楊成，白雪寒，孫寶華

(哈爾濱哈玻拓普復(fù)合材料有限公司，哈爾濱150036)

天線罩板塊連接邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊成，白雪寒，孫寶華

(哈爾濱哈玻拓普復(fù)合材料有限公司，哈爾濱150036)

當(dāng)夾層結(jié)構(gòu)天線罩承受80 m/s或更高風(fēng)速時(shí)，板塊連接會(huì)成為天線罩承力的薄弱環(huán)節(jié)之一，因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全，板塊連接邊肋結(jié)構(gòu)需要特別設(shè)計(jì)。本文通過改變邊肋過渡區(qū)角度、添加加強(qiáng)筋等方式改進(jìn)邊肋連接結(jié)構(gòu)，最后通過邊肋連接件拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化后的邊肋結(jié)構(gòu)抗拉能力提高到原來的2倍，現(xiàn)有天線罩邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可行。

地面雷達(dá)天線罩;板塊連接;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;拉伸性能

1 引言

地面雷達(dá)天線罩作為雷達(dá)天線的保護(hù)傘，使雷達(dá)天線免受自然環(huán)境的影響，保障了天線的正常使用，并能有效延長(zhǎng)雷達(dá)天線的使用年限［1］。對(duì)于大尺寸地面雷達(dá)天線罩，出于結(jié)構(gòu)安全的考量，一般選用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)制造天線罩罩體，同時(shí)考慮到天線罩的制造、運(yùn)輸安裝等問題，一般將天線罩基于球面體基本劃分上進(jìn)行準(zhǔn)隨機(jī)劃分［2］，如圖1所示為28 m天線罩板塊劃分示意圖，板塊之間通過螺栓連接，對(duì)于夾層板結(jié)構(gòu)天線罩，板塊連接邊為一定厚度的實(shí)心玻璃鋼，其厚度一般小于板塊厚度，一般將玻璃鋼連接部分及其與板塊過渡部位稱為板塊連接邊肋，該連接結(jié)構(gòu)在受拉力時(shí)會(huì)在螺栓連接孔及過渡部位產(chǎn)生較大應(yīng)力，可能會(huì)發(fā)生破壞。

近年來，隨著環(huán)境的嚴(yán)苛，雷達(dá)天線罩的性能要求及使用環(huán)境要求越來越高。結(jié)構(gòu)方面部分地面雷達(dá)天線罩的抗風(fēng)指標(biāo)從原有的67 m/s提升至80 m/s甚至90 m/s罩體不發(fā)生破壞。當(dāng)風(fēng)速為80 m/ s時(shí)，較67 m/s風(fēng)速下罩體表面風(fēng)壓提高約50%，這使原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能夠滿足當(dāng)前高抗風(fēng)指標(biāo)要求。在此情況下，板塊連接邊肋成為高抗風(fēng)地面雷達(dá)夾層板結(jié)構(gòu)天線罩承力的薄弱環(huán)節(jié)，所以為保證天線罩結(jié)構(gòu)安全要求在不影響其原有設(shè)計(jì)的電性能基礎(chǔ)上特別設(shè)計(jì)其連接結(jié)構(gòu)以保證天線罩在高風(fēng)速下不發(fā)生破壞。

圖1 直徑28 m天線罩板塊劃分圖

本文主要為28 m高抗風(fēng)地面雷達(dá)天線罩設(shè)計(jì)板塊連接邊肋形式，如圖2所示為現(xiàn)在普遍使用的玻璃鋼蒙皮/泡沫夾心結(jié)構(gòu)板塊的邊肋結(jié)構(gòu)形式，基于該種結(jié)構(gòu)形式，本文使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行邊肋受力模擬，結(jié)構(gòu)優(yōu)化并通過邊肋拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的可行性。

圖2 本文邊肋基本結(jié)構(gòu)形式

2 天線罩邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 有限元仿真

對(duì)現(xiàn)有邊肋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后進(jìn)行有限元仿真，如圖3，為邊肋有限元模型。

圖3 有限元模型

蒙皮選材為玻璃纖維/聚酯，強(qiáng)度為240 MPa;夾層材料為聚氨酯泡沫，強(qiáng)度為0.4 MPa。載荷I面均壓作用，II截面固定約束。

完成整罩受力計(jì)算［3］后，計(jì)算邊肋需承受的拉力，28 m天線罩在80 m/s風(fēng)速下邊肋需承受的拉力F=15 000 N。如圖4為F=15 000 N時(shí)原邊肋結(jié)構(gòu)受力云圖，發(fā)現(xiàn)螺孔處最大壓應(yīng)力約為170 MPa，最大拉應(yīng)力約為180 MPa，螺孔處安全，但邊肋過渡區(qū)泡沫最大主應(yīng)力為0.6 MPa，大于材料強(qiáng)度，會(huì)發(fā)生泡沫破壞。為保證天線罩邊肋在高風(fēng)速下連接安全，需要重新優(yōu)化設(shè)計(jì)邊肋結(jié)構(gòu)。

2.2 天線罩邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上節(jié)仿真結(jié)果顯示出連接邊肋結(jié)構(gòu)受拉力時(shí)的應(yīng)力分布，其中連接邊肋與板塊的過渡區(qū)(圖2)應(yīng)力水平高，易發(fā)生破壞，破壞形式為泡沫破壞或蒙皮分層，為提高邊肋抗拉能力，考慮有以下幾種方法:

