大型復(fù)雜天線罩模具設(shè)計研究

1、大型復(fù)雜天線罩模具設(shè)計研究 摘要：隨著測控雷達(dá)的開展，車載方式作為一種新的形式存在，相配套的雷達(dá)罩越趨復(fù)雜，本錢也逐步增加。文中根據(jù)某大型復(fù)雜天線罩的關(guān)鍵特征，使用低本錢凹模模具控制內(nèi)外表寬度尺寸，以現(xiàn)有固化爐平臺作為底板，從材料、拆分方式、制造方式等方面進(jìn)行比照確定模具的最終形式，并利用ANSYS15.0有限元軟件進(jìn)行強度分析，確定模具板材的最正確厚度。在滿足產(chǎn)品要求的情況下，采用低本錢的真空袋壓成型技術(shù)和分次固化方式成型。同時對關(guān)鍵的溫度曲線進(jìn)行摸索，制定出適合此大型模具的工藝溫度曲線，并利用尺寸控制技術(shù)精確控制最終成型尺寸。檢驗測試結(jié)果說明，該天線罩模具滿足產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和電性能指標(biāo)要求。關(guān)

2、鍵詞：大型復(fù)雜天線罩；模具；低本錢；真空袋壓成型技術(shù)；溫度曲線引言天線可以看作是一種精密儀器，其外形尺寸和外表精度都有很高的要求。長期暴露在惡劣環(huán)境中的天線，其精確性、穩(wěn)定性和可靠性等將受到嚴(yán)重影響。天線罩是保護(hù)雷達(dá)天線的重要部件,它保護(hù)天線不受損傷，免受風(fēng)、雨、雪、冰、沙、鹽霧、上下溫以及一些腐蝕性化學(xué)物質(zhì)和工業(yè)污染物等的影響，使天線工作性能穩(wěn)定、可靠【1】。文獻(xiàn)【2】以雙馬來酰亞胺、氰酸酯和聚酰亞胺等樹脂為原料，按照熱壓成型工藝制備了大功率雷達(dá)天線罩，對制備材料進(jìn)行的拉伸試驗和介電性能測試說明，S玻纖/雙馬預(yù)浸料為最優(yōu)方案。文獻(xiàn)【3】設(shè)計了熱壓罐成型的泡沫夾芯天線罩，并在天線罩外表設(shè)計了一

3、種維修窗，可以在不拆卸天線罩的情況下維修天線罩內(nèi)的電氣設(shè)備。文獻(xiàn)【4】通過對雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)及成型工藝要求的分析，介紹了利用陰陽模及卸料圈使雷達(dá)罩脫模的模具設(shè)計結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要點，并提出了制造過程中應(yīng)注意的問題及解決方法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和模具制造質(zhì)量。通過分析發(fā)現(xiàn),這些文獻(xiàn)主要集中在天線罩的熱壓罐成型方面，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線罩的研究較少，在模具設(shè)計方面提及思路較多，而細(xì)節(jié)較少。因此本文以某車載式方艙A夾層復(fù)雜天線罩為例，在模具設(shè)計思路及細(xì)節(jié)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過有限元軟件進(jìn)行了強度分析，以真空袋壓代替熱壓罐成型，并在后續(xù)測試中檢測了成型質(zhì)量。1模具設(shè)計如圖1所示，天線罩是弓型結(jié)構(gòu)，尺寸為249

4、5mmx8135mm，兩側(cè)夾角為(1500.1)，整體長度尺寸要求8135mm公差為+1∼+4mm，內(nèi)側(cè)底面寬度尺寸要求906.7mm公差為+1∼+3mm，內(nèi)外表平面度為1mm，側(cè)面和底面分布著232個安裝孔，每個安裝孔內(nèi)有預(yù)埋件。天線罩成型模一般有3種類型：凸模、凹模和合模，其具體特點見表1。根據(jù)天線罩尺寸和現(xiàn)場生產(chǎn)方式，采用凹模形式的模具。凹模模具結(jié)構(gòu)簡單，易于數(shù)控加工，在鋪層過程中方便人工鋪貼，容易脫模，制造本錢低。模具常用的材料有鋁、低碳鋼和INVAR合金。不同的材料熱膨脹系數(shù)和本錢有著很大差異。模具尺寸膨脹變化對天線罩最終成型尺寸的影響很大。由表2可知，鋁制模具的熱變

