3D织物复合材料在大型地面雷达天线罩上的应用

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摘要：  3D织物复合材料具有优异的透波性、高比强度、刚性、韧性及耐腐蚀性能，是一种结构功能一体化复合材料。该种材料在小型天线罩上已广泛应用，因其经济因素未在大型天线罩上推广，本文对3D织物复合材料在天线罩的应用情况进行了介绍，并针对3D织物复合材料在大型地面雷达天线罩的应用提出了优化设计方案，在满足天线罩结构力学要求基础上，进一步满足客户对天线罩的使用要求。

关键词：3D织物复合材料；透波性；结构力学；天线罩

1 引言

雷达天线罩作为雷达天线的保护设备不可或缺，具有非常高的设计要求，在满足电磁辐射穿透性能的同时还必须满足刚度、强度及寿命等设计条件[1]。一般要求天线罩材料要有高强度、高模量、介电性能好等方面的优点，主要考察指标为材料的介电常数和损耗角正切。天线罩蒙皮通常采用玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维和聚乙烯纤维等，树脂基如环氧、酚醛、乙烯基等作为增强材料的复合材料，芯层采用聚氨酯泡沫、PVC、蜂窝泡沫等材料。[2-4]由于3D织物复合材料是一种结构透波材料，具有较低的介电常数和损耗角正切值等优异电性能，而且3D织物复合材料在结构力学性能（抗分层、抗剥离性能）、成型工艺性、减重方面等优势，3D织物复合材料作为夹芯材料在小型天线罩上也有广泛应用 [5]。考虑成本因素，泡沫材料在大型天线罩的应用要比3D织物复合材料的应用要更广泛、更经济。

2 3D织物复合材料在大型地面天线罩上的应用

2.1 应用背景

为了便于天线罩组装和维修，一般直径7米以上的天线罩均设置顶部加强区，承重在100kg，便于安装吊环，满足安装维修人员使用条件。出口欧洲天线罩需满足欧洲标准EN795的安全要求，该标准要求固定锚点静态承重应在10KN～30KN范围内，采用了3D织物复合材料制作天线罩顶板既满足欧洲标准要求，同时保证天线罩结构强度和电磁透过性能。3D织物复合材料制是由玻璃纤维、碳纤维、石英纤维等多种高性能纤维立体编织而成，其立体结构由纤维经纬交织形成的上、下两个面层及两个面层间纤维互相交织形成的Z 向树立的芯柱组成，芯柱将均匀分布着连续的微孔上下两面层连接为一整体，并将两面层间保留一定的距离[6]。该织物具有树脂渗透快，避免树脂固化集中等优点。通过试验测试厚度为12mm的三D织物复合材料的玻璃钢板压缩强度为0.90MPa，而厚度为30mm的聚氨酯泡沫板的压缩强度为0.35MPa，由此可见3D织物复合材料制成的玻璃钢板抗力效果更佳，本文采用了3D织物复合材料与玻璃纤维布和树脂固化成型的板块代替玻璃钢实心结构板块来实现顶部加强区的高强度结构，满足维修维护人员操作过程中的安全风险防范要求。

2.2 3D织物复合材料板块力学分析

本文对3D织物复合材料板块进行了优化厚度设计，并用ANSYS软件对其结构力学进行分析。

1） 结构尺寸

天线罩板块为顶盖板采用C夹层结构，内中外蒙皮采用玻纤/聚酯树脂材料，芯层采用3D织物材料。

2）材料性能

天线罩内、中、外蒙皮为玻纤/聚酯树脂，其性能为：

弹性模量：12900MPa；密度：1900Kg/m3；泊松比：0.13；抗拉强度：240MPa；弯曲强度：200MPa；抗压强度：120MPa；抗剪强度：65MPa。

天线罩夹层为3D织物材料复合材料，其性能为：

弹性模量：45MPa，密度：80Kg/m3，泊松比：0.13，压缩强度：4.5MPa。

3）载荷及边界条件

载荷考虑了受力和自重的作用。

受力15kN，受力面积180×180mm2。

自重，给定重力加速度，由软件自动加载。

约束条件为：底部边界处X、Y、Z三个方向位移为零。

4）有限元算法

用有限元分析软件ANSYS对天线罩板块进行了结构分析。

通过计算顶部区域满足稳定性要求，在应力载荷作用下，蒙皮最大拉应力为35.5MPa，最大压应力为-37.9MPa，3D织物复合材料最大应力为0.105MPa，均小于极限强度，满足强度要求。

2.3 样板的电性能测试比较

在保证3D织物复合材料板块的强度的同时，又要保证该板块在工作的一二次合装雷达工作频段传输损耗的要求，通过对比试验测试试验可以看出3D织物复合材料板块满足电性能要求。

2.4   3D织物复合材料板块制作工艺

3D织物复合材料板块采用湿法成型工艺，采用C夹层结构形式结构式意图见图2-2，其中内外蒙皮采用玻璃纤维布和树脂常压固化成型，中蒙皮采用玻璃纤维布通过不饱和聚酯树脂自然固化成型方式。具体工艺过程见图2-3。

3. 结论

经实际验证，该3D织物复合材料作为天线罩板块成型的一种芯层材料，实现了设计预期性能。3D织物复合材料既能实现天线罩局部加强减重的作用，并满足产品刚强度性能指标要求，综合考虑天线罩的电性能、结构性能和经济性，在产品性能、适用性和成本等方面做好优化设计，解决各种应用领域的实际应用问题。

参考文献

[1]方芳 先进复合材料在雷达上的应用[J].电子机械工程，2013（01）： 28-31+54.

[2]王飞，石佩洛 树脂基复合材料在雷达天线罩领域的应用及发展[J].宇航材料工艺，2017（02）：10-13

[3]杨召甫，田洪海，王韦． 某型引进相控阵雷达天线罩修复技术研究[J]． 航空维修与工程，2017（ 2） ： 68-69．

[4]李大进，肖加余，邢素丽． 机载雷达天线罩常用透波复合材料研究进展[J]．材料导报，2011，25： 352-357．

[5]赵大娟，周正亮，张守玉 三维中空复合材料天线罩的有限元结构分析[J].玻璃钢/ 复合材料2018（01）： 98-102

[6]许建伟，李春林，高凌，陈同海 三维织物复合材料天线罩的应用研究[J] 电子机械工程2018（04）： 36-39

通讯作者：王玉玲，女，硕士，中级工程师。研究方向： 复合材料雷达天线罩研制开发。