朱海波，王景琰，張海福

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍32069部隊(duì)天津軍事代表室，天津 300211)

0 引言

近年來，越來越多設(shè)備選擇以飛機(jī)作為工作平臺(tái)，天線作為機(jī)載設(shè)備的一部分[1]，是機(jī)載系統(tǒng)與外界進(jìn)行信號(hào)交換的重要設(shè)備[2]。

機(jī)載天線除了完成所需的電性能外，還要滿足飛機(jī)工作導(dǎo)致的環(huán)境適應(yīng)性要求[3]。機(jī)載天線在實(shí)際工作過程中需承受來自載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)、噴氣噪聲、飛機(jī)的飛行姿態(tài)以及起飛、著陸等因素產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊[4]。上述工作環(huán)境對(duì)電子設(shè)備造成的危害主要有以下2種[5]:其一，結(jié)構(gòu)和工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損，連接件的松動(dòng)、分離等；其二，功能和性能性破壞，包括工作失靈、性能降低及超出容差范圍等[6]。

如果機(jī)載天線自身承受沖擊、振動(dòng)性能較差，在使用過程中導(dǎo)致故障產(chǎn)生會(huì)影響整個(gè)飛機(jī)的作戰(zhàn)性能[7]。為了保證機(jī)載天線的可靠性，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗振動(dòng)設(shè)計(jì)[8]。

1 機(jī)載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，通過電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)為雙對(duì)數(shù)周期天線的模型，由于該天線為機(jī)載天線，要承受飛機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊[9]，該天線電磁性能由其結(jié)構(gòu)形狀實(shí)現(xiàn)，所以天線良好的抗沖擊和振動(dòng)性能是其可靠工作的基礎(chǔ)[10]。

通過電磁仿真，設(shè)計(jì)了該天線的初步模型，如圖1所示。針對(duì)電磁仿真模型，直接將模型根據(jù)可加工方案設(shè)計(jì)了天線的實(shí)際三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過分析認(rèn)為圖2中天線陣子與中間支架連接存在多處應(yīng)力集中部位，并且各個(gè)主要零件使用螺釘連接降低了螺釘連接處結(jié)構(gòu)的可靠性。在天線工作過程中，應(yīng)力集中處必然成為天線破壞點(diǎn)[11]，同時(shí)按照仿真模型天線生產(chǎn)加工實(shí)際產(chǎn)品需要拆分成許多零件，裝配過程中產(chǎn)生的裝配誤差同樣會(huì)影響天線的可靠性[12]。

圖1 初步天線仿真模型

圖2 天線初版模型

由于飛機(jī)起飛及工作過程中存在惡劣的沖擊和振動(dòng)環(huán)境，天線結(jié)構(gòu)的可靠性直接決定了天線的性能及使用壽命，因此，從增加天線結(jié)構(gòu)可靠性出發(fā)，對(duì)機(jī)載天線的仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化。

本天線由左右2個(gè)實(shí)現(xiàn)天線性能的對(duì)數(shù)周期天線及改善天線性能的底部反射腔組成。

為了降低零件配合及裝配誤差造成的應(yīng)力集中及破壞，本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用一體化設(shè)計(jì)，將左右天線的主體分別設(shè)計(jì)為一體成型的結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。

圖3 單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線

同時(shí)，對(duì)易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部分采用圓角過渡的方式消除應(yīng)力集中，由于機(jī)載設(shè)備重量要求苛刻，所以同時(shí)對(duì)非關(guān)鍵受力部位設(shè)計(jì)減重凹槽等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重，并對(duì)天線工作過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的三維模型如圖4所示。

圖4 天線優(yōu)化模型

該天線加工材料選擇常用5A06系鋁合金[13]，其力學(xué)性能[14]如表1所示。該天線要求重量為8 kg，使用軟件預(yù)估重量為7.5 kg，滿足要求。

由于瀝青混凝土攤鋪施工一旦進(jìn)行不允許中途中斷，因而需要選用適宜的運(yùn)輸設(shè)備，保障拌和料等能夠及時(shí)送至運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)最大程度地減少運(yùn)輸次數(shù)與運(yùn)輸成本，因此需要使用如下公式計(jì)算運(yùn)輸車輛的具體裝卸能力以及運(yùn)輸次數(shù)：

表1 5A06-F鋁合金力學(xué)性能

型號(hào)密度/(g.cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa5A06-F2.6529516070

由于該機(jī)載天線工作時(shí)封閉于天線罩內(nèi)，環(huán)境適宜性無其他特殊要求，所以該天線涂鍍工藝按照鋁合金常用要求，采用表面按Al/Ct·Ocd導(dǎo)電氧化后，裸露面噴涂色漆的工藝。

