分叉波導(dǎo)開(kāi)裂問(wèn)題結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

王夏虎，王燁，王闊，戴志強(qiáng)

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，揚(yáng)州 225001）

引言

波導(dǎo)是用來(lái)定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)，是指一種用來(lái)傳輸無(wú)線電波的管狀裝置。主要用作微波頻率的傳輸線，在雷達(dá)設(shè)備中常用來(lái)將微波發(fā)送器和接收機(jī)與它們的天線相連[1]。某雷達(dá)天線系統(tǒng)的分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝于饋源下端，用于支撐饋源和傳遞多頻段微波信號(hào)。分叉波導(dǎo)強(qiáng)度要足夠大，才能滿足用于支撐饋源的需求，同時(shí)分叉波導(dǎo)要在實(shí)際工作環(huán)境中，受到雷達(dá)天線系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)后不受到破壞，發(fā)生開(kāi)裂或斷裂等情況。

理論分析與試驗(yàn)分析相結(jié)合是當(dāng)前處理結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)問(wèn)題的有效方法。用有限元分析軟件，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，可以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)和分析周期。模態(tài)分析用來(lái)研究結(jié)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特性，分析結(jié)構(gòu)件的固有頻率，避免結(jié)構(gòu)共振。振動(dòng)分析是為了確定結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，驗(yàn)證設(shè)備是否能克服疲勞和其它振動(dòng)的影響[2]。

本文針對(duì)分叉波導(dǎo)在工作中發(fā)生開(kāi)裂這一現(xiàn)象，提出了三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行模態(tài)和振動(dòng)仿真分析，對(duì)比三種方案的一階模態(tài)和最大應(yīng)力值得出該分叉波導(dǎo)的最佳結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并試驗(yàn)驗(yàn)證方案的有效性，最終消除分叉波導(dǎo)開(kāi)裂現(xiàn)象。

1 分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分叉波導(dǎo)主要由1-法蘭盤a，2-波導(dǎo)管a，3-法蘭盤b,4-加強(qiáng)筋a,5-法蘭盤c,6-波導(dǎo)管b，7-加強(qiáng)筋b 組成。

圖1 分叉波導(dǎo)三維示意圖

該分叉波導(dǎo)安裝在饋源與雷達(dá)天線系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)之間，起支撐饋源和傳遞微波信號(hào)的作用。如圖2 所示，分叉波導(dǎo)通過(guò)法蘭盤a、法蘭盤b 與饋源相連，通過(guò)法蘭盤c 與雷達(dá)座天線主體相連。

圖2 分叉波導(dǎo)安裝示意圖

2 仿真分析

2.1 分叉波導(dǎo)開(kāi)裂現(xiàn)象分析

銅波導(dǎo)的電阻損耗小，能夠在很寬的頻段內(nèi)傳輸微波信號(hào)并且對(duì)外部電磁干擾敏感度低，所以該分叉波導(dǎo)材質(zhì)為銅材。銅材和鋼材結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能如表1 所示。

表1 銅和鋼的力學(xué)性能參數(shù)[3]

耐久試驗(yàn)用于檢查試驗(yàn)樣品在環(huán)境振動(dòng)下是否滿足產(chǎn)品規(guī)定的功能和性能要求。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 1060.1-91A 中規(guī)定,各類艦艇桅桿區(qū)設(shè)備耐久試驗(yàn)振動(dòng)要求如表2 所示。

表2 各類艦艇桅桿區(qū)設(shè)備耐久試驗(yàn)

將某天線系統(tǒng)放置于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行如表2 所示的耐久試驗(yàn)，并在分叉波導(dǎo)處粘貼傳感器，測(cè)出天線系統(tǒng)在表2所示條件下振動(dòng)時(shí)在雙平頻段波導(dǎo)處的實(shí)際響應(yīng)。振動(dòng)方向如圖3 所示。

圖3 分叉波導(dǎo)振動(dòng)方向示意圖

結(jié)果測(cè)得雙平頻段波導(dǎo)處的橫向、縱向振動(dòng)實(shí)際響應(yīng)如圖4 所示。

圖4 分叉波導(dǎo)橫向、縱向響應(yīng)圖

對(duì)分叉波導(dǎo)進(jìn)行模態(tài)和振動(dòng)仿真，邊界條件為固定法蘭盤c 上與雷達(dá)天線系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)相連的6 個(gè)光孔。在法蘭盤a 和法蘭盤b 上方的位置施加質(zhì)量為1.5 kg 的質(zhì)量點(diǎn)來(lái)替代饋源，對(duì)分叉波導(dǎo)橫向和縱向分別施加圖4 所示的振動(dòng)響應(yīng)曲線。

