某星载轻质碳纤维天线框架结构设计

某星载轻质碳纤维天线框架结构设计
朱迅; 王岩; 梁旭
【期刊名称】《《纤维复合材料》》
【年(卷),期】2017(034)004
【总页数】4页(P20-23)
【关键词】星载天线; 轻质; 碳纤维; 承力结构
【作者】朱迅; 王岩; 梁旭
【作者单位】中国电科科技集团公司第三十八研究所合肥230088
【正文语种】中文
1 引言
某星载天线结构须承受发射主动段的恶劣力学环境。

根据天线压紧方式，天线的力学响应不仅与附着上面单机的质量、布局、刚度等相关，还主要取决于天线框架的质量和刚度等性能[1]。

由于天线框架内安装设备多、质量大，天线尺寸大，处于工作状态时精度要求高，天线有限阵面尺寸下各单机布局紧张。

因此设计天线框架结构时必须综合考虑天线框架的质量、强度、刚度、机械接口、构型设计和材料设计的匹配难题[2]。

2 天线框架功能和组成设计要求分析
2.1 功能要求分析
天线框架为天线各单机设备提供安装面和安装空间，并实现天线的安装和定位。

天
线框架结构应保证在地面和力学环境试验期间构型的完整性，在组装、停放、起吊、翻转、运输和试验时承受载荷。

在寿命期间，天线框架对天线阵提供安装接口并起到支撑作用，维持一定的刚度、强度和精度[3]。

2.2 组成要求分析
某星载天线共含有2个天线框架结构，整体状态如图1所示。

天线随舱发射上行时，通过舱内压紧装置将2块天线框架结构压紧在转接框上，承受和传递舱段发
射主动段的力学载荷[4]。

图1 某星载天线发射压紧状态示意图
2个天线框架在设计构型上相同，每个天线框架由硬铝合金角块、硬铝合金埋块和碳纤维复合材料方管构成。

2.3 技术指标要求分析
天线框架的技术指标主要包括：质量要求、基频要求、强度要求、裕度要求和精度要求等[5]。

结合产品的设计规范要求，天线框架基频应该不小于100 Hz；天线整机基频不小于30Hz；根据研制规范和总体设计输入条件，零部件强度裕度不小于0.12、组件刚度不小于1.75。

综上所述，形成天线框架主要技术指标如表1所示。

表1 天线框架结构技术指标序号项目性能要求说明依据1质量12kg单个框架质量。

总体设计输入2框架基频100Hz4个压紧点，框架基频。

项目型号规范规定
3天线基频30Hz两块天线阵面压紧后基频。

项目型号规范规定4裕度要求强度裕度：金属材料不小于0．12，非金属材料0．215正弦条件10倍静载估算，按材
料极限强度考核。

项目型号规范规定单个组件刚度裕度：不小于1．75发射状态，压紧条件下天线整体刚度总体设计规范要求5精度RMS：0．5mm4个角座平面
的平面度电讯指标要求6包络1000mm×725mm×100mm单个框架尺寸总体输入
3 碳纤维天线框架结构设计
3.1 设计准则分析
天线框架的主要作用是支撑和安装天线单机设备，为单机提供安装接口并对单机设备连接面板起到刚度加强的作用。

