天线阵面包装箱设计方法研究*

王 超，顾叶青

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

天线阵面包装箱设计方法研究*

王 超，顾叶青

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

天线阵面包装箱结构相对简单，但需要满足多种性能要求。文中研究了某大型天线阵面包装箱的结构形式及设计方法。首先对工程上常用的几种包装箱的结构形式进行了详细介绍，然后从外形设计、承载性能、周转方便性、环境适应性等方面对天线阵面包装箱的设计方法进行了阐述，并对分析的包装箱提出了改进设计方案，最后对包装箱设计中需要注意的铭牌标识、干涉检查、配合尺寸等需要重点关注的细节问题进行了进一步探讨。

天线阵面；包装箱；设计方法

引 言

天线阵面包装箱需在满足运输条件的前提下保证产品在运输、装卸及存放过程中不受到损伤。具体要求有：具有足够的刚强度，确保天线在吊装、运输等过程中不降低阵面精度、不损坏阵面；应设计合适的接口以便于天线吊装和运输；需满足环境适应性的要求，如具有良好的密封性以保证天线在运输和存放过程中有较好的防雨和防沙性能；应设置保护装置，以保证天线在包装、运输和吊装过程中不与包装箱盖等零件发生碰撞；应有合理的工艺性，使其具有可多次重复使用、便于固定天线阵面等性能。

天线阵面包装箱的结构虽然相对简单，但设计中需要综合考虑的因素较多，只有全面考虑各种因素，才能设计出性价比高、方便耐用的天线阵面包装箱。本文旨在通过介绍和探讨天线阵面包装箱的基本设计方法，为相关研究和设计工作提供参考。文中介绍了天线阵面包装箱的基本结构形式，详细分析了天线阵面包装箱的设计方法，并对阵面包装箱设计中需要重点关注的问题进行了深入探讨。

1 包装箱的结构形式

根据被运输对象的重量、体积、精度、耐候性等要求的不同，目前应用较多的包装箱形式有如下几种[1]：

1)木质包装箱。木质包装箱是最传统的包装箱结构形式，因原料容易取得、成本低廉、制作方便等优点而被广泛应用于设备重量较轻、对运输环境要求不高或运输时存放环境已配备必要的环控装置的场合。但这种包装箱频繁周转时容易损坏，使用寿命短，易燃，受潮易变形，易遭腐蚀，必要时得采取阻燃防潮措施[2]。

雷达上结构较简单的天线罩、重量较轻的有源子阵等多采用这种木箱加内衬的包装形式，有些精密设备需对包装箱骨架和内衬进行详细设计以满足运输、刚强度、振动特性等要求[3]。

2)钢木包装箱。钢木箱一般先用型材焊接成框架，再在框架的外表面加装胶合板作为挡板，然后用螺栓连接成一个封闭的包装箱。这种包装箱强度高，结构简单，制作方便，成本低廉，可通过合理存放节约空间，但拆箱麻烦，受潮易变形，易遭腐蚀。这种包装箱一般适用于质量较大、周转次数相对较少的场合。

3)钢制包装箱。这种包装箱刚强度性能优良，具有较好的密封性，可长期重复使用，但都比较笨重，且占用空间大，回空运输费用高。不过，随着技术的发展，出现了可折叠或可拆解的钢制包装箱，可大幅降低回空运输费用。在有些包装箱的设计中，考虑到包装箱盖的非承载性能等特点，采用了复合材料的设计方案[4]。由于天线阵面在运输过程中对包装箱的刚度性能、电性能、防雨防沙性能要求严苛，因此这种钢制包装箱在天线阵面转场运输等环节中得到了广泛运用。本文也主要针对这种包装箱形式进行研究。

2 天线阵面包装箱的设计方法

为了方便阵面的安装和吊装，一般将包装箱设计成底部框架和上部箱盖2个部分。由底部框架和上部箱盖组成的包装箱应使阵面具有良好的环境适应性，以免受雨水、沙尘、太阳辐射等的影响。底部框架为包装箱的主承载结构，且与阵面有良好的接口。某阵面包装箱底部框架及整体结构的形式如图1所示。