國(guó)軍標(biāo)GJB 1060.1-91A 中規(guī)定安裝在各類艦艇桅桿區(qū)設(shè)備的耐久試驗(yàn)振動(dòng)頻率為（2～50）Hz，根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，分叉波導(dǎo)前3 階模態(tài)依次為63.1 Hz，125.9 Hz，361.4 Hz，其中分叉波導(dǎo)1 階模態(tài)為63.1 Hz，較為接近耐久試驗(yàn)最大頻率50 Hz，所以需要通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高分叉波導(dǎo)1 階模態(tài)。同時(shí)，根據(jù)圖5 所示分叉波導(dǎo)橫向、縱向應(yīng)力云圖可知，波導(dǎo)管b 管口處橫向振動(dòng)時(shí)應(yīng)力較大，為74.4 Mpa（該處也為實(shí)際裂縫產(chǎn)生處），而銅的拉壓疲勞極限約為88 MPa[7]。該分叉波導(dǎo)在波導(dǎo)管b 管口的應(yīng)力值較為接近銅的拉壓疲勞極限，安全系數(shù)僅為1.18。且分叉波導(dǎo)是由波導(dǎo)管a、b，加強(qiáng)筋a、b 及法蘭盤a、b、c 焊接成型，焊接質(zhì)量的好壞，焊接變形會(huì)降低該分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。同時(shí)分叉波導(dǎo)管與雷達(dá)天線系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)以及饋源的三處接口均為硬連接，結(jié)構(gòu)件精度偏差較大時(shí)，裝配后容易導(dǎo)致分叉波導(dǎo)長(zhǎng)期處于受力狀態(tài)。綜上所述，該分叉波導(dǎo)開(kāi)裂可能為多方原因綜合作用導(dǎo)致振動(dòng)時(shí)分叉波導(dǎo)局部產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料的疲勞極限，在此工況下累計(jì)工作超過(guò)其疲勞壽命時(shí)造成破壞，所以需對(duì)該分叉波導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)增加其強(qiáng)度，減小其最大應(yīng)力值。

2.2 分叉波導(dǎo)開(kāi)裂改進(jìn)方案分析

結(jié)構(gòu)改進(jìn)要求改進(jìn)后的分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要得到加強(qiáng)，放大分叉波導(dǎo)的強(qiáng)度裕度，確保分叉波導(dǎo)不會(huì)開(kāi)裂。整個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)的原則為不改變天線系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)形式，保持其他零件不需更改，只對(duì)分叉波導(dǎo)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并且改進(jìn)后的分叉波導(dǎo)要強(qiáng)度高、可靠性和工藝性好、加工成本低。為提高該分叉波導(dǎo)強(qiáng)度，消除分叉波導(dǎo)開(kāi)裂現(xiàn)象，從而提高產(chǎn)品合格率，提出了三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

方案一在產(chǎn)生裂縫的波導(dǎo)管b 管口的裂縫附近處焊接厚度為3 mm 的三角形加強(qiáng)筋增加該裂縫處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)如圖6 所示。

圖6 加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)仿真分析條件與原分叉波導(dǎo)相同，計(jì)算結(jié)果顯示加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)的前3 階模態(tài)依次為67.4 Hz，127.1 Hz，372.8 Hz，比較加三角形加強(qiáng)筋后的分叉波導(dǎo)與原分叉波導(dǎo)1 階模態(tài)變化不大，僅從63.1 Hz 增加到67.4 Hz。而由圖7 所示加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)橫向、縱向應(yīng)力云圖可知，加三角形加強(qiáng)筋后在三角形加強(qiáng)筋處應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向振動(dòng)時(shí)的加強(qiáng)筋頂部67.6 MPa，與原分叉波導(dǎo)應(yīng)力74.4 MPa 相比，該處最大應(yīng)力值有所下降但下降程度有限。

圖7 加三角形加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)橫向、縱向振動(dòng)應(yīng)力云圖

方案二在方案一的基礎(chǔ)上將加強(qiáng)筋改為具有一定厚度的板材，加強(qiáng)筋在產(chǎn)生裂縫的波導(dǎo)管b 側(cè)邊，高度從法蘭盤b 上表面至法蘭盤c 的下底面，該支撐加強(qiáng)筋與波導(dǎo)管b、法蘭盤b、c 焊接。加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)如圖8 所示。

圖8 加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)仿真分析條件與原分叉波導(dǎo)相同，計(jì)算結(jié)果顯示加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)的前3階模態(tài)依次為67.5 Hz，120.7 Hz，371.2 Hz，比較加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)與原分叉波導(dǎo)1 階模態(tài)變化，僅從63.1 Hz 增加到67.5 Hz。而由圖9 所示加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)橫向、縱向應(yīng)力云圖可知，加支撐加強(qiáng)筋后在波導(dǎo)管b 與法蘭盤c 交界處應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫向振動(dòng)時(shí)，為124.1 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)銅的拉壓疲勞極限約為88 MPa，可知該改進(jìn)方案不合適。

圖9 加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)橫向、縱向振動(dòng)應(yīng)力云圖

