劉攀

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

彈載天線是在彈載設(shè)備電磁波信號傳播、發(fā)射和接收的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著整個(gè)彈載設(shè)備的電氣指標(biāo)[1]。隨著彈體不斷地發(fā)展和改進(jìn)，彈載天線需要承受非常惡劣的環(huán)境，特別是彈體在發(fā)射和分離過程中，彈載天線承受最大過載達(dá)到104g以上，沖擊峰值持續(xù)時(shí)間為毫秒級。有研究結(jié)果表明：振動和沖擊時(shí)引起電子設(shè)備故障的主要因素，電子產(chǎn)品的失效比例高達(dá)（50~60）%[2,3]。由于彈載產(chǎn)品的特殊性，彈載產(chǎn)品通常情況下在導(dǎo)彈艙內(nèi)的安裝方式為剛性連接，沒法通過對整機(jī)采取隔振措施，因此彈載設(shè)備的抗振動、沖擊技術(shù)是導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一。

彈載天線的抗振動、沖擊設(shè)計(jì)主要通過對天線進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和緩沖設(shè)計(jì)。彈載天線的加固設(shè)計(jì)主要通過提高承載結(jié)構(gòu)件的抗振動、沖擊能力，并針對大尺寸和大質(zhì)量的元器件采用機(jī)械或膠粘加固，使整機(jī)在不加任何隔振措施情況下，就能通過抗振動、沖擊[4]。緩沖設(shè)計(jì)主要是采取動態(tài)性能好的灌封材料對設(shè)備內(nèi)部電路系統(tǒng)進(jìn)行灌封，使其固化為模塊，提高設(shè)備的抗過載能力[5]。

本文根據(jù)彈載天線的環(huán)境試驗(yàn)條件和天線性能指標(biāo)，對該天線進(jìn)行了抗振設(shè)計(jì)和動態(tài)響應(yīng)分析。本文首先對該彈載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，包括天線的組成和結(jié)構(gòu)形式；其次對天線的抗振動、沖擊設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；最后結(jié)合有限元分析對彈載天線進(jìn)行動態(tài)性能分析。

1 彈載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)組成

彈載天線主要由收發(fā)模塊、頻綜模塊、射頻轉(zhuǎn)接組件、AIU模塊、信號處理模塊和電源模塊組成，如圖1所示。整機(jī)天線以射頻轉(zhuǎn)接組件為主要承力構(gòu)件，設(shè)置了整機(jī)在彈上的安裝法蘭盤。收發(fā)模塊通過8個(gè)M3沉頭螺釘緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上，頻綜模塊通過5個(gè)M3螺釘單獨(dú)固定在射頻轉(zhuǎn)接組件上，電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊通過9個(gè)M4的內(nèi)六角螺釘穿通緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上。

圖1 某彈載天線爆炸分解圖

天線整機(jī)主結(jié)構(gòu)件材料根據(jù)需要選用7075鋁合金，鋁合金7075具有較高的比剛度和強(qiáng)度，在減小整機(jī)重量的同時(shí)還具備較高的剛度和強(qiáng)度。

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本天線采用模塊拼接構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊具有獨(dú)立的功能，易于模塊的軟硬件技術(shù)升級和擴(kuò)展能力，各模塊的高頻信號通過SMP-KK連接器進(jìn)行盲插互聯(lián)，低頻信號通過J63A連接器進(jìn)行盲插互聯(lián)，通過互聯(lián)插合緊固實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接同步到位，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣的緊藕結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)具有良好的緊湊型、重量輕、抗振、沖擊好、維修方便、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 彈載天線抗振動、沖擊設(shè)計(jì)

2.1 抗振動設(shè)計(jì)

由于天線與平臺的安裝方式為剛性連接，無法在天線與平臺之間添加隔振器。因此天線在滿足質(zhì)量的要求下，需要對天線進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和緩沖設(shè)計(jì)，以使天線滿足振動力學(xué)環(huán)境條件。主要采取的措施如下：

