基于Laminate Tools的机载天线罩力学仿真和优化设计

费 莲，吴敬凯，孙明琦，梁震涛

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

基于Laminate Tools的机载天线罩力学仿真和优化设计

费 莲，吴敬凯，孙明琦，梁震涛

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

由于优异的物理力学性能和可设计性，复合材料在雷达天线罩中得到了广泛应用。文中基于Laminate Tools软件对某机载雷达天线罩的复合材料结构进行了有限元建模、力学仿真及可视化检查，并结合初步分析结果对结构进行了减重优化，探讨了复合材料结构设计、分析、制造一体化的可行性。结果表明，结合通用软件Patran/Nastran，可方便地实现复合材料铺层、三维和褶皱显示、力学计算、失效分析及展平图输出等一系列功能，为复合材料的一体化设计提供了流程参考。

天线罩；复合材料；力学仿真；可视化

引 言

天线罩安装在天线外面，使天线不因风沙雨雪等恶劣环境和外部碰撞冲击而受到损害，同时天线罩还要对电磁波保持透明，以提升雷达的环境适应性和使用寿命。因此，对天线罩的设计要求就很高：首先，天线罩不得影响天线发射和接收电磁波以满足电性能的要求；其次，机载天线罩要承担气动力，耐受冰雹及飞鸟等的冲击，要有足够的刚度和强度[1-4]。因此，在天线罩的设计过程中，对其进行力学仿真和结构优化具有重要的意义，能大大缩短研制周期，节约设计生产成本。

天线罩一般选用透波性能好的复合材料进行设计。与传统金属结构不同，复合材料铺层的纤维方向、覆盖范围、引起皱褶的区域、铺层顺序、初始铺设点等因素会明显影响复合材料结构力学性能，同时，这些也是工艺制造必须要考虑的重要因素，在结构设计、分析、制造一体化中要予以综合考虑。也就是说，在将复合材料结构委托给车间进行加工制造之前，很有必要对复合材料的铺层工艺、结构力学性能预先进行模拟仿真、验证和优化，并输出满足精确加工需要的铺层信息。

本文基于商业软件Laminate Tools对某机载雷达天线罩的复合材料结构进行了铺层设计、力学分析和失效检查，探讨了设计、分析、制造一体化的可行性。首先，在可视化环境里逐步实现铺层方案，通过铺层褶皱和三维效果显示，提前发现铺层制造的难点。借助Laminate Tools软件，并结合通用有限元软件Patran/Nastran，采用有限元法准确分析结构受力与失效情况，最终输出可用于制造的几何信息。同时，结合初步分析结果对结构进行减重优化设计。

1 天线罩结构

某雷达天线罩结构如图1所示，由外部罩体和腹板等组成。为了满足电性能的要求并减轻重量，罩体和腹板均采用蜂窝夹芯复合材料结构，其组成材料包括玻璃纤维布蒙皮材料和蜂窝芯层，如图2所示，这2种材料的属性见表1。复合材料采用对称均衡铺层，具体铺层分为9层即[0/45/-45/90/蜂窝芯层/90/-45/45/0]。

当飞机飞行时，天线罩将承受巨大的气动载荷。进行计算机仿真时，天线罩上承受的不同工况下的气

动载荷由风洞试验获得，并通过插值的方法作用在外部罩体的单元上。

图1 天线罩结构

图2 复合材料结构示意图

表1 铺层材料属性

2 天线罩有限元建模与分析

2.1 Laminate Tools软件简介

Laminate Tools软件是由英国Anaglyph公司开发的一款专用复合材料商业软件，定位于复合材料的铺层设计、分析、检查、制造一体化。软件具有较好的复合材料前后处理可视化功能、灵活多样的结果检查和强度校核以及可操作性强的制造信息输出，通过与ANSYS、Patran/Nastran、Abaqus等有限元通用软件相结合，可实现复合材料结构从最初铺层设计到力学性能分析再到最后的产品制造信息输出的一套完整的CAD-CAE-CAM解决方案。

2.2 天线罩有限元建模与分析流程

天线罩有限元建模与分析流程如图3所示。具体流程描述如下：

1)采用Hypermesh软件对天线罩几何模型进行网格划分。罩体和腹板都采用壳单元处理，天线阵面作为等效集中质量施加到有限元模型中，最后获得的天线罩结构有限元网格模型如图4所示。导出含单元节点信息的bdf文件，并导入Patran软件。

图3 有限元建模与分析流程图

图4 天线罩有限元网格模型

2) 在Patran软件中对单元进行分组，施加位移和载荷边界条件。对于风洞试验获得的圆盘外表面气动载荷，通过二次开发程序插值于外表面每个单元，该程序可以考虑罩体在不同工况、不同转动角度下的气动荷载插值，并直接生成Patran可读取的场文件。图5为飞机下俯3°同时天线罩旋转至引风面时上表面的压力分布图，从图中可以看出其左右是对称的。导出含分组信息的ses文件及含单元节点信息的bdf文件，并导入Laminate Tools软件。

