复合材料天线骨架结构设计

李潇峰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230000）

复合材料天线骨架结构设计

李潇峰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230000）

球载雷达对球上设备的重量要求严格，因此结构设计时应贯彻轻量化设计原则。为了达到设计要求，天线骨架采用轻质维复合材料以减轻重量。同时，利用有限元软件对天线骨架进行力学分析，在力学分析的基础上，充分利用复合材料的可设计性，设计并研制出符合要求的复合材料天线骨架结构。

球载雷达 复合材料 天线骨架

1　引言

球载雷达是一种空中平台监视系统。该系统利用系留气球作为平台，搭载专门研制的雷达升空，用以实现对远距离低空小目标的探测。为了尽可能增加气球的剩余浮力，提高气球空中工作的稳定性，结构总体设计时应贯彻轻量化设计原则，其中采用轻质复合材料设计制造球上设备是一种行之有效的方法。本文根据雷达系统的总体要求，结构设计时充分考虑质量、布局、体积等条件的约束，进行综合优化设计，最终采用复合材料设计制造天线骨架。

2　天线骨架结构设计

该雷达系统球上设备主要包括通侦设备、雷达设备、稳定平台以及作为承载结构的天线骨架。球上设备安装在气球整流罩内，通过稳定平台悬挂于气球的设备挂架。各天线设备则通过天线骨架悬挂在稳定平台下方。天线骨架作为系统的主承力结构及安装平面，要求其具有较好的刚度和强度。

根据系统设计要求，天线骨架为矩形平板结构，尺寸约为3000mm×1250mm，天线骨架正面安装通侦设备及雷达设备的天线阵面，同时天线骨架背面安装射频前端等其他设备。球上天线设备总重超过75kg，且总体重量（不包括稳定平台）要求小于110kg。综合分析以上需求，确定天线骨架选择复合材料进行设计，同时为了验证其可靠性，对其进行力学分析。

以天线骨架结构力学分析为设计依据，考虑现有材料的性能以及天线结构形式本身的特点，天线骨架的材料选择铝蒙皮-碳纤维/泡沫-蜂窝夹层结构，以提高天线骨架的整体刚度及稳定性，同时满足使用的需求。天线骨架的主体结构包括碳纤维/泡沫结构承力梁，铝蜂窝中间夹层以及覆盖在两者外表面的薄铝蒙皮，如图1所示。

碳纤维/泡沫结构作为天线骨架的主承力梁，对整体的刚强度及稳定性起到了至关重要的作用。梁结构内部为泡沫F50-50胶结而成的泡沫框架，框架外部缠绕5层厚度为0.2mm的碳纤维布，框架内部相应位置预埋预制的铝件作为稳定平台的安装接口。框架中间拼接厚度为50mm的铝蜂窝夹层，夹层内部同样通过预埋预制铝件的方式作为天线其他设备的安装接口。拼装完成后，在天线骨架的正反两面安装薄铝蒙皮，稳定平台与天线骨架的安装点通过厚铝件进行加固处理。

图1　天线骨架结构示意图

3　天线骨架力学分析

天线骨架的有限元建模首先采用CAD软件PRO/E建立详细的几何模型，然后使用Hypermesh对几何模型进行网格划分和网格优化，然后导入ABAQUS求解器进行求解。复合材料各组分的力学参数如表1、表2所示。

表1　铝合金、泡沫及碳纤维布力学参数

表2　铝蜂窝力学参数

计算过程中，模拟天线系统实际使用条件，稳定平台在最上端与天线骨架上相应的安装接口相连，计算时约束稳定平台最上端节点上所有自由度。有限元模型共1437865个节点，划分为1662341个单元，如图2所示。坐标原点取稳定平台转轴的最上端点，Z向为由天线阵面指向天线阵面背面方向，Y向为竖直向上方向，X向由右手定则确定。

由计算结果可知，天线骨架在工作状态沿OX轴横滚23°且受到法向（Z向）5m/s2过载时，结构发生最大变形，最大变形为5.3mm，最大变形位置出现在天线骨架底部；天线骨架在工作状态沿OX轴横滚23°且受到法向（X向）3m/s2过载时，结构产生最大应力，最大应力为34.1MPa。取安全系数1.5，则最小剩余安全裕度为1.5＞0，满足强度设计要求。

图2　天线骨架（含稳定平台）有限元模型图

4　结论

（1）经过力学分析，可以看出设计的复合材料天线骨架力学性能满足设计指标的要求，工作状态下结构的应力水平远小于材料的许用应力，最小剩余安全裕度较高，同时结构变形也可以满足使用要求。（2）通过实测可知，复合材料天线骨架总重量约为32kg，满足总体的重量要求，较金属铝合金制造的天线骨架减重超过40%，较好地达到了轻量化的设计目的。（3）在设计各个阶段充分运用经验分析、理论计算、试验测试等设计手段，不仅保证了整个设计过程沿着正确的方向进行，避免造成设计反复、浪费人力和物力，而且现代设计手段的应用有效提高了设计水平，很好地解决了该复合材料天线骨架结构设计中的各种难点。

[1]彭天杰.复合材料在雷达天馈系统结构设计中的应用[J].纤维复合材料，2008，（2）：18-19.

[2]万录明.雷达天馈系统轻量化技术[A]//第九届机械加工技术学术年会论文集[C].2004.

[3]李顺林.复合材料工作手册[M].北京：北京航空工业出版社，1988.

Design of Composite Aantenna Framework Structure

LI Xiaofeng
(the thirty-eight h Institute of China Elect ronic Technology Group Corporation, Hefei 230000)

In order to meet the design requirements, the design principles of lightweigh t design should be carried out in order to meet the design requirements. At the same time, the finite element software the mechanical analysis of the antenna frame. The mechanics analys is bas ed on, make full us e of composite design, designed and developed in line with the requirements of the composite antenna framework structure.

Ball borne radar, composite, antenna framework