雷达碳纤维天线结构

雷达碳纤维天线结构

摘要球载雷达对球上设备重量要求较高，为了达到设计指标，天线采用轻质碳纤维复合材料以减轻重量。利用HYPEMESH和ANSYS对天线骨架进行力学分析，在力学分析的基础上，充分利用复合材料的可设计性，设计出符合要求的轻质碳纤维复合材料天线。同时总结了大尺寸、轻质碳纤维复合材料天线一些设计经验。

关键词球载雷达；碳纤维天线；复合材料；ANSYS分析；HYPEMESH分析

Design of Modem Radar Aerostats Composite Materials

Antenna

Abstract: The weight of radar in modern radar aerostats is strict limited, In order to reach the stand of design, the radar antenna made of carbon fiber composite material to reduce the weight of antenna. This paper make mechanics analysis on the antenna by HYP EMESH and ANSYS, on the base of mechanics analysis and take full advantage of carbon fiber composite material, the regular antenna were design. At last, the author give some advice about how to design the light comp osite material antenna.

Keywords : Radar aerostats；Carbon fiber composite antenna；Composite materials；mechanics analysis

球载雷达为悬挂结构，雷达自身平衡和轻型化是结构设计重点。结构总体设计时需要充

分考虑体积、重量等条件的约束，进行综合优化设计。由于重量的限制和雷达自身平衡，必须进行

轻型化设计，通过采用轻质碳纤维复合材料制备实现轻型化设计的要求和解决自身平衡的问题。同

时在总体结构设计时进行了电子机架与天线背筋框架一体化设计，这就对碳纤

维复合材料天线要求具有较好的刚度和强度。

2碳纤维天线骨架结构设计

根据雷达系统的总体要求，对天线结构总体方案进行设计。天线结构技术要求，主要有

以下几方面组成：

图1碳纤维天线骨架三维效果图

2.1天线形状和重量要求

天线反射面为双弯曲赋形反射面，天线外轮廓用椭圆截取。天线总重量小于馈源

115kg （含托盘和支杆）。

2.2天线分块设计和精度指标分配

天线分成3块，中块宽度2000mm ，两边块宽度1600mm 。天线反射面误差分配：中块 反射面均方根误差 bW 0.5mm ，两侧边块0.8mm ，在加载情况下，拼装后的反射面的总 精度b w 1.0mm ，拼接缝隙 w

w

1.0mm 。

2.3机械性能的设计

天线分块拼接及天线与电子设备机架连接的每处均能够承受

40kg 的拉力，装配后满足

整体精度指标要求，天线自重 110kg 可以承受过载3g 。综合分析以上系统要求，确定结构

方案选定复合材料，进行力学分析。由于复合材料性能受原材料及工艺过程的影响比较大， 在确定材料型号和结构形式以后，

先制作试验件，对其进行各项性能指标的测试，

确定工艺

过程。以测出的各项试验数据作为力学分析的参数，

在分析计算的基础上对天线结构进行优

化设计，加工成形以后进行个各种指标的测试，以对设计进行验证。

设计定型

图2.碳纤维天线结构设计流程图

3碳纤维天线骨架复合材料设计

3.1原材料的选择

以天线结构力学分析为设计依据， 考虑现有材料的性能和天线结构形式本身的特点， 决

定天线骨架复合材料采用泡沐夹层结构， 以提高天线骨架的整体刚度和稳定性。

两个边块蒙

皮采用T300环氧树脂预浸料，厚度为

0.17mm ，复合材料为5层。天线和电子机架相连接

处是天线的受力集中点，对力学性能要求较高，蒙皮采用高模量 M40J/3236预浸料，厚度

为0.17mm ，复合材料为5层，在复合材料中预先预埋铝块作为天线与电子机架连接过渡结 构。增强

材料纤维和基体的性能见表

表1增韧环氧树脂性能

密度g/cm 3

拉伸强度MPa 拉伸模量GPa

弯曲强度MPa

弯曲模量GPa

泊松比

1.23

52.8

4.07 108 4.3 0.33

表几种增强纤维的性能

原材料选择

性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制

1和表2。

失效分析

有限元应力与应变分析

纤维牌号

密度（g.cm -3）

拉伸性能（Mpa ） 拉伸模量（Mpa ） 断裂伸长率（%

T300 1 . 74 2900 230 1. 7 T700S 1 . 76 4900 230 2. 1 T800 1 . 81 5490 294 1. 9 T1000G 1 . 82 6370 294 2. 2 M40J 1 . 80 4120 475 0. 8 M55

1 . 80

4020

540

0. 8

3.2复合材料铺层设计

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。 为此采用 接近零膨胀的准各项同性铺层设计，以确保天线的尺寸稳定性。

碳纤维天线背筋骨架的铺层为：

0.85 mm 。进行循环铺层。

4碳纤维天线骨架力学分析

碳纤维天线的有限元建模首先采用

Altair Hypermesh 对几何模型进行网格划分和网格优化，再导

入

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0 I B ~~5r

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图3碳纤维天线工作状态等效应力分布图

对天线背筋采用壳单元 Shell63、对天线边块和天线中块的连接处采用实体单元

[0 o

/45 o

/90 o

/ — 45o

/0o

]。每层的厚度为 0.17mnr 。厚度为

CAD 软件PRO/E 建立其详细几何模型，然后使用

ANSYS 求解器进行求解。

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图2碳纤维有限元模型图,