复合材料天线罩多学科优化

复合材料天线罩多学科优化

刘光焕

中国电子科技集团公司第三十九研究所 陕西 西安 710065

摘要：随着经济的发展，天线罩用于保护天线免受外部恶劣环境和气动力的影响，其设计往往需要综合考虑包括气动外形、结构强度以及电性能等多个学科的性能。使用模拟退火算法对单层天线罩的瞄准误差进行了优化;使用遗传算法对天线罩的瞄准误差、功率传输系数进行了多目标优化;使用免疫克隆算法对天线罩的瞄准误差、功率传输系数进行了多目标优化;对夹层结构天线罩的电性能进行了多目标遗传优化;使用遗传算法对宽带天线罩的电性能进行了优化设计。

关键词：复合材料；天线罩；多学科；优化

引言

复合材料闭模成型工艺技术具有成型产品性能优良、质量稳定、生产效率高和环境友善等诸多特点，对复合材料天线罩产品采用闭模成型工艺的应用材料、树脂流动、充模过程和适用情况进行了阐述和说明。天线罩产品采用闭模成型工艺，选择满足其性能和工艺双重特性的材料非常重要，通过树脂流动趋势和仿真分析来指导工艺设计，可有效的避免工艺实施过程中出现问题从而提高生产效率和产成品率。闭模成型工艺并不一定适用于所有类型天线罩产品的成型，应确定选用的材料体系等能够满足制品性能指标。

1概述

目前地空导弹多采用雷达制导的寻的方式，而拦截的目标也在逐步变化为高速高机动目标。该类型导弹总是要求导引头天线能够接收到电磁波的全部信息，使导引头天线能够指向真实目标，为导弹提供真实的目标运动信息；但受天线罩外形和材质的影响，其对电磁波的折射和反射作用严重影响了导引头天线的测量精度，使其指向一个虚假的目标方向，造成瞄准线误差。此误差随电磁波透过罩壁入射角的变化率称为天线罩瞄准线误差斜率。天线罩瞄准误差斜率对导弹制导控制系统的稳定性有很大的负面影响，当超过一定限度时会引起导弹系统失稳而造成脱靶。故探寻各种有效减小或消除天线罩瞄准线误差或瞄准线误差斜率的补偿方法，一直是寻的导弹研制过程中一个重要的课题。

2复合材料天线罩形变测试夹具设计

2.1形变测试夹具设计要求

性能优良的夹具几乎不会给试验测试带来误差，从而最大程度地模拟真实的测试环境。形变测试夹具设计一般遵循以下准则：夹具必须模拟被测结构的真实连接方式，使被测结构与夹具连接方式接近真实受力情况；夹具在载荷作用下的形变必须小于被测结构形变的1/10以下；在保证刚度的前提下结构应力求简单、合理，便于制造、装配、调整等；力求结构简单、易于制造，以降低夹具的成本。

2.2形变测试夹具设计流程

夹具设计的流程主要分为夹具初步设计、摄影测量高度核算、夹具有限元建模与分析、夹具形变核算4个部分，其中，高精度摄影测量要求相机摄影位置到测点位置最少1．5m的距离，否则会严重影响测试结果的精度，因此在夹具设计时要优先满足其高度要求，再通过有限元建模分析夹具的刚度是否满足设计要求。

2.3试验测点布局

为了精确测量天线罩在风载作用下的形变信息，采用高精度摄影测量系统进行形变测量。传统的反射面天线形变信息大部分通过有限元仿真获取节点的位移信息，拟合变形后的节点坐标得到变形后的天线形面，根据拟合的形面再进行电磁性能分析。但是有限元仿真过程过度理想化，分析结果并不能反映天线在载荷下的精度变形，为了准确测量载荷作用下天线的形变信息，在天线罩形变测量的测点布局中，分别测量了天线罩主体的形变和副反射面的位移信息。

3天线罩闭模成型工艺中的材料选择

天线罩根据结构和电性能等性能指标要求，通常罩壁设计为介质结构或夹芯结构，夹芯结构一般为A夹层，即两侧为复合材料蒙皮、中间为轻质的芯材，典型的如大尺寸地面天线罩产品。闭模成型工艺对复合材料天线罩所用的树脂、纤维织物材料以及夹芯材料提出了新的要求。

3.1基体树脂

树脂基体以液体形态存在，是闭模成型工艺中的流动材料，树脂的粘度要求较低，树脂的粘度一般不大于0.3Pa·s，低粘度的树脂更易渗透干态的纤维铺层。为了防止铺层浸润不完全，树脂的凝胶时间相对较长。如今的树脂生产商制造的不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等基本都能满足天线罩闭模成型工艺的需求。

