某型车载短波天馈线系统天线杆断裂问题剖析

2017-11-17孙明亮黄云

电脑知识与技术 2017年30期

关键词：断裂验证机理

孙明亮++黄云

摘要：针对某型车载短波天馈线系统天线杆断裂问题，查找原因，分析机理，制定措施，试验验证，使其断裂问题得到了有效解决。

关键词：天线；断裂；原因；机理；措施；验证

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0227-02

1 问题的提出

2017年6月，2套某型车载短波天馈线系统随车进行+70℃高温贮存试验后，外观检查时发现2台车上天线杆均断裂。

经查，2根断裂天线杆均为2012年生产的产品。2012年3月，因天线杆断裂问题严重，已通过整改使问题得到了解决。但因情况特殊，没有对该2套试验用的天线予以更换，从而造成了这次天线杆断裂问题的发生。

2 故障机理分析

1）断裂处受力分析

图1 天线安装示意图

从天线安装示意图可见，玻璃钢鞭体在使用状态下弯曲成半圆周（弧），直径为2500mm（按电小环天线计算此时辐射效率达到最佳）。按技术要求，该玻璃钢鞭体既可工作在半环无盲区状态（0-1000Km通信）、也可工作在直立状态（大于1000Km通信）。为此，制作复合材料所形成的自然形状为直立鞭状，其复合材料形成后的机械强度特性应具备良好的弹性。玻璃钢从直立弯曲到半环的过程，也就是内应力从零逐渐增大的过程。由于半环两端弹簧和万向节的缓冲作用，两端玻璃钢鞭体弯曲的曲率没有中间两节大，内应力也较中间两节小许多，中间两节的弯曲没有任何缓冲，完全依靠自身的弹性模量来支撑所需的弯曲曲率，所以，中间区域是内应力的集中范围，也是最大范围。

依据法国TERC公司陆军HADES项目设计，SAMCEF有限元方法计算机仿真计算结果图（来自TERC公司产品介绍资料）如下：

应力仿真图（2、3）可以看到，不同的色谱代表着不同的应力，色谱的深浅（无色时的黑和白）代表着应力的大小。可以直观地看到，沿半环复合鞭体每一微分截面所受到的应力都不是单一的，而且沿半环所受应力并不均匀。

图中：ΣF —— 弯曲力；

ΣF1 —— ΣF在水平方向上的分力（拉应力和压应力）；

ΣF2 —— ΣF在垂直方向上的分力（剪切力）；

θ —— 弯曲力与其分力的夹角；

ΣE —— 抗弯力矩；

Φ —— 玻璃钢复合体最大外径（微分截面最大力臂长）。

实际受力测量数据：

ΣF= 102.9 N ； θ= 10.425°； Φ=17.3mm

ΣF1 = ΣF * COSθ =101.2 N ；

ΣF2 = ΣF * SINθ = 18.62 N ；

ΣE = ΣF * Φ =1780.17 Nmm 。

從断裂范围受力数据可看出，弯曲时鞭体受到的是复合力冲击，从力的分解可知，水平方向的力大于垂直力，对断裂造成的影响较大，压应力和拉应力互为支点、大小相等、方向相反，弯曲中的玻璃钢鞭体主要受到拉应力ΣF1、压应力ΣF1、抗弯力矩 ΣE这三个内应力以及丝杆顶端与玻璃钢结合部在弯曲中形成的支点力和力矩这两个外力，复合后形成断裂的破坏力。

2）原因分析

为保证天线在半环状态下正常使用而不出现断裂现象，需要弯曲状态玻璃钢鞭体的抗弯强度应高于复合后的破坏力。经试验验证，通过提高玻璃纤维丝纤维密度、控制胶液与玻璃纤维丝复合均匀度及玻璃钢复合体密度能有效提高天线杆抗弯强度。据此，对断裂天线杆进行分析判断，造成天线杆断裂的主要原因如下：

（1）断裂处正好是整个弯曲玻璃钢鞭体的最大复合应力处，而该处的玻璃钢体在制作过程中纤维密度不够。

（2）胶液与玻璃纤维丝在形成复合体的过程中，由于胶液的稀稠度和胶液调制后固化时间的控制工艺没有固化，造成胶液与玻璃纤维丝之间融合不均匀，刚调制好的胶液流动性好，与纤维丝融合好，胶液中固化剂随着时间的推移，胶液流动性变差，融合变差。

（3）压制模具孔径不一致，使合模后压力不一致，造成形成的玻璃钢复合体密度不一致，抗弯强度不同，密度太高的复合体刚性过高，脆性加大，抗弯强度降低。

3 整改措施

经对产品进行全面的分析、检查，制定了工艺改进和模具更换等整改措施。主要措施如下：

（1）绕制专用设备改造；

（2）调整对玻璃钢复合体有直接影响的辅助添加剂配方；

（3）应力薄弱点的设计改进；

（4）生产环境改造（解决季节温差的影响）；

（5）胶液流动性控制工艺，建立定量工艺制度；