5、形量遠(yuǎn)大于鋼制模具的熱變形量，而INVAR合金的熱膨脹系數(shù)雖然很低，但其本錢比低碳鋼高很多。因此，經(jīng)過綜合考慮，選擇低碳鋼作為模具材料。由于天線罩四周和底面均分布有預(yù)埋件，所有預(yù)埋件在成型過程中均需要定位，故模具采用全封閉式，預(yù)埋件通過螺栓與模具固定。天線罩尺寸較大，因而模具尺寸也很大。為了方便模具加工、裝配和運輸，需對模具進(jìn)行拆分和組裝。經(jīng)過分析，模具設(shè)計成2段，采用板材拼焊加工方法。2模具有限元分析如圖2所示，整個有限元模型以殼單元建模，約束位置位于壓板位置，載荷為內(nèi)側(cè)一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為130C。圖3和圖4分別為整體變形云圖和模具外表法向變形云圖。從變形云圖可知，在高溫加壓條件下，模具

6、整體在縱向有7mm左右的膨脹變形，模具外表的法向變形為−0.6∼+0.8mm。圖5為模具的應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖可知，模具整體最大應(yīng)力為141.5MPa，位于后側(cè)支撐筋位置。從仿真建模和分析結(jié)果可知，模具在高溫加壓載荷下，整體變形最大為5.5mm，模具外表法向變形為0.7mm，最大應(yīng)力水平為141.5MPa，滿足設(shè)計條件。3工藝研究天線的工作波段為S波段，常用電性能參數(shù)見表3【5】。經(jīng)過電性能和力學(xué)仿真分析，選擇玻纖環(huán)氧預(yù)浸料作為蒙皮材料，單邊厚度為1mm，將芳綸紙蜂窩作為夾層材料，厚度為15mm。天線罩常用的成型方式有真空袋壓成型和熱壓罐成型。成型過程都是用手工鋪疊方式，將

7、預(yù)浸料按設(shè)計方向和順序逐層鋪放到模具上，到達(dá)規(guī)定厚度后，經(jīng)加壓、加熱、固化、脫模、修整而獲得制品。熱壓罐成型本錢高且時間長。經(jīng)綜合考慮，選擇真空袋壓成型法。對于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)成型，常用的工藝方法包括共固化、分次固化和膠接。共固化指內(nèi)外蒙皮與蜂窩一次固化成型，常用于結(jié)構(gòu)簡單的天線罩成型；分次固化指將外蒙皮與蜂窩一起固化，再與內(nèi)蒙皮一起固化，常用于A、C夾層結(jié)構(gòu)，或內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的產(chǎn)品的成型；膠接指分別固化內(nèi)、外蒙皮，再將蒙皮與蜂窩用膠粘接，根據(jù)膠的不同可分為常溫膠接和高溫固化膠接【3】。該天線罩的固化溫度為130C，天線罩內(nèi)部有大量預(yù)埋件需要定位，所以共固化工藝不可行。膠接工藝中需要增加一次固化，

8、本錢較高。所以最終采用分次固化。固化工藝參數(shù)是復(fù)合材料成型的關(guān)鍵參數(shù)，涉及蒙皮樹脂基體的固化反響和膠膜樹脂的固化反響，決定材料內(nèi)局部子鏈的交聯(lián)反響是否完全，從而影響天線罩的內(nèi)部強度。固化工藝參數(shù)主要包含反響的壓力、溫度和時間，因為蒙皮材料與膠膜為同一樹脂體系，所以可以將其視為一個整體。理論上的工藝固化參數(shù)是在真空壓力大于−0.095MPa條件下，先在80C空氣溫度下保溫40min，然后又在130C空氣溫度下保溫2h。但由于模具較大，為保證材料的均勻性和固化時間，對固化時間進(jìn)行了優(yōu)化，以確保天線罩每次固化完全，從而保證成型質(zhì)量。由圖7可知，平臺先在14:15到達(dá)固化溫度118C，而模

