劉婷婷，華 岳，張成林，解 寧

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

碳纖維三向編織反射面?zhèn)銧钐炀€是一種新型的天線結(jié)構(gòu)形式，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、形面精度高以及成本低等特點(diǎn)，近年來成為衛(wèi)星天線研究的熱點(diǎn)，受到了各國航天科研單位的重視和持續(xù)的研究[1]，加拿大太空署[2]對(duì)采用碳纖維單層三向織物制備超薄可折疊復(fù)合材料進(jìn)行了研究，1995年發(fā)射的MSAT-2空間飛行器中將該材料作為可收縮天線反射器的增強(qiáng)材料。Aoki等[3-4]對(duì)由碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的TWF復(fù)合材料的基本機(jī)械和熱性能進(jìn)行了研究。Kueh等[5-6]利用均勻化的Kirchhoff 板對(duì)單層三軸織物復(fù)合材料的線彈性響應(yīng)建模。Aoki等[7]對(duì)三向織物復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)，研究其疲勞性能和損傷累積機(jī)理。Datashvili等[8]研究了3種復(fù)合材料：1)SK802型采用T300纖維；2)SK809型采用M46J纖維；3)SK907型采用YSH 50A纖維。

反射面是傘狀天線一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)件，不同形態(tài)、不同加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，會(huì)得到不同型面精度的反射面，因此需要進(jìn)行碳纖維三向編織反射面優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證研制出高精度反射面?zhèn)銧钐炀€。為此，設(shè)計(jì)了不同形態(tài)、不同加強(qiáng)筋方案的天線反射面，建立傘狀天線反射面形態(tài)分析模型，對(duì)反射面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取型面精度最高的反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為高精度傘狀天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 碳纖維三向編織反射面介紹

平面三軸向織物是由平面內(nèi)3個(gè)不同方向的碳纖維絲束(1K T300)以一定角度(0°和±60°)按照特定交織規(guī)律彼此間相互交織而成的[9-10]，定義0°方向?yàn)榭椢餀M向，90°方向?yàn)榭椢锟v向，如圖1所示。碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的空間適用性等特點(diǎn)，是一種綜合性能較好基體材料。

圖1 平面三軸織物Fig.1 Planar triaxial fabric

碳纖維三向編織反射面成型技術(shù)：將硅膠均勻地涂刷到平面三軸向織物表面，然后將織物鋪貼到反射面成型工裝表面，使網(wǎng)格布緊貼于模具表面，上面放吸膠氈,制真空袋使織物與模具壓實(shí)，室溫硫化不小于92h。成型的碳纖維三向編織反射面如圖2所示。碳纖維三向編織反射面具有超輕、高精度、低膨脹、柔性耐折等優(yōu)點(diǎn)，滿足高精度天線要求。

圖2 碳纖維三向編織反射面局部圖Fig.2 Part of carbon fiber triaxial woven reflector

2 材料性能測試

為了對(duì)碳纖維三向編織反射面進(jìn)行仿真分析，需獲取材料的密度、彈性模量等參數(shù)。

碳纖維三向編織材料厚2mm，裁剪一片200mm×200mm的試片，測量其重量為60g,根據(jù)公式ρ=m/v，可獲得碳纖維三向編織材料的密度為750kg/m3。

彈性模量測試裝置如圖3所示，試樣分為橫向和縱向兩種，試樣大小分別為200mm(橫向)×220mm(縱向)和200mm(縱向)×220mm(橫向)，兩種試樣采用相同的測試方法進(jìn)行測試，試樣的長邊220mm有20mm固定于測試工裝上，測量試片重力變形后的尺寸，試樣重力變形測量結(jié)果顯示兩種測試工況下試樣的重力變形完全一致，測量值如圖4所示，圖5為試樣的重力變形仿真分析，調(diào)節(jié)材料參數(shù)使得有限元模型的重力變形與試驗(yàn)結(jié)果一致，獲取的材料參數(shù)如表1所列。

圖3 試樣重力變形測試圖(橫向和縱向)Fig.3 Gravity deformation of test piece (horizontal and longitudinal)

圖4 試樣重力變形測量結(jié)果(橫向和縱向) Fig.4 Measurement results of gravity deformation of test piece (horizontal and longitudinal)