3.2增强纤维

增强纤维对天线罩闭模成型工艺来说也是至关重要的。通常用于天线罩的任何类型纤维都可用于闭模成型工艺。但因其材料编织形式和各类纤维材料复合形式的不同，对树脂流动和浸润的效果也有所不同。编织布、短切毡等也都能用于闭模成型工艺，但是树脂通过织物或毡层流动速度很慢，这就是开发特殊的具有增强作用的纤维织物的原因，可将这些织物集成到铺层中，加快树脂流动，采用了同厚度的不同纤维织物进行对比试验。3种不同织物组合后，其树脂流动速度区别明显，从左至右纤维材料依次为200g/m2方格布1层+400g/m2方格布2层、200g/m2方格布2层+600g/m2双轴向布1层、300g/m2连续毡+400g/m2方格布2层。

在天线罩闭模成型工艺中应正确使用织物类型。通常，缝合织物具有较好的树脂浸润特点，因为缝合织物降低了纤维弯曲数量;连续纤维毡、长丝毡具有最多数量的孔隙，有益于加快树脂的流进速度;而编织布则会约束树脂流动，如果必须使用编织布，且需树脂闭模的距离较长时，应搭配其它浸润效果更好的织物或闭模辅材才能达到预期。因此，如果手糊工艺铺层切换到闭模成型工艺，可能不再具备需要的厚度，而需重新设计铺层。

3.3芯材

同树脂、纤维等制造材料选择一样，芯材选择也非常重要。天线罩闭模成型工艺适用的芯材需要闭孔，例如常用的PU、PVC、PMI等闭孔泡沫。由于大多数蜂窝芯材的孔隙大而且开放，所以不适于天线罩闭模成型。选择的芯材必须是抗溶剂型的，因为在树脂闭模期间，芯材将会在很长时间内暴露在苯乙烯(如果树脂是聚酯或乙烯基酯)环境中;同时芯材也应具有足够的耐温性能，能承受比树脂放热温度更高的温度。

泡沫芯材进行开槽和打孔加工，实现了加快树脂的流动性、均匀分布树脂和树脂流到芯材的另一侧的作用，采用双曲表面处理的芯材非常适用于大曲率柱面、球面和异形面的天线罩制品成型，在天线罩应用时应根据蒙皮厚度、树脂流动距离等因素，合理设计槽间A的距离和每个槽的长度和宽度，保证满足每个产品的工艺需求。

3.4数字电路补偿

数字电路补偿方法是通过数字补偿电路在导引头模拟器中引入一个相应的对消分量，来和导引头信号进行叠加，就基本上可以实现对天线罩瞄准线误差斜率A的消除，使得最终用于参与控制的输入信号变为接近理想的无天线罩状态的控制信号，从而很好的改善天线罩带来的瞄准线误差影响。

数字电路补偿方法的特点是设计灵活、电气参数调整方便，且对天线罩的加工材料和罩璧厚度均无特殊要求。现在有很多的利用现代控制理论的方法进行天线罩瞄准线误差斜率补偿，例如利用BP网络补偿瞄准线误差，根据Kolmogorov定理关于BP网络在Eucilid空间中映射关系（即信息处理功能）的证明，结合导引头天线罩瞄准线误差产生的原因和特点，实际可以利用一个三层的BP网络将导引头天线视角、辐射波极化方向的量化值及辐射波频率值映射而得到与天线罩瞄准线误差等价的信号，用以作为补偿信号进行天线罩瞄准线误差斜率的补偿。该方法不再对天线罩加工工艺有过高的要求，也无需完整准确地建立各相关部分的数学模型，反而充分考虑各种复杂因素的介入和多变量间的耦合问题，为实现最大限度地减小该误差对系统的不良影响提供了条件。但BP算法的学习速度很慢，算法低效，而且BP网络训练失败的可能性很大，而且很难解决实际问题的实例模型和网络规模间的矛盾，网络结构的选择目前也尚无一种统一而完整的理论指导，一般只能由经验选定，总之利用BP网络补偿瞄准线误差的方法目前在工程上实现还处在理论阶段，实现困难太大，代价太高。

结语

建立了复合材料天线罩多学科优化问题数学模型。提出了以电性能为目标，力学性能为约束的优化方案。以MIGA为优化算法，结合AI-SI法和FEM法，建立了复合材料天线罩优化流程，并进行了单频率下A夹层结构复合材料天线罩的多学科优化。在给定材料和结构型式的基础上，以蒙皮和芯层的厚度为设计变量，以扫描角内天线罩的透波系数的最小值最优为目标，以设计载荷作用下天线罩最大失效因子和最大变形为约束，进行了多学科优化。在确保强度、刚度的基础上，成功地将天线罩最低透波系数从72.8%提升到了84.1%。基于MIGA的多学科优化流程合理、可行，可应用于实际天线罩的设计工作。

参考文献

[1]张强．机载天线罩电磁特性分析技术研究［D］．南京:南京邮电大学，2005

[2]周卫来．宽带天线罩与雷达吸波结构的优化技术研究［D］．西安:西北工业大学，2007

[3]明永晋．复杂天线罩的电性能优化设计研究［D］．南京:南京航空航天大学，2014．