9、具在15:15才到達(dá)118C固化溫度。所以最終工藝曲線定為空氣溫度80C/40min+130C/4h，即先在空氣溫度80C下保溫40min，然后又在空氣溫度130C下保溫4h。這樣能使有效固化溫度130C的保溫時間到達(dá)120min，從而有效保證每次固化的質(zhì)量。該天線罩長8135mm，公差為3mm。如何精確控制整體長度是很重要的一項技術(shù)。通過現(xiàn)場分析，采取了模具設(shè)計+一次補償?shù)姆绞絹肀ＷC長度尺寸。先通過仿真分析和已成型的類似天線罩的尺寸參數(shù)記錄分析結(jié)果，確定模具的長度，再在一次固化后對兩邊進(jìn)行長度補償。固化后測得的最終尺寸為8138mm，滿足尺寸要求。該天線罩成型是通過凹模來控制內(nèi)外表尺寸的，難

10、點在于控制整個鋪層的厚度。制作的樣件說明，模具能滿足內(nèi)R角要求，厚度尺寸也能保證。在成型過程中，嚴(yán)格按照樣件鋪層方式進(jìn)行鋪設(shè)。在每次固化前后都用相應(yīng)的內(nèi)尺寸檢測工裝檢測寬度和內(nèi)R角。經(jīng)屢次檢測和調(diào)整控制，最終固化后的內(nèi)外表尺寸滿足要求。4天線罩性能測試驗證將天線罩安裝在陣面上進(jìn)行開機測試，掃頻最大插入損耗小于0.2dB，滿足電訊設(shè)計要求。為驗證天線罩的環(huán)境適應(yīng)性，對天線罩隨爐件按照GJB1621.7A2006技術(shù)偵查裝備通用技術(shù)要求第7局部：環(huán)境適應(yīng)性要求和試驗方法進(jìn)行測試。測試條件為：低溫−55C存放24h，高溫70C存放24h。測試過程中無分層、鼓泡等異常情況出現(xiàn)，結(jié)果滿足要求

11、。5結(jié)束語本文對A夾層大型復(fù)雜天線罩的結(jié)構(gòu)和各個關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了分析。該天線罩的關(guān)鍵尺寸在內(nèi)外表，理論上應(yīng)采用凸模成型，但凸模成型在實際應(yīng)用中有本錢高、重量大等缺點，因此考慮到本錢、重量和操作便利性等因素，本文自主設(shè)計了一種可利用現(xiàn)有平臺的低本錢可拆分式凹模成型模具，利用凹?？刂苾?nèi)外表尺寸。有限元分析結(jié)果說明，模具滿足強度要求。天線罩成型一般采用熱壓罐成型技術(shù)，但熱壓罐成型受設(shè)備尺寸限制，并且費用高。一件復(fù)材制品采用熱壓罐成型工藝的本錢比采用真空袋壓成型工藝的本錢至少高一倍【6】。所以在地面產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度和電性能滿足要求的情況下，優(yōu)先選用低本錢的真空袋壓成型工藝。此外，還針對大型模具成型，摸索出了適合該模具升溫的固化工藝曲線，通過對成型過程的屢次調(diào)整控制，使精度最終到達(dá)了產(chǎn)品要求。參考文獻(xiàn)【1】喬玉.復(fù)合材料天線罩優(yōu)化設(shè)計.南京:南京航空航天大學(xué),2021.【2】佟文清,李磊,白一峰.耐高溫復(fù)合材料選型及在大功率雷達(dá)天線罩上的應(yīng)用.工藝與裝備,2021(9):173–174.【3】白一峰,邵宗科.可維修式全尺寸泡沫夾芯天線罩成型工藝.電子工藝技術(shù),2021