图5 罩体表面压力分布(单位：MPa)

3)在Laminate Tools软件中按照实际的复合材料铺层工艺顺序对单元进行铺层，定义各铺层的铺层顺序、铺层厚度、铺层范围、材料属性、纤维方向等信息属性，查看褶皱情况和三维铺层图。复合材料结构在铺层过程中最容易受到皱褶影响，对材料力学性能以及后续的工艺实现影响较大。因此可通过Laminate Tools软件的可视化铺层功能模拟真实铺层过程，通过显示的皱褶区域的大小验证铺层方案的合理性。图6为罩体0°纤维布铺设的2种不同方案，图中箭头1位置为初始铺设位置，箭头2方向为纤维铺设方向，区域1为铺层皱褶提示，区域2为铺层失效提示。比较这2种方案发现，第1种方案只在少数区域出现皱褶情况，而第2种铺层方案会直接导致大面积的铺层失效和铺层皱褶，因此分析时选择相对合理的第1种铺层方案。使用相同的方法，确定天线罩结构其它部分的铺层方案。最终铺层后天线罩结构罩体铺层爆炸图及三维显示图如图7和图8所示。Laminate Tools软件可考虑由曲面铺层纤维滑动引起的材料性能变化，准确得出皱褶区域的材料性能，并导入Nastran求解器中进行力学计算。

图6 2种铺层方案

图8 铺层结构三维显示

4)Nastran计算完成后可在Laminate Tools软件中进行多失效准则的结果显示，并输出结构安全裕度报告。同时，可输出每个铺层的几何形状和尺寸、展平图、纤维方向、铺层顺序等细节信息，便于后续的产品加工制造。图9为其中一个铺层的展平图。

图9 铺层展平图

Laminate Tools软件中可以使用多个失效准则进行失效分析，包括蔡-胡准则、蔡-希尔准则和霍夫曼准则。以蔡-胡准则为例，失效指数SF的公式[5]如下：

(1)

3 结果分析与减重优化设计

对天线罩结构在多种工况下气动载荷的作用进行分析，选取最危险的一个工况，其罩体和腹板的多准则失效指数云图如图10所示。由结果可以看出，失效指数较大部位主要发生在腹板和罩体相交的根部位置，最大值为0.63，说明结构是偏安全的。同时也可以看出，外边2个腹板大部分区域的失效指数都很小，起的作用不大。根据初步的计算结果，对天线罩结构进行减重优化设计，直接去掉外边2个腹板，并重新计算。减重后结构的多准则失效指数结果如图11所示，最大值为0.77，仍小于1，说明减重后的结构是安全的。

图10 罩体和腹板多准则失效指数云图显示(减重前)

图11 罩体和腹板多准则失效指数云图显示(减重后)

4 结束语

本文基于Laminate Tools软件对某雷达天线罩的复合材料结构进行了铺层设计、力学分析和失效判断，

并通过初步的仿真结果对天线罩进行了减重优化设计。验证了Laminate Tools软件结合有限元通用软件在复合材料设计、分析、检查、制造一体化流程中的可行性，对类似的复合材料设计有参考意义。后续的工作将进一步引进结构的拓扑优化设计思想，实现结构和材料并行的优化和设计流程。

[1] 张润逵. 雷达结构与工艺[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[2] 蒋庆全. 现代机载雷达天线罩技术发展综览[J]. 探测与定位, 2007(2):57-62.

[3] 刘捷, 赵志斌, 陈志刚. 大型机载雷达罩结构设计[J]. 电子机械工程, 2003, 19(2):1-2, 44.

[4] 梁斌, 陈志刚. 某机载雷达天线罩结构设计[J]. 电讯技术, 2011, 51(1):104-108.

[5] 沈观林, 胡更开. 复合材料力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.

费 莲(1981-)，女，工程师，主要从事机载雷达结构总体设计工作。

吴敬凯(1984-)，男，工程师，主要从事机载雷达结构总体设计工作。

孙明琦(1983-)，男，工程师，主要从事机载雷达结构总体设计工作。

梁震涛(1979-)，男，高级工程师，主要从事机载雷达结构总体设计工作。

Mechanical Simulation and Optimization Design of Airborne Antenna Radome Based on Laminate Tools

FEI Lian，WU Jing-kai，SUN Ming-qi，LIANG Zhen-tao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Due to the excellent physical and mechanical properties and designability, composites have been widely used in the radar radome. In order to study the integration feasibility of structure design, analysis and manufacturing for composites, in this paper the finite element modeling, mechanical simulation and visualization check of the composite structure of an airborne radar radome are carried out by virtue of the software Laminate Tools. The structure is optimized to reduce the weight based on the initial results. The results show that combining with the common software Patran / Nastran, a series of functions can be realized such as the layup of composites, 3D and wrinkles display, mechanical calculation, failure analysis and output of layer figures, etc. It provides a reference flow for integration design of the composite material.

antenna radome; composite material; mechanical simulation; visualization

2014-05-28

TB33

A

1008-5300(2014)04-0061-04