1）提高天線整機(jī)的剛、強(qiáng)度

提高結(jié)構(gòu)的抗振能力主要通過結(jié)構(gòu)的剛度和增大結(jié)構(gòu)阻尼。剛度越大，抵抗變形的能力越強(qiáng)，其自身固有頻率越高,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)的振幅就越小，因而振動時(shí)的應(yīng)力也越小，其抗振動能力也越高。本天線采用模塊拼接構(gòu)型設(shè)計(jì)，各模塊采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，射頻轉(zhuǎn)接組件作為主承載結(jié)構(gòu)，在滿足重量要求情況下，盡量加厚其法蘭盤厚度，并且在腔體內(nèi)部設(shè)計(jì)多個(gè)筋板，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊不僅通過多個(gè)高強(qiáng)度螺桿穿通緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上，并且各模塊間采取鑲嵌設(shè)計(jì)措施，可以保證各模塊間在各個(gè)方向上既有雙向限位，避免天線串接螺桿在使用過程中承受橫向剪切力。模塊內(nèi)部的印制板布局合理，盡量對稱均勻布局，安裝盡量低矮，體積和質(zhì)量較大的元器件布于靠近安裝點(diǎn)的位置上，合理增加印制板固定點(diǎn)，減小電路板固定間距，不僅能提高固有頻率，還可以防止元器件集中受力。對于質(zhì)量和體積較大的元器件需要采取機(jī)械加固或則粘接加固。

2）固有頻率的控制設(shè)計(jì)

眾所周知，當(dāng)設(shè)備的某一階固有頻率與激勵(lì)頻率重合時(shí)就會發(fā)生共振現(xiàn)象。本天線的力學(xué)環(huán)境條件是固定不變的，無法通過改變激勵(lì)頻率使天線避免共振現(xiàn)象。并且一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)有多階固有頻率，在激勵(lì)頻率范圍較大時(shí)，復(fù)雜系統(tǒng)則無法完全避免共振現(xiàn)象。

對于本天線而言，天線整機(jī)在無法完全避免共振的情況下，如何避免天線內(nèi)部產(chǎn)生局部共振是重點(diǎn)研究對象。在天線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使天線各個(gè)模塊的固有頻率遠(yuǎn)離天線整機(jī)固有頻率，和模塊內(nèi)部電路板固有頻率遠(yuǎn)離模塊的固有頻率。從理論上來講，當(dāng)兩則的固有頻率比值大子2時(shí)，此時(shí)相互的共振響應(yīng)較小。

天線的固有頻率與天線質(zhì)量和剛度有關(guān)。天線的質(zhì)量受結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式限制，則無法輕易改變天線的質(zhì)量，因此固有頻率的控制主要通過改變剛度來實(shí)現(xiàn)，為了使天線各模塊固有頻率遠(yuǎn)離天線整機(jī)固有頻率和各電路板遠(yuǎn)離模塊固有頻率,主要采取以下措施：

①合理增加模塊的固定點(diǎn)，提高模塊的剛度，從而提高模塊的固有頻率；

②合理增加模塊主承結(jié)構(gòu)件的筋條，提高模塊的剛度；

③電路板的合理布局并合理增加電路板的固定點(diǎn)，提高電路板的固有頻率。

3）去耦設(shè)計(jì)

本天線是個(gè)多自由度系統(tǒng)，存在多個(gè)振型，并且各振型存在相互耦合。因此在天線設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減少各振型的耦合和減少天線的諧振數(shù)量，從而減少共振峰數(shù)量并抑制共振峰值。

天線在激勵(lì)振源下，可能會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動的耦合。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，各模塊的布局一定要合理，使天線在高度方向的尺寸盡量最小，將安裝法蘭設(shè)計(jì)在射頻轉(zhuǎn)接組件上，使天線重心盡量靠近安裝面，有利于降低天線的重心 ，并在設(shè)計(jì)時(shí)各模塊布局盡量均勻?qū)ΨQ，使天線重心與天線安裝固定點(diǎn)的重心大致重合。

2.2 抗沖擊設(shè)計(jì)

為使天線滿足高量級沖擊振動，除了對天線采取加固措施外，還對天線的電源模塊采用了緩沖設(shè)計(jì)，提高電源模塊的抗沖擊能力。

由于天線的電源模塊含有多個(gè)重量和體積較大的DC-DC組件，為使電源模塊滿足高量級沖擊振動，電源模塊采取聚氨酯材料對其進(jìn)行灌封處理，灌封材料具有粘彈效應(yīng)和橫向慣性效應(yīng)，使其應(yīng)力波在傳播過程中會發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用，通過灌封材料的彈塑性變形和阻尼作用吸收能量[5]。

3 彈載天線動態(tài)響應(yīng)分析

為了驗(yàn)證本天線滿足其振動力學(xué)環(huán)境條件，通過有限元分析方法對本天線進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析和沖擊響應(yīng)譜分析，校核天線結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，驗(yàn)證其可靠性。

具體的力學(xué)試驗(yàn)條件見表1和表2。

表1 隨機(jī)振動條件

表2 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件

動力響應(yīng)分析首先要建立動力學(xué)基本方程，在實(shí)際情況下，復(fù)雜的問題很難建立偏微分方程，并且很難求解，普遍采用常微分方程，最常見的有限元?jiǎng)恿W(xué)基本方程[6]：