表1 試樣材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of test piece

圖5 試樣重力變形仿真分析(橫向和縱向)Fig.5 Simulation analysis of gravity deformation of test piece (horizontal and longitudinal)

3 反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖6所示，方案1為圓形口徑，方案2為多邊形口徑，方案1的口徑與方案2的內(nèi)切圓口徑大小一致均為5m，滿足天線口徑指標(biāo)要求。該反射面由9個(gè)扇區(qū)拼接而成，各拼接處采用碳布(E：50Gpa，ρ：1800Kg/m3)加強(qiáng)，使其具有足夠的剛度，碳布厚1.0mm寬25mm，碳布加強(qiáng)處通過連接柱與天線骨架相連。

圖6 反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(方案1、方案2)Fig.6 Structure design of reflector(scheme 1 and scheme 2)

天線在地面工作時(shí)需考慮重力變形對(duì)型面的影響，所以對(duì)反射面在重力場下的變形進(jìn)行了分析。采用Ansys軟件中shell181單元對(duì)反射面建模，三向編織反射面等效為各向同性材料，最終的有限元模型如圖7所示。在扇區(qū)拼接處施加固定約束，與反射面裝配位置一致。

圖7 反射面有限元模型(方案1、方案2)Fig.7 Finite element model of reflector (scheme 1 and scheme 2)

從圖8可以看出碳纖維三向編織反射面在重力場下的變形主要集中于反射面外邊緣處，與方案1相比方案2反射面外邊緣變形較小，且方案2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得邊緣部分大變形區(qū)域在多邊形角左右分布，即反射面口徑指標(biāo)尺寸(多邊形內(nèi)切圓)外。由于方案1反射面變形較大，使得云圖固定約束的局部特征不明顯，而方案2的變形較小，能夠明顯看出固定約束部分與其相鄰部分重力變形的差異。

圖8 反射面重力變形(方案1、方案2)Fig.8 Gravity deformation of reflector(scheme 1 and scheme 2)

型面精度計(jì)算時(shí)提取口徑指標(biāo)尺寸內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移，計(jì)算結(jié)果如表2所列，從表2中可以看出，方案2反射面比方案1反射面的型面精度高99.95%，在反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮多邊形結(jié)構(gòu)形式(方案2)。

表2 反射面在重力場下的型面精度Tab.2 The profile accuracy of relector in gravity field

4 反射面加強(qiáng)筋方案設(shè)計(jì)與仿真分析

反射面加強(qiáng)筋方案設(shè)計(jì)如圖9所示，為了保證反射面可折疊功能，碳布厚度較薄，碳布尺寸厚為0.2mm，寬為25mm。方案1為沿徑向用碳布加強(qiáng)，方案2為沿環(huán)向用碳布加強(qiáng)，方案3為徑向、環(huán)向同時(shí)用碳布加強(qiáng)。

圖9 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)(方案1、方案2、方案3)Fig.9 Design of reinforcement (scheme 1, scheme 2 and scheme 3)

反射面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋后在重力場下的變形云圖如圖10所示。

圖10 重力變形云圖(方案1、方案2、方案3)Fig.10 Cloud image of gravity deformation(scheme 1, scheme 2 and scheme3)

表3為反射面在重力場下的型面精度，從表3可以看出，反射面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋后，反射面型面精度與無加強(qiáng)筋的型面精度相差不大，反射面徑向設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋會(huì)使其型面精度變差，其中方案2的型面精度最好，與無加強(qiáng)筋方案相比，型面精度提高了3.4%。在工程實(shí)際中，反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足重量指標(biāo)的條件下可考慮環(huán)向加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)(方案2)。

表3 反射面在重力場下的型面精度Tab.3 The profile accuracy of relector in gravity field

5 結(jié)論

以傘狀天線碳纖維三向編織反射面為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)獲取了碳纖維織物的材料屬性，設(shè)計(jì)了不同形態(tài)、不同加強(qiáng)筋方案的天線反射面，建立了傘狀天線反射面形態(tài)分析模型，通過反射面重力變形仿真分析，得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明：采用多邊形口徑反射面相比圓形口徑反射面型面精度提高了99.95%，在多邊形口徑反射面上設(shè)計(jì)環(huán)向加強(qiáng)筋可使型面精度進(jìn)一步提高3.4%，為反射面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。