葛源坤 何定全 曾敬

摘要：文章從工程應(yīng)用的角度，提出一種天線罩結(jié)構(gòu)的高輕量化設(shè)計(jì)思路，在等強(qiáng)度、等剛度的條件下對(duì)傳統(tǒng)天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比創(chuàng)新，從而達(dá)到大幅降低天線罩結(jié)構(gòu)重量的目的。同時(shí)采用有限元法對(duì)兩種天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)天線罩結(jié)構(gòu)的高輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：天線罩;輕量化;有限元

中圖分類號(hào)：TN826? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

天線罩作為天線系統(tǒng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，能免除外部環(huán)境對(duì)天線電氣結(jié)構(gòu)的影響[1]。電氣性能上，天線罩具備良好的電磁輻射穿透性;結(jié)構(gòu)性能上，天線罩具備良好的惡劣環(huán)境適應(yīng)性。工作于露天的室外天線，通常直接承受自然冰雪、沙塵、暴風(fēng)雨及太陽(yáng)輻射等的侵蝕，導(dǎo)致天線的壽命縮短且精度降低，同時(shí)天線系統(tǒng)可靠性難以保證[2]。天線罩的使用目的如下：（1）避免冰雪、沙塵、風(fēng)雨和太陽(yáng)輻射等外部環(huán)境條件對(duì)天線系統(tǒng)產(chǎn)生影響，確保天線系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，延緩天線系統(tǒng)的老化速度，達(dá)到延長(zhǎng)天線系統(tǒng)壽命的目的;（2）避免風(fēng)負(fù)載和風(fēng)力矩對(duì)天線系統(tǒng)的直接影響，提高天線系統(tǒng)的機(jī)械性能。

天線罩是天線系統(tǒng)不可缺少的部分，具有非常高的設(shè)計(jì)要求，在滿足電磁輻射穿透性能的同時(shí)還必須滿足剛度、強(qiáng)度及壽命等設(shè)計(jì)條件[3]。傳統(tǒng)天線罩采用復(fù)合材料單向帶、復(fù)合材料織布預(yù)浸料[4]，按預(yù)先設(shè)計(jì)的角度在模具上進(jìn)行鋪層[5]，采用已有且成熟的工藝方式進(jìn)行固化成型，以這種方式生產(chǎn)的天線罩在各鋪層向受力較為均勻。鑒于天線罩的設(shè)計(jì)并沒有一個(gè)既定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本文在傳統(tǒng)天線罩的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出一種車載天線罩結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)思路，采用板-芯即環(huán)氧玻璃布與蜂窩夾心結(jié)構(gòu)對(duì)天線罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)建立兩種結(jié)構(gòu)形式的天線罩模型，運(yùn)用有限元分析法，對(duì)天線罩模型進(jìn)行靜力計(jì)算，保證夾芯結(jié)構(gòu)天線罩與傳統(tǒng)天線罩在強(qiáng)度、剛度相當(dāng)?shù)那闆r下，達(dá)到大幅降低天線罩重量的目的，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)。

1? 天線罩仿真分析

1.1? 幾何模型

本文設(shè)計(jì)的天線罩為車載天線罩，結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，在天線輻射平面采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，即板-蜂窩芯-板的結(jié)構(gòu)形式，其余區(qū)域采用實(shí)心石英制作。由于天線頻段較高，且對(duì)增益的要求也高，所以基材選用介電常數(shù)和損耗角正切值低的氰酸酯石英預(yù)浸料，芯材選用NH系列芳綸紙蜂窩，蜂窩與氰酸酯石英板之間采用氰酸酯石英膠膜進(jìn)行粘接固化，通過(guò)周圍法蘭安裝到天線基座上。

為使天線罩各向承受能力均勻，并在成型固化后變形量小，氰酸酯石英內(nèi)外板的鋪層遵循對(duì)稱原則，天線罩固化后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，使天線罩具有更好的承載能力。利用有限元方法將該夾層天線罩離散成若干單元，每個(gè)單元的剛度矩陣為該單元每個(gè)鋪層的剛度矩陣對(duì)鋪層厚度的積分，整個(gè)天線罩有限元的總體坐標(biāo)系中的剛強(qiáng)度矩陣為每個(gè)單元?jiǎng)偠染仃囍?，公式?）表達(dá)了作用力與有限單元節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。

