天线罩板块连接边肋结构优化研究

杨成，白雪寒，孙宝华

(哈尔滨哈玻拓普复合材料有限公司，哈尔滨150036)

天线罩板块连接边肋结构优化研究

杨成，白雪寒，孙宝华

(哈尔滨哈玻拓普复合材料有限公司，哈尔滨150036)

当夹层结构天线罩承受80 m/s或更高风速时，板块连接会成为天线罩承力的薄弱环节之一，因此为了保证结构的安全，板块连接边肋结构需要特别设计。本文通过改变边肋过渡区角度、添加加强筋等方式改进边肋连接结构，最后通过边肋连接件拉伸实验验证，实验结果表明:优化后的边肋结构抗拉能力提高到原来的2倍，现有天线罩边肋结构优化方法可行。

地面雷达天线罩;板块连接;结构优化;拉伸性能

1 引言

地面雷达天线罩作为雷达天线的保护伞，使雷达天线免受自然环境的影响，保障了天线的正常使用，并能有效延长雷达天线的使用年限［1］。对于大尺寸地面雷达天线罩，出于结构安全的考量，一般选用玻璃钢夹层结构制造天线罩罩体，同时考虑到天线罩的制造、运输安装等问题，一般将天线罩基于球面体基本划分上进行准随机划分［2］，如图1所示为28 m天线罩板块划分示意图，板块之间通过螺栓连接，对于夹层板结构天线罩，板块连接边为一定厚度的实心玻璃钢，其厚度一般小于板块厚度，一般将玻璃钢连接部分及其与板块过渡部位称为板块连接边肋，该连接结构在受拉力时会在螺栓连接孔及过渡部位产生较大应力，可能会发生破坏。

近年来，随着环境的严苛，雷达天线罩的性能要求及使用环境要求越来越高。结构方面部分地面雷达天线罩的抗风指标从原有的67 m/s提升至80 m/s甚至90 m/s罩体不发生破坏。当风速为80 m/ s时，较67 m/s风速下罩体表面风压提高约50%，这使原有的结构设计不能够满足当前高抗风指标要求。在此情况下，板块连接边肋成为高抗风地面雷达夹层板结构天线罩承力的薄弱环节，所以为保证天线罩结构安全要求在不影响其原有设计的电性能基础上特别设计其连接结构以保证天线罩在高风速下不发生破坏。

图1 直径28 m天线罩板块划分图

本文主要为28 m高抗风地面雷达天线罩设计板块连接边肋形式，如图2所示为现在普遍使用的玻璃钢蒙皮/泡沫夹心结构板块的边肋结构形式，基于该种结构形式，本文使用ABAQUS有限元软件进行边肋受力模拟，结构优化并通过边肋拉伸试验验证结构优化方法的可行性。

图2 本文边肋基本结构形式

2 天线罩边肋结构优化设计

2.1 有限元仿真

对现有边肋结构简化后进行有限元仿真，如图3，为边肋有限元模型。

图3 有限元模型

蒙皮选材为玻璃纤维/聚酯，强度为240 MPa;夹层材料为聚氨酯泡沫，强度为0.4 MPa。载荷I面均压作用，II截面固定约束。

完成整罩受力计算［3］后，计算边肋需承受的拉力，28 m天线罩在80 m/s风速下边肋需承受的拉力F=15 000 N。如图4为F=15 000 N时原边肋结构受力云图，发现螺孔处最大压应力约为170 MPa，最大拉应力约为180 MPa，螺孔处安全，但边肋过渡区泡沫最大主应力为0.6 MPa，大于材料强度，会发生泡沫破坏。为保证天线罩边肋在高风速下连接安全，需要重新优化设计边肋结构。

2.2 天线罩边肋结构优化

上节仿真结果显示出连接边肋结构受拉力时的应力分布，其中连接边肋与板块的过渡区(图2)应力水平高，易发生破坏，破坏形式为泡沫破坏或蒙皮分层，为提高边肋抗拉能力，考虑有以下几种方法:

图4 优化前边肋结构模拟结果

(1)过渡区泡沫更换为高强度泡沫，提高泡沫的承力水平，该方法的存在的问题是无法从根本上解决过渡区应力水平高的问题，在后续试验中仍旧会出现蒙皮分层破坏的情况出现;

(2)为根本上解决过渡区易破坏的问题，需要降低过渡区应力水平。通常有两种方法，一是可适当调节过渡区坡角，即图5中α、β的角度。一般来讲，减小其角度能通过降低过渡区应力水平来提高边肋结构的抗拉能力;二是对过渡区泡沫保护，如图5，过渡区后加立筋进行泡沫保护是一种有效方法，立筋位置L对过渡区受力情况有较大影响，适当减小L可提高边肋结构的抗拉能力;

(3)边肋连接螺孔处破坏也是一种常见的边肋结构破坏形式，一般可选用加厚玻璃钢连接边厚度或选用大直径螺栓来分散螺孔处承受的压力，使之可抵抗更大的拉力。

图5 边肋优化参数示意图

按照上述思路进行边肋结构优化，主要针对边肋结构参数α、β及L进行优化。首先将玻璃钢边肋处增厚2 mm，以保障实心边肋的强度满足强度要求;而后反复校对数组α、β取值，选取角度适宜且能使过渡区应力水平降低的匹配值，最后调整L的距离，达到设计最优化要求。

如图6所示为边肋优化后仿真结果，优化后边肋承受15 000 N拉力时泡沫最大主应力为0.19 MPa，边肋过渡区受力水平明显降低。

图6 边肋优化后泡沫受力云图

3 天线罩边肋拉伸试验

本文选取上节中论述的原有设计和改进设计两种边肋连接结构做边肋拉伸试验，并用有限元仿真预测其破坏时拉力。拉伸试验结果如表1所示，边肋结构的优化使连接件的抗拉能力提高到原来的2倍。

表1 边肋拉伸试验与仿真结果

鉴于工艺水平的限制、仿真中材料的简化定义等原因，可以认为试验与仿真之间的误差可以接受，边肋拉伸试验中泡沫破坏及螺孔破坏结果基本与仿真结果吻合，边肋实际的抗拉能力略高于仿真结果，优化设计手段有效。

图7 优化后边肋拉伸破坏

需要说明的是，经过优化的边肋在试验验证满足结构强度的基础上进行了相应的电性能计算。经计算，电性能设计认为当前优化的边肋结构对电性能指标影响较小，基本满足电性能设计要求。

4 结语

提高天线罩边肋抗拉性能可通过改进边肋材料或边肋结构来完成，如更换高强泡沫、降低边肋过渡区角度、过渡区泡沫保护等都会提升天线罩抗拉性能。同时可通过利用有限元仿真方法辅助边肋结构优化设计，设计结果基本能够与实际情况相吻合。

当前边肋强度优化设计方法适用于高抗风环境下大尺寸雷达天线罩夹层结构板块的边肋设计。

［1］张志孝，周怡.大尺寸、高性能地面雷达天线罩的研制［C］// 2014年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集，2014:54 -57.

［2］孙懿敏，阎宏涛.大型球面天线罩随机划分方法［C］//2011年机械电子学学术会议论文集，2011:66-69.

［3］佟丽莉，孟松鹤，陈辉.大型地面雷达天线罩内力及稳定性分析［J］.纤维复合材料，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)

杨成(1990-)，女，黑龙江人，硕士，结构工程师。研究方向:复合材料天线罩结构设计。

E-mail:hrbfrp_yc@163.com.