某车载一体化共形天线骨架设计*

靳含飞

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

引 言

随着军工电子产品集成化程度越来越高，结构/热等多功能一体化结构应用越来越广泛[1-4]。天线阵面骨架是某车载机动相控阵设备收发组件、天线单元等设备的主承力结构，为天线、收发组件等提供结构所需的刚强度，确保天线在各种工作模式下的平面度及指向精度。同时阵面骨架亦为系统液冷管网的核心组成部分及内嵌流道，负责将冷却液合理分配至收发组件、电源等单机。单机热量通过水冷板与冷却液高效换热，保证发热器件工作在合理的温度范围内，确保系统任务的可靠性。

本文从设计需求出发，提取了产品的关键需求，总结了产品结构、热设计的主要特点，提出了一种机热高度耦合的阵面设计方案，从系统架构、结构设计、热设计等多个方面进行论证分析，并采用有限元法对系统静力学、动力学及热性能进行了仿真评估。文中提出的多功能一体化设计方法可为后续型号的轻量化、集成化设计提供参考。

1 系统结构设计

1.1 总体布局设计

对阵面和车体进行一体化共形设计。天线阵面纵切面呈n形，天线主体尺寸为8 m×2.5 m。要求骨架质量≤1.2 t，天线静态变形≤0.5 mm，在运输振动条件下动态变形≤5 mm，安装骨架刚强度要求高。

全阵分为24个区，前4区为收发天线，后20区为接收天线，每个区由15个天线组件组成（天线组件为外场最小可更换单元）。整车结构布局如图1所示。

图1 整车布局设计

1.2 一体化骨架结构设计

阵面骨架主要由28块L型共形冷板（6块发射冷板和22块接收冷板）、1根顶部纵向大梁、4条供/回水管和1个互联结构件组成。

天线一体化骨架采用桁架式结构设计，由舱顶部纵梁、28块L型冷板等拼装而成，整体安装在车载平台上。左右两侧各14块L型冷板沿车体左右对称布置，冷板通过两端的法兰分别与顶部纵梁和车体平台相连。28块L型液冷板既是天线组件的安装基础，也是环控管路的一部分。天线舱左右两侧紧靠支撑腿各布置一条主管路，分别负责左右两侧天线组件和收发电源的冷却。一体化共形天线骨架的布局如图2所示。

图2 天线骨架布局

1.3 共形冷板设计

全车共28块L型一体化共形冷板，其中发射组件区有6块，接收组件区有22块。发射组件为穿通式液冷，每块发射L型一体化共形冷板为15个组件提供流量分配，冷板与组件之间采用软管互联。冷板采用Al6061（T6）铝合金焊接成型，焊后进行固溶强化处理，确保结构具有足够的刚强度。冷板两端通过法兰与整车大梁及车体互联。

一体化接收共形冷板的设计架构与发射冷板相同，成型方式也类似。与发射冷板不同的是，接收组件采用热传导散热方案，组件通过导热衬垫消隙后直接与L型冷板贴装导热。

1.4 组件维修性设计

系统布局充分考虑维修性，应便于自身的拆装和维护，做到可达、可修，且不影响雷达设备的维护。系统外场可更换单元包含发射组件、接收组件及电源模块。发射组件先与天线单元进行集成安装与调试，再与L型冷板安装。维修时先断开2个快速水接头以及电连接器，松开4颗M6松不脱紧固件即可实现快速拆卸（图3），方便快捷。接收组件除无需拆装水接头外，其维护过程与发射组件相同。

图3 组件维修

2 力学仿真分析

2.1 建模简化

考虑到计算规模，在不影响仿真精度的前提下，对结构模型进行简化处理。去除一体化共形冷板线槽盖板及附件等对结构影响不大的特征，保留共形冷板内部流道、冷板加强筋、穿线孔及共形冷板与纵向大梁连接部位的结构特征。对于一体化共形冷板、顶部大梁、侧部大梁和收发子阵，采用壳单元+结合单元混合建模方式进行简化。

2.2 仿真工况

主要分析设备在自重、运输随机振动和运输冲击3种条件下的应力和变形。冲击振动按后锋锯齿波、冲击量级20g和11 ms执行。随机振动参照GJB 150.16A—2009组合式双轮拖车振动谱线执行。

