)加速度過載分析結(jié)果，表3為加速度過載分析結(jié)果匯總。導(dǎo)引頭軸向剛度較高，波導(dǎo)變形和應(yīng)力均較小，橫向過載時(shí)波導(dǎo)最大應(yīng)106.9 MPa，位于圓角E彎內(nèi)側(cè)，法向過載時(shí)波導(dǎo)最大應(yīng)力為86 MPa，位于直角E彎內(nèi)側(cè)；波導(dǎo)在橫向過載時(shí)變形最大，最大變形為4.84 mm，位于圓角E彎端連接法蘭處。

圖3 硬波導(dǎo)連接時(shí)加速度過載分析

過載方向應(yīng)力/MPa變形/mm軸向17g34.80.26橫向43g106.94.84法向43g864.4

2.1.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

圖4所示為采用硬波導(dǎo)連接時(shí)振動(dòng)分析結(jié)果，表3為振動(dòng)分析結(jié)果匯總。橫向振動(dòng)時(shí)波導(dǎo)最大1σ應(yīng)力為25.8 MPa，位于圓角E彎內(nèi)側(cè)，法向振動(dòng)時(shí)波導(dǎo)最大1σ應(yīng)力為38.3 MPa，位于直角E彎內(nèi)側(cè)；波導(dǎo)在橫向振動(dòng)時(shí)變形最大，最大變形為0.89 mm，位于圓角E彎端連接法蘭處。

圖4 硬波導(dǎo)連接時(shí)振動(dòng)分析

振動(dòng)方向應(yīng)力/MPa變形/mm軸向8.70.38橫向25.80.89法向38.30.72

2.1.3 小結(jié)

波導(dǎo)材料為3A21-H112的鋁合金，材料破壞強(qiáng)度σb≥ 100 MPa，波導(dǎo)在橫向過載時(shí)最大應(yīng)力為106.9 MPa，在法向振動(dòng)時(shí)3σ應(yīng)力為114.9 MPa，波導(dǎo)均將發(fā)生破壞。

2.2 軟波導(dǎo)連接方案

2.2.1 加速度過載

圖5所示為采用軟波導(dǎo)連接時(shí)加速度過載分析結(jié)果，表4為加速度過載分析結(jié)果匯總。

導(dǎo)引頭軸向剛度較高，波導(dǎo)變形和應(yīng)力均較小，橫向過載時(shí)波導(dǎo)最大應(yīng)力12.8 MPa，位于圓角E彎內(nèi)側(cè)，法向過載時(shí)波導(dǎo)最大應(yīng)力為28.5 MPa，位于直角E彎內(nèi)側(cè)；波導(dǎo)在橫向過載時(shí)變形最大，最大變形為4.4 mm，位于圓角E彎端連接法蘭處。

圖5 軟波導(dǎo)連接時(shí)加速度過載分析

過載方向應(yīng)力/MPa變形/mm軸向17g1.560.26橫向43g12.84.4法向43g28.53.7

2.2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

圖6所示為采用軟波導(dǎo)連接時(shí)振動(dòng)分析結(jié)果，表5為振動(dòng)分析結(jié)果匯總。橫向振動(dòng)時(shí)波導(dǎo)最大1σ應(yīng)力為4.1 MPa，位于圓角E彎內(nèi)側(cè)，法向振動(dòng)時(shí)波導(dǎo)最大1σ應(yīng)力為12.1 MPa，位于直角E彎內(nèi)側(cè)；波導(dǎo)在橫向振動(dòng)時(shí)變形最大，最大變形為0.89 mm，位于圓角E彎端連接法蘭處。

圖6 軟波導(dǎo)連接時(shí)振動(dòng)分析

振動(dòng)方向應(yīng)力/MPa變形/mm軸向4.80.38橫向4.10.89法向12.10.73

2.2.3 小結(jié)

波導(dǎo)在法向過載時(shí)應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為28.5 MPa；波導(dǎo)在法向振動(dòng)時(shí)1σ應(yīng)力最大，最大3σ應(yīng)力為36.3 MPa，均位于直角E彎處。將波導(dǎo)圓角E彎改成軟波導(dǎo)過渡時(shí)，波導(dǎo)最大應(yīng)力下降為硬波導(dǎo)連接時(shí)的1/3，且均遠(yuǎn)低于材料破壞強(qiáng)度，改進(jìn)措施有效。

3 結(jié)束語

通過對(duì)彈載SAR伺服平臺(tái)進(jìn)行加速度過載和隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)分析，開展波導(dǎo)組件斷裂故障機(jī)理分析和改進(jìn)措施驗(yàn)證，優(yōu)化波導(dǎo)組件傳力路徑，并建議采用軟波導(dǎo)進(jìn)行90°圓角E彎過渡，有如下結(jié)論：

1)軟波導(dǎo)由于其可變形特性，除了饋線組件間進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，同時(shí)具有斷開傳力路徑的功能，保證波導(dǎo)結(jié)構(gòu)安全性；

2)為了減小軟波導(dǎo)與法蘭和硬波導(dǎo)等部件在連接時(shí)的根部應(yīng)力，通常采取的措施是在軟波導(dǎo)與法蘭連接處包覆軟材料，從而將軟波導(dǎo)局部彎曲變形化為整體均勻彎曲變形，從而達(dá)到降低應(yīng)力的目的；同時(shí)軟波導(dǎo)的彎曲剛度遠(yuǎn)低于其拉伸剛度，利用其易于彎曲性能在合適位置布置彎曲軟波導(dǎo)，對(duì)于變形協(xié)調(diào)具有事半功倍的效果。

[1] 程林. 彈載SAR伺服控制焊點(diǎn)故障分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2015, 31(6): 11-14.

[2] 鄧揚(yáng)晨, 邱克鵬, 張衛(wèi)虹, 等. 基于傳力路徑下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003, 22(4): 622-626.

[3] 段寶巖. 天線結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化與測(cè)量[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1998.

[4] 楊新華, 杜鵬. 軟波導(dǎo)燒毀原因的分析[J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù), 2014(6): 30-33.

[5] 王輝, 梁云. 提高軟波導(dǎo)抗力學(xué)性能的方法研究[J]. 空間電子技術(shù), 2014(3): 40-42.

程 林(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真工作。

Faults Analysis of Waveguide Breaking for Missile-borne SAR

CHENG Lin，PENG Chao，HU Jin-song

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Based on faults of waveguide breaking of missile-borne SAR, the failure causes are found through the analysis of load path. The solution scheme are found through the analysis of fault mechanism, the improvement measures are evaluated valid through the mechanics simulation of environmental adaptability. The results show that: The deformation compatibility is achieved through replacing rigid waveguide to flexible waveguide. The stress of waveguide is one-third times as much as primary project through breaking load path of rigid waveguide. Because the tension stiffness of flexible waveguide is far less than bending stiffness, the bending angle flexible waveguide is advantaged to deformation compatibility than line waveguide.

faults; flexible waveguide; deformation compatibility; load path

2016-10-21

TH165；TP391.9

A

1008-5300(2017)02-0044-04