弹载SAR波导断裂故障分析*

程 林，彭 超，胡劲松

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

弹载SAR波导断裂故障分析*

程 林，彭 超，胡劲松

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

针对弹载SAR波导断裂故障，从传力路径分析入手排查故障原因。通过故障机理分析寻求解决方案，并通过环境适应性力学仿真验证改进措施的有效性。分析结果表明，采用90°E弯软波导代替硬波导实现变形协调，断开硬波导之间的传力路径，波导组件内部应力降低为原来的1/3左右；软波导的弯曲刚度远低于拉伸刚度，采用弯角软波导比直线软波导更有利于变形协调。

故障；软波导；变形协调；传力路径

引 言

弹载SAR在发射和再入阶段历经高过载、强振动和宽温的环境条件，恶劣环境条件对结构环境适应性设计提出严重考验[1]。结构优化设计包含尺寸优化、几何优化(形状和位置)、拓扑优化以及结构布局优化(结构选型)等方面内容[2]。拓扑优化是结构优化的较高层次，当前通常采用2种途径描述拓扑优化：一种是针对桁架结构基结构法；另一种是针对连续体结构的均匀化法[3]。

波导组件属于高精度微波器件，传统的仅依靠增加结构刚强度的方式并无法解决结构安全性问题，有效的解决措施是改变或断开传力路径。软波导内壁呈波纹结构，具有很好的柔韧性，能够承受复杂的弯曲、拉伸和压缩，在航天产品上得到了广泛应用[4]。软波导主要具有2大作用：一是用于消除硬波导之间的装配误差；二是利用可变形性，实现对反射器或馈源组件的指向微调。

1 弹载SAR伺服平台

1.1 结构简介

弹载SAR伺服平台包括平板裂缝天线、方位旋转、俯仰旋转、波导组件、U型框架和基座等，伺服平台结构如图1所示。波导组件为矩形波导，波导折弯处通过90°圆角E弯过渡。

图1 伺服平台结构

1.2 故障机理分析

弹载SAR导引头在进行综合试验时，发现伺服平台俯仰旋转关节出口连接波导根部有裂纹，拆卸下来后发现波导法兰盘与波导管连接处已断裂。经初步判断，波导断裂是由于波导两端相对变形过大造成的。波导一端与伺服平台基座通过法兰连接，另一端与U型框架支臂通过波导夹连接，伺服平台在进行横向、法向过载和振动试验时，由于框架结构横向、法向刚度不足，引起波导两端相对变形过大，波导根部应变能过大，导致波导断裂。为了定位故障原因，对照试验条件进行过载和随机振动力学分析，并寻求解决方案。

1.3 改进措施

为了改善波导两端相对变形过大的问题，考虑在U形框架支臂和基座顶部之间增加一段软波导，从而降低硬波导两端的相对位移，降低硬波导根部应变能。本解决方案在软波导安装和使用过程中需注意以下特点：

1)软波导弯曲刚度远低于拉伸刚度，相比直波导，采用弯角软波导更有利于变形协调；

2)软波导安装时，尽可能使软波导的宽面法向与存在最大位移差的方向一致；

3)尽可能使软波导与法兰连接的区域保持平直，避免装配时在与法兰连接位置软波导局部出现较大曲率的弯曲；

4)软波导长度要合适。软波导过长会导致悬空部分质量过大；软波导过短容易造成其与法兰连接位置局部曲率过大[5]。

综合考虑以上情况，将波导组件的90°圆角E弯段改为软波导连接。

1.4 工况分析

(1)工况1：加速度过载分析

表1 加速度过载条件

轴向最大加速度出现于二级飞行阶段，横向、法向最大加速度出现于再入段。

(2)工况2：随机振动分析

图2所示为主动段随机振动激励曲线，均方根加速度grms= 10.5g。

图2 随机振动激励曲线

2 有限元仿真

2.1 硬波导连接方案

2.1.1 加速度过载分析

图3所示为采用硬波导连接时加速度过载分析结果，表3为加速度过载分析结果汇总。导引头轴向刚度较高，波导变形和应力均较小，横向过载时波导最大应106.9 MPa，位于圆角E弯内侧，法向过载时波导最大应力为86 MPa，位于直角E弯内侧；波导在横向过载时变形最大，最大变形为4.84 mm，位于圆角E弯端连接法兰处。