2.3 边界约束

天线阵面通过28条支撑腿及天线顶部大梁端面与车体连接，有限元建模时所有与车体连接的端面处均采用固定约束。接收组件、发射组件与一体化共形冷板在对应螺钉孔位置建立约束，采取多点约束方式连接。

2.4 自重载荷仿真结果

天线阵面在自重作用下的仿真结果如图4所示。最大位移发生在舱顶从前向后第10排L型冷板附近的接收组件上，最大值为0.26 mm，满足变形不大于0.5 mm 的要求；在自重载荷作用下最大应力为9.5 MPa，远小于冷板材料6061（T6）的屈服强度，结构刚强度满足使用要求。

图4 自重载荷应力云图

2.5 随机振动

对天线阵面进行3个方向的随机振动仿真，结果如图5所示。在垂向载荷作用下位移最大，最大位移出现在舱顶接收组件上，3σ最大位移为1.88 mm，满足在动载荷作用下天线变形不超过5 mm的要求。在横向载荷作用下应力最大，最大应力为138 MPa，小于冷板Al6061（T6）的屈服强度，满足安全系数大于1.5的使用要求。

图5 3σ应力云图

2.6 冲击仿真

对天线阵面进行3个方向的冲击载荷仿真，结果如图6所示。在垂向载荷作用下位移最大，最大位移为4.9 mm，出现在舱顶接收组件上，满足在动载荷作用下天线变形不超过5 mm的要求。在垂向载荷作用下应力最大，最大应力为154 MPa，小于冷板Al6061（T6）的屈服强度，满足安全系数大于1.5的使用要求。

图6 冲击应力云图

3 系统热设计与仿真

3.1 管网布局设计

系统管网跨度大，支路多，管路串并结合，指标要求收发组件的温度一致性≤10°C，各支路的流量分配一致性≤±10%[5]。管网设计在保证流量分配均匀、流阻满足使用条件的同时，需兼顾系统的使用性和维修性。管网设计方案如下：液冷源供给的冷却液分2路进入天线舱，左侧管路负责左侧天线阵面、电源及2个机柜的液冷分配；右侧管路负责右侧天线阵面、电源及2台水冷空调的液冷分配。液冷管网分配原理如图7所示。

图7 管网分配原理图

3.2 流量计算

冷却介质为66%乙二醇水溶液，入口温度为28°C。指标要求收发组件的温度一致性不大于10°C，在综合考虑冷板、管路温度梯度的条件下，进出口温升Δt取4°C。根据28°C时乙二醇溶液的各项参数，带入以下公式计算流量Q：

式中：P为冷却介质的热量；ρ为冷却介质的密度；Cp为冷却介质的比热容。

计算得各个设备的流量需求，见表1，流量合计为25.56 m3/h。

表1 各设备的流量需求表

3.3 流量分配计算

利用专业CFD流体软件对整个管网系统进行建模，并对各支路的流量分配情况进行详细仿真分析。从仿真结果可以看出，发射组件的分配流量在额定供液流量的±5%以内，流量一致性满足不大于±10%的指标要求。计算的组件流量见表2。

表2 计算的组件流量L·min-1

3.4 温度一致性仿真

针对发射组件的温度一致性，选取一个区域15个发射组件进行仿真计算，如图8所示。从仿真结果可知，在整个阵面范围内，发射组件功放芯片表面的最高温度低于45.46°C，最大温差小于7.96°C，器件壳体温度及温度一致性均满足设计指标要求。接收组件采用导冷散热，考虑到边界影响，采取了相邻两个区域共30个组件进行仿真分析。在整个阵面范围内，接收组件芯片表面的最高温度为39.2°C，芯片之间的最大温差小于8.2°C，器件壳体温度及温度一致性均满足指标要求。

图8 发射子阵温度一致性仿真

4 结束语

本文介绍了某车载机动式相控阵测控设备阵面结构设计和热设计方案，并采用有限元方法对系统静力学、动力学及热性能进行了仿真评估。方案的各项指标均满足设计要求，目前该产品已完成交付，工作稳定可靠，满足用户使用要求。文中提出的对结构桁架与冷却进行多功能一体化设计的方法可为车载平台、机载平台、太阳能智能蒙皮等产品的轻量化、集成化设计提供借鉴。

后续还可利用有限元拓扑优化方法对该型号的一体化共形冷板进行减重设计，对共形冷板的流道布局和流阻匹配进行优化设计，以进一步提高其换热效率和天线均温性能。