图1 包装箱底部框架及整体结构

设计天线阵面包装箱时需对其承载性能、对外接口精度、防雨防沙性能、阵面防撞保护等进行详细设计。下面以图1所示的某大型相控阵天线为研究对象，对包装箱的设计方法进行阐述。

2.1 外形设计

在对天线阵面的包装箱进行设计时，首先需根据阵面运输条件(公路运输、铁路运输等)确定包装箱的设计边界，并在此基础上根据被运输阵面的外形，设计出满足刚强度性能、周转方便性、造型美观的包装箱。

2.2 承载性能设计

包装箱的底框为阵面转场、运输等工况下的主要承载结构，因此需对其承载性能进行深入分析[5-6]。图1所示的包装箱框架由矩形截面型钢焊接而成，在与阵面安装的接口位置处焊接一块较厚的钢板，对其上表面进行精加工，并加工出阵面安装接口。

该包装箱底框和箱盖总重约8 t，其运输的阵面重量约32 t。这里主要分析包装箱在吊装和运输过程中在冲击载荷作用下的刚强度性能及其对阵面性能的影响。通过有限元法建立的有限元模型如图2所示。

图2 包装箱刚强度分析模型

2.2.1 吊装工况

在这种工况下，除了分析阵面和包装箱自身重力的影响外，还需考虑吊装过程中由速度变化等因素引起的动载荷。图3和图4分别为分析得到的包装箱底框在吊装载荷作用下的变形图和应力分布图，其最大变形为2.6 mm，最大应力为134.2 MPa。

图3 包装箱底框的变形分布(单位：mm)

图4 包装箱底框的应力分布(单位：MPa)

2.2.2 冲击工况

该工况考虑在运输过程中由路面不平等因素引起的冲击载荷对阵面及包装箱刚强度性能的影响。分析得到包装箱底框在冲击载荷作用下的变形和应力分布，如图5和图6所示，其最大变形为16.5 mm，最大应力为330.8 MPa。

图5 包装箱底框的变形分布(单位：mm)

图6 包装箱底框的应力分布(单位：MPa)

2.2.3 结构改进设计建议

根据包装箱在吊装及冲击载荷工况下的变形和应力分布情况，对其结构提出如下改进设计方案(见图7)：需较大幅度地增强吊装用4个支耳及其附近梁结构的刚度及强度(支耳厚度增加50 mm)；适当增强两侧长纵梁的刚度(箱梁的两侧板厚度增加4.5 mm)；适当增强其车载安装支点附近处2根横梁的刚度及强度(箱梁的两侧板厚度增加4.5 mm)；在纵横梁交错形成的框架连接点处设计斜支撑。

图7 包装箱底框的改进设计方案

采用上述改进设计方案后的包装箱底框在吊装载荷作用下的最大变形为2.0 mm，最大应力为63.0 MPa；在冲击载荷作用下的最大变形为10.1 mm，最大应力为160.4 MPa。由此可见，在2种载荷工况下包装箱的最大变形降低约30%，最大应力降低约50%，说明改进设计方案有效地改善了包装箱的承载性能。

2.3 周转方便性

设计时应根据阵面在运输过程中所受的载荷特点合理布置阵面与包装箱的安装点，使两者在运输过程中受力均匀，同时还应充分考虑安装点位置紧固件的操作空间，便于钳工进行操作。另外，大型阵面的重量一般少则十几吨多则几十吨，在吊装阵面的过程中其微小的惯性加速度都将产生很大的惯性力，因此需在阵面或包装箱上设计足够刚度的定位销以实现精准快速定位。在有些情况下，大型阵面与包装箱安装面平行的面不是平整的，而是有水管、水嘴、电缆等设备突出，因此在设计时需为这些突出部件预留足够的空间并采取一定的保护措施。