式中：

[M]，[C]，[K]—質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；{x˙}，{}，{?}—位移向量、速度向量、加速度向量；{F(t)}—激勵(lì)載荷。

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)[7]，通過模態(tài)分析可以得到系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括：各階固有頻率和相對應(yīng)的振型。

天線的振動特性主要取決于天線本身的質(zhì)量、剛度和阻尼，與外激勵(lì)載荷無關(guān)。由于天線的阻尼較小，對天線的固有頻率影響較小，在計(jì)算天線的固有頻率時(shí)，不考慮阻尼帶來的影響。無阻尼自由振動運(yùn)動方程為：

當(dāng)發(fā)生諧振動，即

結(jié)合式（2）和式（3），運(yùn)動方程可表示為：

要得到式（4）的非零解，則需要求解如下方程式：

式中：

ωi，φi—第i階固有頻率和都i階振型。

求解式（5）可得到n個(gè)固有頻率和n個(gè)對應(yīng)的振型。

天線的材料力學(xué)見表3所示。結(jié)合振動試驗(yàn)條件，主要提取了（0~5 000）Hz范圍內(nèi)的所有模態(tài)，其中前6階模態(tài)（見表4）和振動模態(tài)振型（如圖2所示）。

表3 材料力學(xué)性能表

表4 前6階固有頻率

圖2 天線前6階對應(yīng)的模態(tài)振型

3.2 隨機(jī)振動分析

根據(jù)表1試驗(yàn)條件分別對彈載天線施加X、Y、Z三個(gè)方向隨機(jī)振動激勵(lì)，并進(jìn)行有限元分析。有限元分析采用模態(tài)疊加法，經(jīng)過計(jì)算得到天線在三個(gè)方向的等效應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差和等效變形標(biāo)準(zhǔn)差，如表5所示。

表5 隨機(jī)振動仿真結(jié)果

從表5可知，天線在三個(gè)方向的最大等效應(yīng)變發(fā)生在X方向，最大變形量為0.18 mm，位于AIU模塊的印制板上；最大等效應(yīng)力發(fā)生在X方向，最大應(yīng)力為72.2 MPa，位于天線安裝法蘭盤上。

3.3 沖擊響應(yīng)譜分析

沖擊響應(yīng)譜常采用模態(tài)疊加法來計(jì)算系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，系統(tǒng)的模態(tài)總響應(yīng)為：

式中：

N，εij，Ri—擴(kuò)展模態(tài)的個(gè)數(shù)、模態(tài)耦合系數(shù)、第i階模態(tài)響應(yīng)。

利用有限元分析軟件的譜分析功能，選擇SRSS法（平方之平方根法）的模態(tài)疊加方法計(jì)算沖擊響應(yīng)的極值，即

根據(jù)表2分別對彈載天線施加X、Y、Z三個(gè)方向激勵(lì)。計(jì)算得到了天線在三個(gè)方向的最大應(yīng)力的最大變形，見表6所示。

表6 沖擊振動仿真結(jié)果

圖6 X向沖擊載荷最大應(yīng)力

從表6可知，天線在三個(gè)方向的最大應(yīng)變發(fā)生在X方向，最大變形量為1.04 mm，位于AIU模塊的印制板上；最大等效應(yīng)力發(fā)生在X方向，最大應(yīng)力為212 MPa，位于射頻轉(zhuǎn)接組件上。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核公式：

式中：

MS，σf，σmax，f—安全裕度、許用應(yīng)力、計(jì)算應(yīng)力、安全因子（對于屈服極限取1.2，對于破壞載荷取1.35）。

在隨機(jī)振動分析中，天線的最大應(yīng)力為72.2 MPa，對應(yīng)的安全裕度為3.44，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 X向最大等效應(yīng)力

圖4 X向最大等效變形

在沖擊響應(yīng)譜分析中，天線的最大的應(yīng)力為212 MPa，對應(yīng)的安全裕度為0.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

彈載天線作為導(dǎo)彈內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備，為了使彈載天線能適應(yīng)高量級的載荷，本文詳解介紹了彈載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗振動和沖擊設(shè)計(jì)以及動態(tài)啊應(yīng)分析。通過對彈載天線的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該彈載天線能滿足高量級的振動和沖擊載荷，滿足力學(xué)環(huán)境條件。

經(jīng)過實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，本彈載天線的結(jié)構(gòu)形式具有抗高量級振動、沖擊的能力，對同類產(chǎn)品貝有一定的鑒定意義。