某弹载天线的抗力学环境设计及动态性能分析

刘攀

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

弹载天线是在弹载设备电磁波信号传播、发射和接收的关键部件，其性能直接影响着整个弹载设备的电气指标[1]。随着弹体不断地发展和改进，弹载天线需要承受非常恶劣的环境，特别是弹体在发射和分离过程中，弹载天线承受最大过载达到104g以上，冲击峰值持续时间为毫秒级。有研究结果表明：振动和冲击时引起电子设备故障的主要因素，电子产品的失效比例高达（50~60）%[2,3]。由于弹载产品的特殊性，弹载产品通常情况下在导弹舱内的安装方式为刚性连接，没法通过对整机采取隔振措施，因此弹载设备的抗振动、冲击技术是导弹的关键技术之一。

弹载天线的抗振动、冲击设计主要通过对天线进行加固设计和缓冲设计。弹载天线的加固设计主要通过提高承载结构件的抗振动、冲击能力，并针对大尺寸和大质量的元器件采用机械或胶粘加固，使整机在不加任何隔振措施情况下，就能通过抗振动、冲击[4]。缓冲设计主要是采取动态性能好的灌封材料对设备内部电路系统进行灌封，使其固化为模块，提高设备的抗过载能力[5]。

本文根据弹载天线的环境试验条件和天线性能指标，对该天线进行了抗振设计和动态响应分析。本文首先对该弹载天线的结构设计进行介绍，包括天线的组成和结构形式；其次对天线的抗振动、冲击设计进行分析；最后结合有限元分析对弹载天线进行动态性能分析。

1 弹载天线结构设计

1.1 天线结构组成

弹载天线主要由收发模块、频综模块、射频转接组件、AIU模块、信号处理模块和电源模块组成，如图1所示。整机天线以射频转接组件为主要承力构件，设置了整机在弹上的安装法兰盘。收发模块通过8个M3沉头螺钉紧固在射频转接组件上，频综模块通过5个M3螺钉单独固定在射频转接组件上，电源模块、信号处理模块和AIU模块通过9个M4的内六角螺钉穿通紧固在射频转接组件上。

图1 某弹载天线爆炸分解图

天线整机主结构件材料根据需要选用7075铝合金，铝合金7075具有较高的比刚度和强度，在减小整机重量的同时还具备较高的刚度和强度。

1.2 天线结构设计

本天线采用模块拼接构型进行设计，各模块具有独立的功能，易于模块的软硬件技术升级和扩展能力，各模块的高频信号通过SMP-KK连接器进行盲插互联，低频信号通过J63A连接器进行盲插互联，通过互联插合紧固实现电气和机械连接同步到位，从而实现了结构、电气的紧藕结合。这种结构具有良好的紧凑型、重量轻、抗振、冲击好、维修方便、扩展性好等优点。

2 弹载天线抗振动、冲击设计

2.1 抗振动设计

由于天线与平台的安装方式为刚性连接，无法在天线与平台之间添加隔振器。因此天线在满足质量的要求下，需要对天线进行加固设计和缓冲设计，以使天线满足振动力学环境条件。主要采取的措施如下：

1）提高天线整机的刚、强度

提高结构的抗振能力主要通过结构的刚度和增大结构阻尼。刚度越大，抵抗变形的能力越强，其自身固有频率越高,相应的结构的振幅就越小，因而振动时的应力也越小，其抗振动能力也越高。本天线采用模块拼接构型设计，各模块采用一体化结构设计，射频转接组件作为主承载结构，在满足重量要求情况下，尽量加厚其法兰盘厚度，并且在腔体内部设计多个筋板，提高结构强度。电源模块、信号处理模块和AIU模块不仅通过多个高强度螺杆穿通紧固在射频转接组件上，并且各模块间采取镶嵌设计措施，可以保证各模块间在各个方向上既有双向限位，避免天线串接螺杆在使用过程中承受横向剪切力。模块内部的印制板布局合理，尽量对称均匀布局，安装尽量低矮，体积和质量较大的元器件布于靠近安装点的位置上，合理增加印制板固定点，减小电路板固定间距，不仅能提高固有频率，还可以防止元器件集中受力。对于质量和体积较大的元器件需要采取机械加固或则粘接加固。

2）固有频率的控制设计

众所周知，当设备的某一阶固有频率与激励频率重合时就会发生共振现象。本天线的力学环境条件是固定不变的，无法通过改变激励频率使天线避免共振现象。并且一个复杂的系统有多阶固有频率，在激励频率范围较大时，复杂系统则无法完全避免共振现象。

对于本天线而言，天线整机在无法完全避免共振的情况下，如何避免天线内部产生局部共振是重点研究对象。在天线设计时，应使天线各个模块的固有频率远离天线整机固有频率，和模块内部电路板固有频率远离模块的固有频率。从理论上来讲，当两则的固有频率比值大子2时，此时相互的共振响应较小。

天线的固有频率与天线质量和刚度有关。天线的质量受结构材料和结构形式限制，则无法轻易改变天线的质量，因此固有频率的控制主要通过改变刚度来实现，为了使天线各模块固有频率远离天线整机固有频率和各电路板远离模块固有频率,主要采取以下措施：

