某帶罩反射面天線剛強(qiáng)度性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

李建偉，秦強(qiáng)強(qiáng)，韓 冰，周金柱

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2. 西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071）

引 言

反射面天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、增益高、副瓣低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在射電天文、載人航天等重大工程項(xiàng)目中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)反射面天線電性能的要求愈來愈嚴(yán)苛，而天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)天線電性能的載體，合理設(shè)計(jì)天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)是提高天線電性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，天線在服役期間的優(yōu)良機(jī)械結(jié)構(gòu)性能是保證電性能可靠的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[1]針對(duì)極端溫度應(yīng)用場(chǎng)景，采用有限元軟件分析了反射面天線在極端熱載荷下的變形，并針對(duì)熱變形分析了其對(duì)反射面天線電性能的影響。文獻(xiàn)[2]針對(duì)碳纖維蜂窩夾層天線在重力、熱及固定方式作用下的變形進(jìn)行了研究，采用有限元分析方法對(duì)天線進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合的變形分析。文獻(xiàn)[3]研究了影響星載反射面天線型面熱變形的因素，仿真分析了反射面厚度、支撐位置、選用材料等因素對(duì)熱變形的影響。文獻(xiàn)[4]提出了一種面板裝配變形仿真和控制方法，考慮裝配順序、裝配預(yù)緊力和重力對(duì)面板裝配的影響，進(jìn)行了面向裝配過程的面板裝配變形動(dòng)態(tài)仿真。文獻(xiàn)[5]基于變形后主面點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，提出了三自由度下的非線性最小二乘吻合方法，利用空間幾何關(guān)系嚴(yán)格推導(dǎo)了服務(wù)于天線指向誤差修正的俯仰和方位的精確調(diào)整量，構(gòu)建了主面變形與指向誤差之間的間接關(guān)系。文獻(xiàn)[6]分別從有限元仿真和振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)天線陣面的抗力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析驗(yàn)證，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)天線陣面的設(shè)計(jì)合理性。

以上文獻(xiàn)的天線變形信息均來自有限元仿真[7-9]。隨著天線結(jié)構(gòu)采用的復(fù)合材料越來越多，受材料參數(shù)、復(fù)合工藝等不確定因素的影響，有限元仿真難以模擬真實(shí)的復(fù)合材料天線結(jié)構(gòu)[10-12]。為了保證天線服役狀態(tài)的可靠性，有必要借助試驗(yàn)方法對(duì)天線的剛強(qiáng)度等性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[13]以艦載天線罩為研究對(duì)象，分析了天線罩在復(fù)雜載荷下剛強(qiáng)度性能的試驗(yàn)分析方法，但該方法只適用于平面結(jié)構(gòu)，無法對(duì)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

本文針對(duì)工作狀態(tài)的某帶罩反射面天線在風(fēng)載作用下可能產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)的現(xiàn)象，提出了適用于復(fù)雜曲面天線的剛強(qiáng)度試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了模擬風(fēng)載的形變測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的校核，通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的試驗(yàn)方法的可行性，可指導(dǎo)同類天線的模擬風(fēng)載測(cè)試。

1 產(chǎn)品及實(shí)驗(yàn)條件

反射面天線通常由饋源、主反射面及副反射面組成，主反射面與副反射面裸露在空氣中。本文研究的某帶罩反射面天線長(zhǎng)時(shí)間在艦體上服役，易受到風(fēng)載、暴雨、鹽霧及濕熱環(huán)境的沖擊。天線主反射面與副反射面的型面精度是保證電性能的基礎(chǔ)。為了保證天線服役的可靠性，在犧牲一定電性能的前提下，在天線的外側(cè)設(shè)計(jì)了天線罩，以保護(hù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。某雷達(dá)天線主要由饋源、主反射面、天線罩和副反射面組成。其中副反射面通過復(fù)合成型技術(shù)鑲嵌在天線罩中，主反射面通過螺栓與天線罩連接，具體結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。

圖1 某帶罩反射面天線產(chǎn)品及原理圖

該雷達(dá)天線受服役條件的約束，經(jīng)常受到風(fēng)載作用。實(shí)驗(yàn)室模擬自然風(fēng)載通常采用風(fēng)洞試驗(yàn)、水壓與沙子重力。風(fēng)洞試驗(yàn)價(jià)格較為昂貴，不利于實(shí)驗(yàn)室研究的開展；對(duì)于復(fù)雜曲面天線，水壓不利于保證施加壓力的均勻性。因此為了減少夾具復(fù)雜性同時(shí)降低試驗(yàn)成本，本文利用沙子流動(dòng)性較小和密度較大的特性，通過沙子重力模擬風(fēng)載，測(cè)量天線在模擬風(fēng)載下的位移。為了保證在曲面天線各位置施加均勻的壓力，需要加工與天線共形的擋板，在天線和共形擋板間填充等厚度的沙子以保證壓力均勻。

參考國標(biāo)GB 50009—2001“建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范”，風(fēng)載等效的壓力W可以通過公式（1）計(jì)算：

式中：n為安全系數(shù)；K0為風(fēng)載體型系數(shù)；Kz為風(fēng)載高度變化系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓。