因此，支撑刚度、接口强度、安装面平面度是框架结构最重要的考核指标[6]。

整个任务中，发射阶段框架所承受的力学环境最为
苛刻[7]。

天线发射时，由4个压紧点将框架压紧在舱体侧壁上，框架既要承受自
身的重量也要负载单机设备(125 kg)的载荷。

这些载荷主要源于正弦振动时所产生的惯性力。

根据《某星载产品设计与建造规范》，强度的设计指标分解为：在压紧点约束下，考虑正弦加速度激励最大时刻的惯性力外载，框架强度裕度值的大小。

根据规范最大惯性力条件为7 g，等效静载荷安全系数按照10计算。

刚度的考核指标分解为：在压紧点约束下，附加单机设备质量时，天线框架的基频。

进一步考虑压紧座连接环会造成一定程度的刚度降低。

为满足单框架刚度要求，在压紧点固支的边界条件下，框架组件负载后基频值按1.75的安全裕度设计。

平面度指标的实现：除此以外，天线框架4个角块平面的平面度要求较高，为满
足RMS 0.5 mm的平面度要求，需要在每个角块的两边设计调整垫块。

框架各零部件生产检测完毕后，需将所有零部件固定于光学平面上整体胶结和装调。

3.2 天线框架设计方案介绍
天线框架除了满足基频要求外，还预留了框架与天线板的游离设计接口尺寸，以维持太空热环境的适应性[8]。

根据电讯尺寸设计要求，天线框架的外形尺寸为1
000 mm×725 mm×100 mm，外形尺寸较大。

天线框架结构方案采用4个硬铝
合金角块胶结4个碳纤维复合材料边框的形式，如图1所示。

采用这种结构形式
可以有效的将所有与外部设备连接接口全部集成于铝制角块上，从而避免了将设备连接在复合材料时造成复合材料框架的强度损失。

天线框架结构组成如表2所示，其中铝制角块负责提供外部设备的连接接口，起
到保证天线框架连接强度和平面度的作用。

碳纤维复合材料边框起到增强天线框架刚度的作用。

表2 天线框架结构组成序号名称作用材料数量质量1角块1保证强度和平面度，
提供边框、压紧杆、快插机构的连接接口2A1211．52角块2保证强度和平面度，提供边框、压紧杆、快插机构、板间铰链的连接接口2A1211．63角块3保证强
度和平面度，提供边框、压紧杆的连接接口2A1211．34角块4保证强度和平面度，提供边框、压紧杆、板间铰链的连接接口2A1211．45边框1保证刚度
HM55J/522820．56边框2保证刚度HM55J/522820．927销钉提高强度、定
位2A12160．0028钢丝螺套提高连接强度和次数M6、M8标件480．001合计(kg)8．6
为了保证刚度，天线框架边框采用截面尺寸为100 mm×50 mm，壁厚为2 mm
的碳纤维复合材料方管结构，材料为HM55J/5228碳纤维环氧树脂基复合材料。

图2 天线框架结构示意图
3.3 天线框架边框复合材料设计
由于碳纤维轴向和径向线膨胀系数相差较大，只有采用准各向同性铺层，利用碳纤维轴向负的线膨胀系数，抵消树脂正的线膨胀系数，使各方向的线膨胀系数接近于零[9]。

为此采用接近零膨胀的准各项同性铺层设计，以确保天线框架的尺寸稳定性。

碳纤维天线框架方管的碳纤维铺层为：[0°/45°/90°/-45°/0°/45°/90°/-
45°/0°/45°]，每层的厚度为0.2 mm。

碳纤维方管蒙皮厚度为2 mm。

对于碳纤
维天线框架方管，可以根据铺层计算等效的材料参数，碳纤维预浸料是正交各项异性材料，对于正轴情况下，它的应力应变关系如下：
其中，Qij(0)表示缩减刚度系数，由下列公式给出
Q11(0)=E1/(1-ν12ν21)
Q22(0)=E2/(1-ν12ν21)
Q12(0)=ν21E1(1-ν12ν21)
Q66(0)=G12
ν12/E1=ν21/E2
对于偏轴轴情况下，它的应力应变关系如下：
其中，c为cosθ，s为sinθ。

θ为纤维铺层方向与0°方向夹角。

用平均应力，层压板的应力-应变关系为：
其中，
对于正交各项异性层压板，A16=A26=0，显然这意味着：
这样就可以得到正交各项异性层压板的模量表达式：
由上述公式可以计算出碳纤维天线框架的等效材料参数，根据等效参数对天线进行力学分析。

图3 某星载天线有限元模型
3.4 天线框架刚强度分析
3.4.1 天线框架刚度分析
固定天线框架压紧点，负载125 kg的单机质量，估算天线框架的固有模态，得一阶固有频率为545.6 Hz，基频裕度为4.45，满足基频裕度1.75要求，结果如表4。

一阶振型为长管绕坐标系Y轴弯曲，如图4a所示。

表3 天线框架刚度计算结果基频Hz振型描述安全裕度545．6长梁绕Y轴弯曲4．45
3.4.2 天线框架强度分析
根据表1给出的载荷条件，按照每个方向在最大载荷区域放大10倍载荷考虑，估算框架结构的强度，结果如表4a所示，强度裕度满足0.15的设计指标要求。

其中工况3下，框架应力分布状态如图4b、4c、4d所示。

图4 天线框架力学分析结果
表4 天线框架强度计算结果工况载荷条件最大应力(MPa)安全裕度1X向铝合金：36．29．77复合材料：11．361．642Y向铝合金：54．976．09复合材料：11．821．543Z向铝合金：86．313．52复合材料：11．331．61
4 结语
本文在对天线框架的功能和使用边界条件详细分析的基础上，采用高强碳纤维方管作为主承力结构，采用预埋角件作为安装接口，实现有效的应力传递，采用对称铺层设计碳纤维方管保证高刚强度要求，经过分析设计的天线框架满足使用要求，并得出如下结论：
(1)碳纤维方管与金属角件连接处强度有一定损失，在成型时需要局部缠绕进行补强设计；
(2)金属角件与碳纤维方管预埋接触面需要设计导胶槽，增加复合材料基体树脂与金属表面的粘接面积，增加粘接力；
(3)复合材料方管碳纤维铺层对称铺层，确保准各项同性，既保证天线框架的刚强度，也保证框架整体的抗压性能。

参考文献
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