一種高超聲速機(jī)載天線結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)*

霍小寧，張 更，譚志紅

(北京長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

目前飛行器內(nèi)部儀器的增多，對(duì)飛行器搭載的設(shè)備小型化、輕型化要求日益強(qiáng)烈，但由于飛行器上設(shè)備的可靠性要求，導(dǎo)致產(chǎn)品重量、體積無法滿足新型飛行器要求。目前飛行器搭載設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面的不足：一是局部材料強(qiáng)度余量較大，造成飛行器上產(chǎn)品重量過大，無法滿足小型飛行器等對(duì)重量和體積敏感的系統(tǒng)對(duì)單機(jī)產(chǎn)品的要求；二是在實(shí)際使用過程中有時(shí)出現(xiàn)局部強(qiáng)度和可靠性不足問題。受多方面客觀條件的限制，對(duì)出現(xiàn)問題的產(chǎn)品局部區(qū)域往往采取局部加強(qiáng)的方法，這不但需要進(jìn)行多次、全面的試驗(yàn)才能證明結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性，而且會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品重量的不斷增加。另外，由于缺少一定的理論分析支撐，對(duì)一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和優(yōu)化，往往得不到很好的實(shí)施效果[1-3]。因此，在保證性能的前提下進(jìn)行飛行器上單機(jī)產(chǎn)品有限元分析和輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是最為緊要的任務(wù)之一[4-5]。

本文以飛行器用遙測天線結(jié)構(gòu)為對(duì)象, 應(yīng)用ANSYS仿真軟件，通過力學(xué)環(huán)境的有限元分析，對(duì)天線底板尺寸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形量等關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)化迭代，最終實(shí)現(xiàn)天線底板的最優(yōu)設(shè)計(jì)，達(dá)到產(chǎn)品減重的目的。

1 天線有限元模型建立及分析

1.1 有限元模型建立

微帶天線主要由天線蓋板、印制板、底座、接插件組成。根據(jù)有限元理論，建模過程中忽略圓角和對(duì)分析結(jié)果影響不大的細(xì)小結(jié)構(gòu)等[6]?；谟邢拊姆抡嬖O(shè)計(jì)方法能模擬復(fù)雜工況下產(chǎn)品的力學(xué)性能[7-8]。由于需要在多種工況下進(jìn)行強(qiáng)度、變形等分析，建立模型并根據(jù)技術(shù)條件的實(shí)際載荷進(jìn)行優(yōu)化，用于分析的模型，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品有限元三維模型

結(jié)構(gòu)建模主要遵循如下建模規(guī)則：

1)對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大的零件不建立有限元模型；

2)結(jié)構(gòu)中的孔、倒角、倒圓等對(duì)整體強(qiáng)度無影響的特征予以簡化；

3)緊固件用CWELD單元模擬，直徑和材料按實(shí)際緊固件材料定義。

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要針對(duì)底座進(jìn)行，如圖2所示。共4 652個(gè)solid164單元，9 555個(gè)節(jié)點(diǎn)，底座側(cè)壁及頂面初始厚度均為1.5 mm。

圖2 外形尺寸

圖3 有限元模型

設(shè)定5 mm的網(wǎng)格劃分尺寸，共4 652個(gè)單元，9 555個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后如圖3所示。

1.2 底座試驗(yàn)工況分析

根據(jù)飛行環(huán)境，分析底板在隨機(jī)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)條件下的變形及應(yīng)力情況。隨機(jī)振動(dòng)譜形如圖4所示，方向：x、y、z三向；時(shí)間：每個(gè)方向持續(xù)時(shí)間為5 min。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度

某型號(hào)產(chǎn)品實(shí)際飛行沖擊條件如表1所列和圖5所示，方向：x、y、z三向，每方向三次。

表1 飛行沖擊試驗(yàn)條件

1.3 不同工況下天線強(qiáng)度校核分析

將天線的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，設(shè)置材料屬性，選用鋁合金材料5A06，并劃分網(wǎng)格。設(shè)置連接，接觸面施加固定約束。頂面施加印制板壓力，增加重力影響。分析在試驗(yàn)工況下的受力分析。

圖5 沖擊試驗(yàn)條件

1.3.1 模態(tài)分析

根據(jù)以上條件分析底座模態(tài)。

在安裝座固支的條件下，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的前3階頻率，見表2所列。圖6給出了前三階模態(tài)振型圖。

表2 固有頻率

圖6 一到三階模態(tài)振型

1.3.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)以上條件分析隨機(jī)振動(dòng)。圖7給出了天線軸向隨機(jī)振動(dòng)位移、應(yīng)力圖。