基本風(fēng)壓W0按風(fēng)速v計(jì)算：

根據(jù)該雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)的外形特點(diǎn)，參考國標(biāo)GB 50009—2001“建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范”表8.3.1風(fēng)載體型系數(shù)，確定風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓。天線服役期間受正壓風(fēng)載時(shí)，其風(fēng)載體型系數(shù)最類似獨(dú)立墻壁及圍墻的風(fēng)載體型系數(shù)，此時(shí)風(fēng)載體型系數(shù)為+1.3。天線罩本身有一定的流線型傾角，在受正壓風(fēng)載時(shí)，傾角會(huì)引導(dǎo)一部分風(fēng)載分流，因而降低了天線受到的有效風(fēng)壓。經(jīng)綜合考慮風(fēng)載體型系數(shù)取為+1.1。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按表1確定。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

表1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

本文研究的天線一般應(yīng)用在艦體之上，其工作高度取海平面10 m高度，艦體通常在大海中航行，最接近的地面粗糙度類別是A，通常指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)。但選擇海平面高度10 m的A類地面粗糙度類別與真實(shí)工況稍有差異，因此參考該天線的實(shí)際服役工況，在A類地面粗糙度的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了風(fēng)壓變化系數(shù)，最終取Kz= 1.4?？紤]到計(jì)算分析和加工制造中其他不確定因素，取安全系數(shù)n= 1.3。2種風(fēng)速的風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果

2 試驗(yàn)夾具

試驗(yàn)夾具應(yīng)保證被測(cè)樣件的真實(shí)連接方式，并具有足夠的剛度以減小其變形對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。測(cè)試時(shí)，在被測(cè)天線和共形擋板間填充沙子以模擬風(fēng)載，填充沙子的重量依據(jù)表2中的風(fēng)壓經(jīng)換算獲得?？紤]天線形變測(cè)試方式，采用如圖2所示的天線座作為形變?cè)囼?yàn)支撐裝置。

圖2 天線形變測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)圖

天線由蜂窩和蒙皮復(fù)合成形，天線座由鋁材鑄造而成，因此天線座的剛度遠(yuǎn)大于天線的剛度。經(jīng)過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，在2種風(fēng)速下，天線座的形變量小于被測(cè)樣件形變的1/10，因此本文只考慮天線自身的變形，而不考慮天線座的變形。圖3為天線座在55 m/s風(fēng)速下的形變圖。

圖3 天線座在55 m/s風(fēng)速下的形變圖

3 測(cè)點(diǎn)布局

應(yīng)力測(cè)量通常采用電阻應(yīng)變片和光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）傳感器。變形測(cè)量根據(jù)被測(cè)樣件和加載方式采用不同的方式。常用的方式包括攝影測(cè)量、接觸測(cè)點(diǎn)傳感器測(cè)量、激光測(cè)距儀測(cè)量及雙目視覺相機(jī)測(cè)量等。

經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)該研究對(duì)象的應(yīng)力和變形已有了初步了解，且影響天線電性能的重要因素就是載荷下的天線形變，因此只對(duì)形變進(jìn)行測(cè)量。因天線副反射面只與天線罩相連接的特殊結(jié)構(gòu)，主反射面和天線罩的法向位移都會(huì)疊加到副反射面上。經(jīng)過電磁仿真分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)電性能產(chǎn)生較大影響的是天線副反射面的位移，因此本實(shí)驗(yàn)只監(jiān)測(cè)副反射面的位移。為了保證試驗(yàn)的可靠性，采用高精度激光位移傳感器測(cè)量天線副反射面的位移，測(cè)點(diǎn)布局如圖4所示。

圖4 天線罩形變測(cè)試測(cè)點(diǎn)布局

如圖2和圖4所示，被測(cè)天線固定在主支撐箱體上，傳感器支架固定在主支撐箱體的法蘭上。此結(jié)構(gòu)可以有效避免由主支撐箱體支撐位置變形帶來的測(cè)試誤差，從而提升測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 模擬風(fēng)載試驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，在被測(cè)天線和共形擋板間填充沙子。共形擋板用于保證施加在被測(cè)曲面天線表面的沙子厚度相同，即保證施加在天線表面各個(gè)位置的壓力是均勻的。

經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：天線在正壓風(fēng)載下因受力面積較大，容易產(chǎn)生較大的變形；在側(cè)向風(fēng)載下，由于天線罩的錐面形狀會(huì)產(chǎn)生明顯的風(fēng)流作用，且側(cè)向風(fēng)載天線的受力面較小，因而產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)小于正壓風(fēng)載下的形變。因此文中只考慮正壓風(fēng)載。

為了驗(yàn)證在不同工況下天線發(fā)生的是彈性變形還是塑性變形及隨著循環(huán)載荷的施加天線的剛度是否有明顯的衰減現(xiàn)象，對(duì)每種工況依次加載-卸載5次，測(cè)量每次加載后天線的形變及卸載后的殘余形變。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在2種實(shí)驗(yàn)工況下，天線發(fā)生的均為彈性變形，且隨著時(shí)間的推移，在10 min以內(nèi)天線形變能恢復(fù)至初始位置。因此本文只給出第1次和最后1次的測(cè)試結(jié)果，用于對(duì)比分析。