①合理增加模块的固定点，提高模块的刚度，从而提高模块的固有频率；

②合理增加模块主承结构件的筋条，提高模块的刚度；

③电路板的合理布局并合理增加电路板的固定点，提高电路板的固有频率。

3）去耦设计

本天线是个多自由度系统，存在多个振型，并且各振型存在相互耦合。因此在天线设计时需要尽量减少各振型的耦合和减少天线的谐振数量，从而减少共振峰数量并抑制共振峰值。

天线在激励振源下，可能会产生扭转振动和弯曲振动的耦合。因此在结构设计时，各模块的布局一定要合理，使天线在高度方向的尺寸尽量最小，将安装法兰设计在射频转接组件上，使天线重心尽量靠近安装面，有利于降低天线的重心 ，并在设计时各模块布局尽量均匀对称，使天线重心与天线安装固定点的重心大致重合。

2.2 抗冲击设计

为使天线满足高量级冲击振动，除了对天线采取加固措施外，还对天线的电源模块采用了缓冲设计，提高电源模块的抗冲击能力。

由于天线的电源模块含有多个重量和体积较大的DC-DC组件，为使电源模块满足高量级冲击振动，电源模块采取聚氨酯材料对其进行灌封处理，灌封材料具有粘弹效应和横向惯性效应，使其应力波在传播过程中会发生幅值衰减和波形弥散作用，通过灌封材料的弹塑性变形和阻尼作用吸收能量[5]。

3 弹载天线动态响应分析

为了验证本天线满足其振动力学环境条件，通过有限元分析方法对本天线进行模态分析、随机振动分析和冲击响应谱分析，校核天线结构的刚强度，验证其可靠性。

具体的力学试验条件见表1和表2。

表1 随机振动条件

表2 冲击响应谱试验条件

动力响应分析首先要建立动力学基本方程，在实际情况下，复杂的问题很难建立偏微分方程，并且很难求解，普遍采用常微分方程，最常见的有限元动力学基本方程[6]：

式中：

[M]，[C]，[K]—质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；{x˙}，{}，{?}—位移向量、速度向量、加速度向量；{F(t)}—激励载荷。

3.1 模态分析

模态分析是动力学分析的基础[7]，通过模态分析可以得到系统的动态特性参数，包括：各阶固有频率和相对应的振型。

天线的振动特性主要取决于天线本身的质量、刚度和阻尼，与外激励载荷无关。由于天线的阻尼较小，对天线的固有频率影响较小，在计算天线的固有频率时，不考虑阻尼带来的影响。无阻尼自由振动运动方程为：

当发生谐振动，即

结合式（2）和式（3），运动方程可表示为：

要得到式（4）的非零解，则需要求解如下方程式：

式中：

ωi，φi—第i阶固有频率和都i阶振型。

求解式（5）可得到n个固有频率和n个对应的振型。

天线的材料力学见表3所示。结合振动试验条件，主要提取了（0~5 000）Hz范围内的所有模态，其中前6阶模态（见表4）和振动模态振型（如图2所示）。

表3 材料力学性能表

表4 前6阶固有频率

图2 天线前6阶对应的模态振型

3.2 随机振动分析

根据表1试验条件分别对弹载天线施加X、Y、Z三个方向随机振动激励，并进行有限元分析。有限元分析采用模态叠加法，经过计算得到天线在三个方向的等效应力标准差和等效变形标准差，如表5所示。

表5 随机振动仿真结果

从表5可知，天线在三个方向的最大等效应变发生在X方向，最大变形量为0.18 mm，位于AIU模块的印制板上；最大等效应力发生在X方向，最大应力为72.2 MPa，位于天线安装法兰盘上。

3.3 冲击响应谱分析

冲击响应谱常采用模态叠加法来计算系统的动力学响应，系统的模态总响应为：

式中：

N，εij，Ri—扩展模态的个数、模态耦合系数、第i阶模态响应。

利用有限元分析软件的谱分析功能，选择SRSS法（平方之平方根法）的模态叠加方法计算冲击响应的极值，即

根据表2分别对弹载天线施加X、Y、Z三个方向激励。计算得到了天线在三个方向的最大应力的最大变形，见表6所示。

表6 冲击振动仿真结果

图6 X向冲击载荷最大应力

从表6可知，天线在三个方向的最大应变发生在X方向，最大变形量为1.04 mm，位于AIU模块的印制板上；最大等效应力发生在X方向，最大应力为212 MPa，位于射频转接组件上。

3.3 结果分析

根据整机结构的强度校核公式：

式中：

MS，σf，σmax，f—安全裕度、许用应力、计算应力、安全因子（对于屈服极限取1.2，对于破坏载荷取1.35）。

在随机振动分析中，天线的最大应力为72.2 MPa，对应的安全裕度为3.44，满足设计要求。

图3 X向最大等效应力

图4 X向最大等效变形

在冲击响应谱分析中，天线的最大的应力为212 MPa，对应的安全裕度为0.5，满足设计要求。

4 结束语

弹载天线作为导弹内部的关键设备，为了使弹载天线能适应高量级的载荷，本文详解介绍了弹载天线的结构设计、抗振动和冲击设计以及动态啊应分析。通过对弹载天线的动态响应进行分析，结果表明该弹载天线能满足高量级的振动和冲击载荷，满足力学环境条件。

经过实物样机的试验验证，本弹载天线的结构形式具有抗高量级振动、冲击的能力，对同类产品貝有一定的鉴定意义。