Q/V频段波导法兰塑性变形研究

刘江涛,张保,张梓杰,曹健,董锋

（中国空间技术研究院西安分院,西安 710100）

0 引 言

Q频段指33～50 GHz，V频段指50～75 GHz。Q/V频段作为毫米波频段中最适合开展卫星通信业务的频段，该频段的通信载荷已开始逐步进入商业卫星市场[1]。Q/V频段是未来高通量通信卫星和超高通量通信卫星馈电链路使用频段。微波无源产品是卫星有效载荷的关键部件之一，常用的微波无源产品包括滤波器、多工器、开关等。波导法兰是无源产品内部及产品相互之间相互连接的接口，法兰的强度关系到连接是否可靠，进而影响无源产品单机性能及系统系能。Q/V频段无源单机作为通信卫星主要有效载荷应用会越来越广泛。

1 问题背景

图1为某型号Q/V频段耦合器结构设计形式，耦合器中间需要开窗以方便腔体内的特征加工。窗口设计堵板，内腔加工完成后使用钎焊工艺将窗口封闭。常用的满足钎焊焊接要求的材料有铜、防锈铝、殷钢等，单机设计从减重方面考虑材料选用防锈铝3A21。结构设计时按照通用Q/V法兰标准厚度进行设计。在实验过程中发现法兰强度不足，法兰面产生了塑性变形，两法兰接触面间的压强由于法兰塑性变形而减小，连接可靠性降低，影响单机性能可靠性。

图2显示了较低频段波导法兰及Q/V频段波导法兰的结构形式。从法兰结构上可以看出，Q/V频段之前的各频段常用法兰大面均为平面形式，两法兰对接紧固时压力在法兰面均匀分布，两法兰面之间没有间隙，不会引起法兰变形。Q/V法兰为了增大接触面压强，中间设计有圆形凸起，两法兰对接时法兰大面间会形成1.6 mm的间隙，当法兰紧固力矩过大时，超过材料的屈服极限，法兰就会产生塑性变形。

图1 Q/V频段耦合器及法兰受力变形示意图

图2 法兰结构示意图

2 解决方法

通过分析，决定法兰变形的因素主要是法兰受力及法兰强度。其中法兰受力取决于紧固螺钉的拧紧力矩，影响法兰强度的因素主要是材料本身的力学性能和法兰结构形式，如厚度等。本研究从减小拧紧力矩、增加法兰厚度、更换高强度材料三方面措施入手，尝试解决法兰塑性变形问题。

2.1 减小拧紧力矩

Q/V法兰中间凸台的设计目的是为了增大接触面的压强。查阅相关资料压强大于35 MPa认为满足要求。Q/V频段波导法兰拧紧螺钉为4颗M3圆柱头内六角螺钉，目前法兰螺钉拧紧力矩按照1.3 N·m执行，按照式（1）计算出每颗螺钉施加给法兰的力，在1.3 N·m力矩的条件下单颗螺钉压力约2166 N，根据凸台面积计算出Q/V频段法兰接触压强约78.8 MPa，远超35 MPa。根据分析结果法兰大部分区域均超过了材料的塑性极限，见图3。

式中：T为力矩，N·m；K为拧紧系数，取0.2；D为公称直径，m；F为力，N。

图3 法兰塑性变形分析结果

对于Q/V频段法兰，在满足压强的前提下应减小法兰紧固力矩，防止过要求、过设计。考虑到加工误差、操作误差等因素，法兰面压强值需要留有一定余量。本研究选取0.8 N·m的力矩进行计算，计算结果为法兰凸台面压强约为48.5 MPa，压强余量充足，满足使用要求，暂时确定为Q/V法兰拧紧力矩，在下文结合材料、厚度等进行仿真分析。

2.2 增加法兰厚度

对于防锈铝3A21法兰，应用有限元仿真的方法进行分析，在紧固力矩0.8 N·m的条件下调整法兰的厚度，寻找不发生塑性变形的法兰厚度。

通过分析，当法兰厚度为5.2 mm时（图4），凸台和法兰大面结合处发生局部塑性变形，可以认为是应力集中的结果，法兰正面未发生明显塑性变形。法兰背面区域应力较大，处于塑形变形临界区域。当法兰厚度增加到5.7 mm时（图5），应力情况明显改善，正面只有凸出与大面结合处产生部分塑性变形，背面只有直角区域应力比较大，均为应力集中的结果。

图4 防锈铝，法兰厚度5.2 mm，力矩0.8 N·m应力分布

图5 防锈铝，法兰厚度5.7 mm，力矩0.8 N·m应力分布

2.3 更换高强度的材料

防锈铝材料作为结构件强度较弱，常用的其他材料如硬铝2A12、黄铜、电铸铜的强度要高于防锈铝，并且黄铜和电铸铜也具有可焊接性能，故选择以下3种材料进行研究。徐良朗等[2]研究了脉冲电铸铜的性能，其抗拉强度位于390～680 MPa之间。李智等[3]研究了直流电铸铜的性能，其抗拉强度平均值约为400 MPa之间。电铸铜的力学参数与黄铜类似，有限元分析和实验验证可参考黄铜进行。

图6为材料硬铝2A12 H112法兰厚度为3.7 mm时的分析结果，法兰大面未见塑性变形区域，仅凸台与大面结合处有轻微塑性变形。图7为法兰厚度为4.2 mm时的分析结果，应力进一步改善。

图8为黄铜法兰厚度3.2 mm时的应力分布，法兰背面部分区域应力较大。当法兰厚度增加到3.7 mm时（图9），

图6 硬铝2A12，法兰厚度3.7 mm，力矩0.8 N·m应力分布

图7 硬铝2A12，法兰厚度4.2 mm，力矩0.8 N·m应力分布

图8 黄铜，法兰厚度3.2 mm，力矩0.8 N·m应力分布

法兰强度满足要求。

3 实验验证

根据以上有限元分析结果，输出结构图样，对Q/V频段法兰进行了结构件的加工。分别验证不同法兰厚度、不同法兰材料的性能。

图10 不同材料及厚度法兰实验件

表1 法兰加载-卸载后变形量

从实验结果看，卸载后法兰均有一定的残余变形，材料为3A21、法兰厚度为5.7mm时的残余变形为0.0007mm；材料为2A12、厚度为4.2时的残余变形为0.0005mm；材料为纯铜、法兰厚度为4.2 mm时的残余变形为0.0004 mm；材料为黄铜、法兰厚度为3.7 mm时的残余变形为0.0002 mm。考虑到测量时的误差，认为上述法兰均消除了塑性变形。

4 结论

通过分析和实验验证，对于Q/V频段波导法兰设计建议如下：1）材料为防锈铝3A21 H112时，法兰厚度5.7 mm；2）材料为硬铝2A12 H112时，法兰厚度4.2 mm；3）材料为黄铜H62 Y2/电铸铜时，法兰厚度3.7 mm。

[参考文献]

[1] 左朋,潘琳,马尚.Q/V频段通信载荷初步分析[]J].空间电子技术,2017(1):31-37.

[2] 徐良朗.超细晶铜的电铸工艺优化研究]D].南京:南京理工大学,2006.

[3] 李智.毫米波器件关键制造技术研究]D].南京:南京理工大学,2012.