图3 硬波导连接时加速度过载分析

过载方向应力/MPa变形/mm轴向17g34.80.26横向43g106.94.84法向43g864.4

2.1.2 随机振动分析

图4所示为采用硬波导连接时振动分析结果，表3为振动分析结果汇总。横向振动时波导最大1σ应力为25.8 MPa，位于圆角E弯内侧，法向振动时波导最大1σ应力为38.3 MPa，位于直角E弯内侧；波导在横向振动时变形最大，最大变形为0.89 mm，位于圆角E弯端连接法兰处。

图4 硬波导连接时振动分析

振动方向应力/MPa变形/mm轴向8.70.38横向25.80.89法向38.30.72

2.1.3 小结

波导材料为3A21-H112的铝合金，材料破坏强度σb≥ 100 MPa，波导在横向过载时最大应力为106.9 MPa，在法向振动时3σ应力为114.9 MPa，波导均将发生破坏。

2.2 软波导连接方案

2.2.1 加速度过载

图5所示为采用软波导连接时加速度过载分析结果，表4为加速度过载分析结果汇总。

导引头轴向刚度较高，波导变形和应力均较小，横向过载时波导最大应力12.8 MPa，位于圆角E弯内侧，法向过载时波导最大应力为28.5 MPa，位于直角E弯内侧；波导在横向过载时变形最大，最大变形为4.4 mm，位于圆角E弯端连接法兰处。

图5 软波导连接时加速度过载分析

过载方向应力/MPa变形/mm轴向17g1.560.26横向43g12.84.4法向43g28.53.7

2.2.2 随机振动分析

图6所示为采用软波导连接时振动分析结果，表5为振动分析结果汇总。横向振动时波导最大1σ应力为4.1 MPa，位于圆角E弯内侧，法向振动时波导最大1σ应力为12.1 MPa，位于直角E弯内侧；波导在横向振动时变形最大，最大变形为0.89 mm，位于圆角E弯端连接法兰处。

图6 软波导连接时振动分析

振动方向应力/MPa变形/mm轴向4.80.38横向4.10.89法向12.10.73

2.2.3 小结

波导在法向过载时应力最大，最大应力为28.5 MPa；波导在法向振动时1σ应力最大，最大3σ应力为36.3 MPa，均位于直角E弯处。将波导圆角E弯改成软波导过渡时，波导最大应力下降为硬波导连接时的1/3，且均远低于材料破坏强度，改进措施有效。

3 结束语

通过对弹载SAR伺服平台进行加速度过载和随机振动力学分析，开展波导组件断裂故障机理分析和改进措施验证，优化波导组件传力路径，并建议采用软波导进行90°圆角E弯过渡，有如下结论：

1)软波导由于其可变形特性，除了馈线组件间进行变形协调，同时具有断开传力路径的功能，保证波导结构安全性；

2)为了减小软波导与法兰和硬波导等部件在连接时的根部应力，通常采取的措施是在软波导与法兰连接处包覆软材料，从而将软波导局部弯曲变形化为整体均匀弯曲变形，从而达到降低应力的目的；同时软波导的弯曲刚度远低于其拉伸刚度，利用其易于弯曲性能在合适位置布置弯曲软波导，对于变形协调具有事半功倍的效果。

[1] 程林. 弹载SAR伺服控制焊点故障分析[J]. 电子机械工程, 2015, 31(6): 11-14.

[2] 邓扬晨, 邱克鹏, 张卫虹, 等. 基于传力路径下结构优化设计研究[J]. 机械科学与技术, 2003, 22(4): 622-626.

[3] 段宝岩. 天线结构分析、优化与测量[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1998.

[4] 杨新华, 杜鹏. 软波导烧毁原因的分析[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2014(6): 30-33.

[5] 王辉, 梁云. 提高软波导抗力学性能的方法研究[J]. 空间电子技术, 2014(3): 40-42.

程 林(1979-)，男，高级工程师，主要从事雷达结构力学仿真工作。

Faults Analysis of Waveguide Breaking for Missile-borne SAR

CHENG Lin，PENG Chao，HU Jin-song

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Based on faults of waveguide breaking of missile-borne SAR, the failure causes are found through the analysis of load path. The solution scheme are found through the analysis of fault mechanism, the improvement measures are evaluated valid through the mechanics simulation of environmental adaptability. The results show that: The deformation compatibility is achieved through replacing rigid waveguide to flexible waveguide. The stress of waveguide is one-third times as much as primary project through breaking load path of rigid waveguide. Because the tension stiffness of flexible waveguide is far less than bending stiffness, the bending angle flexible waveguide is advantaged to deformation compatibility than line waveguide.

faults; flexible waveguide; deformation compatibility; load path

2016-10-21

TH165；TP391.9

A

1008-5300(2017)02-0044-04