圖5給出了模擬風(fēng)載試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，圖6和圖7為天線在2種工況下的加載-卸載位移圖。表3給出了天線副反射面在工況1和工況2風(fēng)載作用下的形變測(cè)試結(jié)果及卸載后的殘余位移。

表3 天線模擬風(fēng)載下的最大位移和殘余位移

圖5 模擬風(fēng)載試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖6 35 m/s風(fēng)速下風(fēng)壓加載-卸載副反射面位移圖

圖7 55 m/s風(fēng)速下風(fēng)壓加載-卸載副反射面位移圖

從表3可知：在35 m/s風(fēng)速下天線的最大變形為0.318 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的0.6 mm，且經(jīng)過電磁仿真分析發(fā)現(xiàn)，副反射面的位移0.318 mm對(duì)電性能的影響較小，此時(shí)天線可以正常服役，證明天線的剛度滿足設(shè)計(jì)要求；在55 m/s風(fēng)速下天線的最大變形為0.548 mm，滿足設(shè)計(jì)要求的55 m/s風(fēng)速下不發(fā)生明顯破壞的條件；在2種工況卸載后天線的殘余位移均小于傳感器的測(cè)量誤差，證明天線的剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，35 m/s和55 m/s風(fēng)速重復(fù)加載-卸載5次，殘余位移并無明顯的增加，且都在儀器的測(cè)量誤差內(nèi)，再次證明天線的剛強(qiáng)度完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖6中測(cè)點(diǎn)1在第1次測(cè)試卸載過程中傳感器隨時(shí)間響應(yīng)與圖7相比存在較大的差異。其主要原因可能是第1次測(cè)試卸載速度比較慢，卸載測(cè)點(diǎn)2處對(duì)應(yīng)位置上的沙子花費(fèi)時(shí)間較多，且卸載速度比較慢，因此測(cè)點(diǎn)1的傳感器響應(yīng)較小，與測(cè)點(diǎn)2相比呈現(xiàn)較大的差異。但經(jīng)過一段時(shí)間卸載完全后，2個(gè)傳感器的殘余位移趨于一致，即殘余位移接近0。

4.2 風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試

風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，天線固定在如圖8所示的空心鋼管中心，位移數(shù)據(jù)采用圖4對(duì)應(yīng)的采集卡采集，傳感器布局及試驗(yàn)工況同模擬風(fēng)載試驗(yàn)時(shí)相同，每次測(cè)試持續(xù)10 min，分別記錄天線在加載-卸載過程中天線副反射面的位移和殘余位移。

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖9所示為風(fēng)洞試驗(yàn)形變測(cè)試結(jié)果，分別給出了35 m/s風(fēng)速與55 m/s風(fēng)速下副反射面的位移。相較于模擬風(fēng)載實(shí)驗(yàn)，在風(fēng)洞試驗(yàn)中在風(fēng)速穩(wěn)定階段，副反射面的位移仍有一定的波動(dòng)：在35 m/s風(fēng)載時(shí)，副反射面的位移波動(dòng)范圍約為0.03 mm；在55 m/s風(fēng)載時(shí)，副反射面的位移波動(dòng)范圍約為0.05 mm。

圖9 風(fēng)洞試驗(yàn)副反射面位移及殘余位移圖

表4給出了風(fēng)洞試驗(yàn)的平均位移和殘余位移測(cè)試結(jié)果。在35 m/s風(fēng)速下風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試的最大位移為0.304 mm，同模擬實(shí)驗(yàn)相比最大誤差為4.4%；在55 m/s風(fēng)速下風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試的最大位移為0.553 mm，同模擬試驗(yàn)相比最大誤差為5.6%。這一方面證明了天線的剛強(qiáng)度完全符合設(shè)計(jì)要求；另一方面證明了設(shè)計(jì)的模擬風(fēng)載試驗(yàn)方法的可行性。

表4 風(fēng)洞試驗(yàn)中天線的最大位移和殘余位移

5 結(jié)束語

針對(duì)復(fù)雜曲面天線剛強(qiáng)度校核中存在的有限元仿真不準(zhǔn)確和風(fēng)洞試驗(yàn)昂貴的問題，本文針對(duì)需要校核剛強(qiáng)度的復(fù)雜曲面帶罩反射面天線提出了模擬風(fēng)載的形變測(cè)試方法，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)模擬風(fēng)載試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

風(fēng)洞試驗(yàn)證明了利用沙子重力模擬復(fù)雜曲面風(fēng)壓的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了本文提出的適用于復(fù)雜曲面天線的形變測(cè)試方案的可行性。通過模擬試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)證明被測(cè)天線的剛強(qiáng)度滿足在35 m/s風(fēng)速條件下正常服役、在55 m/s風(fēng)速條件下不遭破壞的設(shè)計(jì)要求，且在兩種工況下天線變形均位于彈性變形范圍內(nèi)，無殘余變形。