设计包装箱盖时还需考虑包装箱盖在装配过程中有可能对被运输的天线阵面产生磕碰的情况。目前解决这一问题的主要方法有：在包装箱盖内部铺设一层弹性材料以降低两者之间的撞击载荷；在被运输阵面或包装箱盖上设计结构件来保证在装配过程中两者之间不发生直接接触；在包装箱盖上预留绳索安装接口，在安装箱盖的过程中通过拉风绳来减小阵面的抖动。

2.4 环境适应性

多数阵面在运输过程中有防雨、防沙的需求[7]，因此在设计阵面时应使其具有良好的密封性。包装箱盖与包装箱安装端面应设计合理的密封条，以使包装箱具有好的密封性，并综合采取赌疏相结合的措施，如采用防雨檐和导液槽(出口处应有过滤装置以防止沙尘进入)等，在包装箱交付前应进行淋雨实验以验证其密封性能。

为防止其在使用过程中出现锈蚀等现象，并考虑到产品交付时的一些外观要求，在包装箱交付前还应对其表面进行涂覆处理[8]。

2.5 设计中需要注意的其它问题

1)需合理设计漏水孔。对于图1所示的包装箱结构，一般需在其底框上加工出包装箱盖的安装孔，或者需预留出阵面突出部件的空间，这样由其矩形截面焊接而成的底框就不是一个密封的环境，在长期使用过程中就会使箱梁内出现积水，因此设计时应在各箱梁的合适位置预留漏水孔，并对箱梁内过水表面进行防腐处理。

2)应在包装箱上注明必要的信息标识。这些信息标识主要包括包装箱的名称、图号、批次号等信息，包装箱的前后上下等标识信息，包装箱盖的吊装点，安装阵面后的包装箱吊装点等。

3)应消除阵面与包装箱底框间的干涉。如果阵面与包装箱间存在干涉，就难以在阵面平放到底框上后对其进行固定、检查、清洁、维修等工作。

4)包装箱盖与底框间的连接孔需留有足够余量。由于箱盖的刚度远低于底框，因此长时间使用后可能会出现箱盖与底框间安装孔错位的现象，进而影响阵面密封性等性能。

3 结束语

包装箱为阵面等精密设备的运输载体，对其进行合理设计可对设备起到很好的保护作用，提高现场操作的方便性和安全性以及工作效率。

[1] 董慧慧. 平板玻璃用钢制包装箱设计及研制[D]. 天津: 天津大学, 2012.

[2] 何淑芬, 王伟. 弹药木包装箱阻燃处理的研究[J]. 包装工程, 2011, 32(23): 20-22.

[3] 机载电子设备的缓冲包装[J]. 电子机械工程, 2002, 18(4): 46-48.

[4] 常跃东. 复合材料包装箱的研制与应用[J]. 航天返回与遥感, 2000, 21(4): 42-45.

[5] 赵子东, 张建礼, 刘兴民, 等. 基于有限元分析的某型弹药包装箱结构优化设计[J]. 包装工程, 2013, 34(11): 59-62.

[6] 何自芬, 张印辉. 基于有限元法的包装箱抗压性能研究[J]. 包装工程, 2009, 30(3): 39-41.

[7] 孔振, 李辉, 曹雪峰. 减振密封包装箱设计及实验分析[J]. 包装工程, 2014, 35(3): 128-131.

[8] 吴键. 军用隐身包装箱设计构想[J]. 包装工程, 2008, 29(7): 88-90.

王 超(1984-)，男，工程师，博士，主要从事大型天线阵面结构设计工作。

Research on Design Methods of Packing Chest of Antenna Array

WANG Chao，GU Ye-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Although the packing chest of the antenna array has a relatively simple structure, it needs to meet a variety of performance requirements. The structural style and design methods of the packing chest of a large antenna array are studied in this paper. Firstly, the typical structural styles of the packing chest are introduced. Then the design methods of the packing chest are described in detail from the shape, load bearing performance, transfer convenience and environmental adaptability. And some improvement designs are proposed. Finally some details in packing chest design are proposed, such as tags, interference check, size et al.

antenna array; packing chest; design method

2016-08-09

TN82

A

1008-5300(2016)06-0041-04