圖7 天線軸向隨機(jī)振動(dòng)位移、應(yīng)力圖

1.3.3 沖擊譜分析

根據(jù)以上條件分析隨機(jī)振動(dòng)。圖8給出了天線軸向沖擊譜位移圖。

圖8 天線軸向沖擊譜位移圖

在仿真軟件中根據(jù)飛行工況對(duì)天線底座進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)和沖擊譜分析，得到天線底座的應(yīng)力和位移曲線。根據(jù)圖7、8可以看出在初始給定的尺寸下，底板在接插件位置的變形為0.275 mm，沖擊應(yīng)力值108 MPa基本滿足焊點(diǎn)對(duì)變形和應(yīng)力的要求。初始重量為0.125 kg比要求值0.12 kg高0.05 kg，初始設(shè)計(jì)不能滿足設(shè)計(jì)要求。由于天線焊點(diǎn)對(duì)位移和應(yīng)力敏感，因此，在保證變形和應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求的前提下對(duì)產(chǎn)品重量進(jìn)行優(yōu)化。

2 天線優(yōu)化分析

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法

以結(jié)構(gòu)截面尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，依據(jù)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化算法來達(dá)到優(yōu)化尺寸參數(shù)，使結(jié)構(gòu)成本最低、體積最小或重量最輕，這個(gè)過程稱為尺寸優(yōu)化。本方法不需要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建模較便捷，優(yōu)化算法也比較高效，可最大程度地降低成本和改善結(jié)構(gòu)性能[6]。本文利用ANSYS的Design Exploration功能模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

ANSYSworkbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)放在靜力學(xué)有限元仿真后面進(jìn)行研究。選取底座結(jié)構(gòu)的2個(gè)主要參數(shù)作為試驗(yàn)因素，即底座側(cè)壁及頂面厚度。根據(jù)總體對(duì)天線重量限制以及由上文分析可知，底座最大變形位置發(fā)生在焊點(diǎn)附近。通過以上分析可知最大變形發(fā)生在接插件位置，由于焊點(diǎn)對(duì)變形和應(yīng)力要求相對(duì)敏感，因此選取軸向隨機(jī)振動(dòng)位移y1、軸向沖擊譜應(yīng)力y2及產(chǎn)品總重t為目標(biāo)試驗(yàn)指標(biāo)。

2.2 優(yōu)化試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)方案

所研究的問題包含2個(gè)因素，通過改變頂面厚和側(cè)壁厚分別計(jì)算軸向隨機(jī)振動(dòng)位移y1、軸向沖擊譜應(yīng)力y2及產(chǎn)品總重t這3 個(gè)指標(biāo)。設(shè)定壁厚初始值，頂面厚1.5 mm，側(cè)壁厚1.5 mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。保證隨機(jī)振動(dòng)位移y1小于0.25 mm，重量小于0.12 kg，軸向沖擊譜應(yīng)力y2小于105 MPa。

2.2.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3所列(共100個(gè)計(jì)算結(jié)果，選取前10個(gè))，結(jié)果三維分布圖見圖9所示。

表3 試驗(yàn)方案計(jì)算結(jié)果

圖9 計(jì)算結(jié)果的三維分布圖

由優(yōu)化結(jié)果可知，當(dāng)頂面厚1.627 5 mm和側(cè)壁厚1.42 mm時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)位移達(dá)到最小值，此時(shí)軸向沖擊譜應(yīng)力尺寸變小，質(zhì)量也相對(duì)較小。綜合各方面的因素，最終取各優(yōu)化參數(shù)如表4所列。

表4 最優(yōu)結(jié)果

3 結(jié)論

本文對(duì)微帶天線進(jìn)行了仿真分析得到如下結(jié)論：

1)將真實(shí)的力學(xué)工況進(jìn)行數(shù)字化模擬，實(shí)現(xiàn)了虛擬數(shù)字試驗(yàn)室的建設(shè)，相對(duì)實(shí)物試驗(yàn)成本高、周期長的弊端，此方法大幅縮短了設(shè)計(jì)周期，降低成本。

2)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型并帶入虛擬試驗(yàn)室進(jìn)行仿真計(jì)算，得出產(chǎn)品在不同工況下的應(yīng)力和變形，為產(chǎn)品優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3)通過對(duì)底板尺寸的控制，利用迭代優(yōu)化的仿真算法在保證產(chǎn)品強(qiáng)度、變形變化量滿足使用要求的前提下，將產(chǎn)品重量設(shè)計(jì)為最終優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)過上百次迭代最終實(shí)現(xiàn)天線重量、位移和強(qiáng)度應(yīng)力的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文提出的設(shè)計(jì)方法充分融合了功能指標(biāo)校核和迭代優(yōu)化的思想，對(duì)復(fù)雜工況下的機(jī)載產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)提出了一種創(chuàng)新的思路。對(duì)比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加實(shí)物試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品最優(yōu)化設(shè)計(jì)，為機(jī)載設(shè)備減重提供了解決方案。