方案三在法蘭盤b 與法蘭盤c 之間增加兩個(gè)厚度為2 mm 的半圓形支撐柱，支撐柱選用鋼材,支撐柱通過(guò)螺釘與法蘭盤b 和法蘭盤c 相連，加入半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 加半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

加半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)仿真分析條件與原分叉波導(dǎo)相同，計(jì)算結(jié)果顯示加半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)的前3 階模態(tài)依次為77.2 Hz，139.6 Hz，429 Hz，比較加支撐加強(qiáng)筋后分叉波導(dǎo)與原分叉波導(dǎo)1 階模態(tài)變化，從63.1 Hz 增加到77.2 Hz，遠(yuǎn)大于耐久試驗(yàn)最大頻率50 Hz，能夠有效地避免耐久試驗(yàn)時(shí)達(dá)到分叉波導(dǎo)的一階固有頻率，避免形成共振。而由圖11 所示加半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)橫向、縱向振動(dòng)應(yīng)力云圖可知，加半圓形支撐柱后，最大應(yīng)力值在波導(dǎo)管b 管口附近，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在橫向振動(dòng)時(shí)，僅為59.6 MPa，比較原分叉波導(dǎo)的74.4 MPa 應(yīng)力大大減少，分叉波導(dǎo)強(qiáng)度得到了很大的提高。

圖11 加半圓形支撐柱后分叉波導(dǎo)橫向、縱向振動(dòng)應(yīng)力云圖

2.3 分叉波導(dǎo)開(kāi)裂改進(jìn)方案比較

如表3 中所示為三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案與原分叉波導(dǎo)力學(xué)性能對(duì)比，從表3 中可看出在原模型的基礎(chǔ)上，方案一第1 階模態(tài)有所提升，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所提高，最大應(yīng)力值有所下降，但下降程度不大；方案二第1 階模態(tài)有所提升，但最大應(yīng)力值遠(yuǎn)超過(guò)銅的拉壓疲勞極限，該方案不可?。环桨溉? 階模態(tài)從63.1 Hz 提高到77.2 Hz 有了較大提高，可以更有效避免共振現(xiàn)象，而且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有了較大提高，最大應(yīng)力值從74.4 MPa 降至59.6 MPa，使得該分叉波導(dǎo)力學(xué)性能有了顯著提高。

表3 分叉波導(dǎo)力學(xué)性能對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)分叉波導(dǎo)加半圓形支撐柱，該半圓形支撐柱由鋼板拼焊成型，使焊接后的支撐柱高度尺寸有盈余，再對(duì)完成焊接的半圓形支撐柱加工，以保證支撐柱與分叉波導(dǎo)的配合尺寸，最終保證支撐柱裝配狀態(tài)良好，不出現(xiàn)拉、壓、扭等狀態(tài)。對(duì)分叉波導(dǎo)加半圓形支撐柱能對(duì)較為薄弱的分叉波導(dǎo)的波導(dǎo)管b 進(jìn)行有效保護(hù)，避免其受過(guò)大應(yīng)力造成破壞。同時(shí)原分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、工藝及接口尺寸不受影響，從而不影響整個(gè)天線系統(tǒng)狀態(tài)，保證了分叉波導(dǎo)的電性能不變。并且半圓形支撐柱質(zhì)量較輕，總質(zhì)量?jī)H增加約0.1 kg，支撐柱加工簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本較低。

將原天線系統(tǒng)的分叉波導(dǎo)加半圓形支撐柱后進(jìn)行按照國(guó)軍標(biāo)GJB 1060.1-91A 中規(guī)定進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。先在（2～50）Hz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行10 次掃頻循環(huán)，找出該頻率范圍內(nèi)的危險(xiǎn)頻率點(diǎn)，再在危險(xiǎn)頻率點(diǎn)上進(jìn)行持續(xù)2 h 的耐振試驗(yàn)。耐震試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)天線系統(tǒng)饋線進(jìn)行氣密試驗(yàn)，對(duì)饋線系統(tǒng)充入壓力為49 kPa 的干燥清潔空氣，密封觀察30 min，最終結(jié)果饋線系統(tǒng)壓力沒(méi)有降，表明顯示饋線系統(tǒng)完好，分叉波導(dǎo)管耐振試驗(yàn)后沒(méi)有開(kāi)裂。

4 結(jié)論

本文針對(duì)應(yīng)用于某雷達(dá)天線系統(tǒng)的分叉波導(dǎo)開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出分叉波導(dǎo)的實(shí)際響應(yīng)，提出了三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對(duì)三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行模態(tài)和振動(dòng)仿真分析，對(duì)比三種方案的一階模態(tài)和振動(dòng)應(yīng)力云圖得出提高該種分叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最佳改進(jìn)方案，并試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的有效性，最終消除分叉波導(dǎo)開(kāi)裂現(xiàn)象。