其中，F(xiàn)為用力向量;K為總體剛度矩陣;ψ為變形向量。

1.2? 天線罩鋪層設(shè)計(jì)

根據(jù)天線罩的材料選型和內(nèi)外層的層數(shù)，分別定義天線罩內(nèi)外層的鋪層參數(shù)。本天線罩基于輕量化設(shè)計(jì)和降低對(duì)天線增益、幅相一致性的影響，設(shè)置的鋪層按照0°/45°/90°/-45°的方向依次進(jìn)行，其中安裝法蘭處設(shè)置有插層鋪層，詳見表1。

1.3? 材料屬性

氰酸酯石英預(yù)浸料和芳綸紙蜂窩相對(duì)于環(huán)氧玻璃預(yù)浸料而言，具有更低的介電常數(shù)和損耗角正切值，而蜂窩芯更具有低密度的優(yōu)點(diǎn)，蜂窩夾芯天線罩能夠更好提升天線罩的透波特性和降低產(chǎn)品重量。蜂窩和氰酸酯石英的材料力學(xué)性能見表2和表3。芳綸紙蜂窩壓縮強(qiáng)度及模量測(cè)試參照《非金屬夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1453—1987），剪切強(qiáng)度及模量測(cè)試參照《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和芯子平面剪切試驗(yàn)方法》（GJB 130.6—86）;氰酸酯石英織布拉伸及模量測(cè)試參照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005），剪切強(qiáng)度及模量測(cè)試參照《聚合物基復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASMT D3518）。

2? 有限元分析及結(jié)果

2.1? 天線罩邊界條件

根據(jù)技術(shù)要求，14級(jí)風(fēng)能夠正常工作，16級(jí)風(fēng)不破環(huán)。天線罩需要耐受極限風(fēng)速為61.2 m/s，根據(jù)風(fēng)壓的計(jì)算公式[6]見式（2）。

式中，為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，單位kPa;K為陣風(fēng)因子;C為風(fēng)阻系數(shù);ω為基本風(fēng)壓，單位kPa;V0為最大風(fēng)速，單位m/s。

根據(jù)公式（2）計(jì)算得出天線罩表面所受最大風(fēng)壓為3.2? ?kPa。

2.2? 天線罩分析結(jié)果

基于ANSYS中ACP模塊，模擬氰酸酯石英預(yù)浸料鋪層進(jìn)行建模，通過(guò)劃分網(wǎng)格、設(shè)置材料及單元屬性、施加載荷及約束等步驟，分別對(duì)實(shí)心天線罩和夾芯天線罩進(jìn)行靜力分析，實(shí)心罩應(yīng)力云圖如圖2所示，夾芯天線罩應(yīng)力云圖如圖3所示，蜂窩應(yīng)力云圖如圖4所示，實(shí)心罩位移云圖如圖5所示，夾芯天線罩位移云圖如圖6所示。

綜上，實(shí)心罩的最大應(yīng)力為48.1 MPa，最大位移為20.6 mm;夾芯罩的最大應(yīng)力為39.8 MPa，最大位移為19.8 mm;蜂窩的最大應(yīng)力為0.35 MPa。氰酸酯石英層合板的彎曲強(qiáng)度為550 MPa，芳綸紙蜂窩夾層的平面壓縮強(qiáng)度為2.42 MPa，實(shí)心天線罩的安全系數(shù)為S1=550/48.1≈11.4，夾芯天線罩材料安全系數(shù)分別為S2=550/39.8≈13.8，S3=2.42/0.35≈6.9。因此，實(shí)心天線罩的安全系數(shù)為11.4，夾芯罩的整體安全系數(shù)大于6.9，兩種天線罩的設(shè)計(jì)均滿足強(qiáng)度要求。

兩種天線罩在剛度基本一致的情況下，實(shí)現(xiàn)天線罩的重量為16.84 kg，夾芯天線罩的重量為10.57 kg，在實(shí)芯天線罩的基礎(chǔ)上減重6.27 kg，減重比例約37.2 %。

3? 結(jié)論

相較于實(shí)心天線罩而言，采用芳綸紙蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的天線罩設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)大幅減重，蜂窩夾芯的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的比剛度和比強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。由此可見，蜂窩夾芯的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式有利于天線罩的輕量化設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：張? 瓊）

參考文獻(xiàn)：

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