圖4 優(yōu)化前邊肋結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

(1)過渡區(qū)泡沫更換為高強(qiáng)度泡沫，提高泡沫的承力水平，該方法的存在的問題是無法從根本上解決過渡區(qū)應(yīng)力水平高的問題，在后續(xù)試驗(yàn)中仍舊會(huì)出現(xiàn)蒙皮分層破壞的情況出現(xiàn);

(2)為根本上解決過渡區(qū)易破壞的問題，需要降低過渡區(qū)應(yīng)力水平。通常有兩種方法，一是可適當(dāng)調(diào)節(jié)過渡區(qū)坡角，即圖5中α、β的角度。一般來講，減小其角度能通過降低過渡區(qū)應(yīng)力水平來提高邊肋結(jié)構(gòu)的抗拉能力;二是對(duì)過渡區(qū)泡沫保護(hù)，如圖5，過渡區(qū)后加立筋進(jìn)行泡沫保護(hù)是一種有效方法，立筋位置L對(duì)過渡區(qū)受力情況有較大影響，適當(dāng)減小L可提高邊肋結(jié)構(gòu)的抗拉能力;

(3)邊肋連接螺孔處破壞也是一種常見的邊肋結(jié)構(gòu)破壞形式，一般可選用加厚玻璃鋼連接邊厚度或選用大直徑螺栓來分散螺孔處承受的壓力，使之可抵抗更大的拉力。

圖5 邊肋優(yōu)化參數(shù)示意圖

按照上述思路進(jìn)行邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要針對(duì)邊肋結(jié)構(gòu)參數(shù)α、β及L進(jìn)行優(yōu)化。首先將玻璃鋼邊肋處增厚2 mm，以保障實(shí)心邊肋的強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求;而后反復(fù)校對(duì)數(shù)組α、β取值，選取角度適宜且能使過渡區(qū)應(yīng)力水平降低的匹配值，最后調(diào)整L的距離，達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化要求。

如圖6所示為邊肋優(yōu)化后仿真結(jié)果，優(yōu)化后邊肋承受15 000 N拉力時(shí)泡沫最大主應(yīng)力為0.19 MPa，邊肋過渡區(qū)受力水平明顯降低。

圖6 邊肋優(yōu)化后泡沫受力云圖

3 天線罩邊肋拉伸試驗(yàn)

本文選取上節(jié)中論述的原有設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)兩種邊肋連接結(jié)構(gòu)做邊肋拉伸試驗(yàn)，并用有限元仿真預(yù)測(cè)其破壞時(shí)拉力。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，邊肋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使連接件的抗拉能力提高到原來的2倍。

表1 邊肋拉伸試驗(yàn)與仿真結(jié)果

鑒于工藝水平的限制、仿真中材料的簡(jiǎn)化定義等原因，可以認(rèn)為試驗(yàn)與仿真之間的誤差可以接受，邊肋拉伸試驗(yàn)中泡沫破壞及螺孔破壞結(jié)果基本與仿真結(jié)果吻合，邊肋實(shí)際的抗拉能力略高于仿真結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)手段有效。

圖7 優(yōu)化后邊肋拉伸破壞

需要說明的是，經(jīng)過優(yōu)化的邊肋在試驗(yàn)驗(yàn)證滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的電性能計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，電性能設(shè)計(jì)認(rèn)為當(dāng)前優(yōu)化的邊肋結(jié)構(gòu)對(duì)電性能指標(biāo)影響較小，基本滿足電性能設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

提高天線罩邊肋抗拉性能可通過改進(jìn)邊肋材料或邊肋結(jié)構(gòu)來完成，如更換高強(qiáng)泡沫、降低邊肋過渡區(qū)角度、過渡區(qū)泡沫保護(hù)等都會(huì)提升天線罩抗拉性能。同時(shí)可通過利用有限元仿真方法輔助邊肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果基本能夠與實(shí)際情況相吻合。

當(dāng)前邊肋強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法適用于高抗風(fēng)環(huán)境下大尺寸雷達(dá)天線罩夾層結(jié)構(gòu)板塊的邊肋設(shè)計(jì)。

［1］張志孝，周怡.大尺寸、高性能地面雷達(dá)天線罩的研制［C］// 2014年電子機(jī)械與微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2014:54 -57.

［2］孫懿敏，閻宏濤.大型球面天線罩隨機(jī)劃分方法［C］//2011年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2011:66-69.

［3］佟麗莉，孟松鶴，陳輝.大型地面雷達(dá)天線罩內(nèi)力及穩(wěn)定性分析［J］.纖維復(fù)合材料，2002，19(4):3-5.

Structure Optimization for the Plate Joint of Radome

YANG Cheng，BAI Xuehan，SUN Baohua
(Harbin Topfrp Composite Co.，Ltd.，Harbin，150036)

When a sandwich-type radome undergoes the wind with high speed，like 80m/s or higher，the plate connection will be one of the weak areas for the radome，so the joints of plates need to be specially designed.In this paper we optimize the structure of the joint by changing the angles of the transition zone and adding strengthening，and finally prove that after optimizing the tensile strength of the joint increases to 2 times of the original by tension tests.The existing method of structure optimization for the joint is available.

ground radome;plate joint;structure optimization;tension performance

2016-02-18)

楊成(1990-)，女，黑龍江人，碩士，結(jié)構(gòu)工程師。研究方向:復(fù)合材料天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

E-mail:hrbfrp_yc@163.com.