本天線的最終目的是實(shí)現(xiàn)天線電磁性能，因此首先采用電磁仿真軟件對(duì)優(yōu)化后天線模型的駐波與增益進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后其駐波比與增益均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

2 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

隨機(jī)振動(dòng)分析是指采用功率譜密度作為輸入條件，以確定響應(yīng)特定值出現(xiàn)概率的分析方法[15-16]。在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，可以得到其在力學(xué)環(huán)境條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[17]。

由圖4可知該機(jī)載天線由2個(gè)對(duì)數(shù)周期天線和反射腔3個(gè)主要部分組成。

其中，天線陣反射腔與2個(gè)天線相比是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，裝配時(shí)除了與天線連接，還將其直接固定在安裝支架上，同時(shí)反射腔側(cè)壁加裝了專門的固定支撐加固，所以反射腔具有較好的抗振性，而且仿真時(shí)反射腔對(duì)天線的振動(dòng)性能影響不大，為降低仿真分析時(shí)占用的計(jì)算資源，仿真時(shí)略去反射腔。

為了使振動(dòng)試驗(yàn)效果與天線真實(shí)工作效果更貼近，設(shè)計(jì)了用于天線振動(dòng)試驗(yàn)的夾具[18-19]，并在仿真分析建模時(shí)帶入振動(dòng)夾具模型，力求仿真更貼近天線實(shí)際工作情況，如圖5所示。根據(jù)表1在仿真軟件中設(shè)置材料的各項(xiàng)參數(shù)并根據(jù)GJB中機(jī)載設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)條件進(jìn)行振動(dòng)仿真分析。

圖6～圖8給出了天線各個(gè)軸向仿真分析應(yīng)力分布、最大應(yīng)力所在位置及最大應(yīng)力值。

圖5 仿真模型

圖6 X軸向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

圖7 Y軸向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

圖8 Z軸向隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力

表2列出了各個(gè)軸向最大應(yīng)力值，從力學(xué)仿真結(jié)果來看，該天線的最大應(yīng)力出現(xiàn)在X軸向。

表2 各軸向最大應(yīng)力

軸向XYZ最大應(yīng)力(1σ/MPa)34.417.8516.66

根據(jù)表1給出的該天線所選用材料的物理性能，5A06系鋁合金的許用應(yīng)力σ為：

σ=σs/n，

(1)

式中，σs為5A06系鋁合金的屈服強(qiáng)度，n取1.5～2.5，當(dāng)n=2.5時(shí)，計(jì)算得出該材料的許用應(yīng)力為64 MPa，此時(shí)該天線最大應(yīng)力軸向的安全系數(shù)為許用應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，最終計(jì)算得出該天線的安全系數(shù)為1.86，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)安全系數(shù)的要求，因此該天線結(jié)構(gòu)可靠性通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)物加工與試驗(yàn)

針對(duì)上文所述雙對(duì)數(shù)周期天線數(shù)模，根據(jù)射頻線纜裝配方案及現(xiàn)有加工水平對(duì)天線及振動(dòng)夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拆分，并繪制圖紙加工實(shí)物，天線實(shí)物如圖9所示。

實(shí)測(cè)樣件重量為7.1 kg，相比軟件估計(jì)重量7.5 kg略輕，出現(xiàn)偏差的原因在于軟件中材料相關(guān)參數(shù)與實(shí)際情況有所偏差。

根據(jù)GJB要求機(jī)載設(shè)備振動(dòng)條件(如圖10所示)及沖擊試驗(yàn)條件(如圖11所示)，本天線進(jìn)行了振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，采用振動(dòng)試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)結(jié)合的試驗(yàn)方式，其中振動(dòng)試驗(yàn)在3個(gè)軸向進(jìn)行，每個(gè)軸向持續(xù)1 h，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行該軸向的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后再統(tǒng)一進(jìn)行機(jī)械性能和外觀質(zhì)量檢查。

圖9 雙對(duì)數(shù)周期天線實(shí)物

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)譜

圖11 后峰鋸齒沖擊脈沖波形

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該天線結(jié)構(gòu)能滿足GJB規(guī)定的振動(dòng)及沖擊要求。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種機(jī)載雙對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)，在保證電磁性能的前提下，通過對(duì)天線結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行優(yōu)化，消除應(yīng)力集中隱患，對(duì)優(yōu)化后的三維模型采用仿真軟件進(jìn)行振動(dòng)仿真分析。仿真分析結(jié)果符合要求后加工天線樣件，根據(jù)GJB振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)能夠滿足抗振動(dòng)和沖擊的要求，滿足機(jī)載使用。