前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的大型復雜天線罩模具設計研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：隨著測控雷達的發展，車載方式作為一種新的形式存在，相配套的雷達罩越趨復雜，成本也逐步增加。文中根據某大型復雜天線罩的關鍵特征，使用低成本凹模模具控制內表面寬度尺寸，以現有固化爐平臺作為底板，從材料、拆分方式、制造方式等方面進行對比確定模具的最終形式，并利用ANSYS15.0有限元軟件進行強度分析，確定模具板材的最佳厚度。在滿足產品要求的情況下，采用低成本的真空袋壓成型技術和分次固化方式成型。同時對關鍵的溫度曲線進行摸索，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精確控制最終成型尺寸。檢驗測試結果表明，該天線罩模具滿足產品的結構和電性能指標要求。
關鍵詞：大型復雜天線罩；模具；低成本；真空袋壓成型技術；溫度曲線
引言
天線可以看作是一種精密儀器，其外形尺寸和表面精度都有很高的要求。長期暴露在惡劣環境中的天線，其精確性、穩定性和可靠性等將受到嚴重影響。天線罩是保護雷達天線的重要部件,它保護天線不受損傷，免受風、雨、雪、冰、沙、鹽霧、高低溫以及一些腐蝕性化學物質和工業污染物等的影響，使天線工作性能穩定、可靠[1]。文獻[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天線罩，對制備材料進行的拉伸試驗和介電性能測試表明，S玻纖/雙馬預浸料為最優方案。文獻[3]設計了熱壓罐成型的泡沫夾芯天線罩，并在天線罩表面設計了一種維修窗，可以在不拆卸天線罩的情況下維修天線罩內的電氣設備。文獻[4]通過對雷達罩結構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罩脫模的模具設計結構特點和設計要點，并提出了制造過程中應注意的問題及解決方法，提高了產品質量和模具制造質量。通過分析發現,這些文獻主要集中在天線罩的熱壓罐成型方面，對大型復雜結構雷達天線罩的研究較少，在模具設計方面提及思路較多，而細節較少。因此本文以某車載式方艙A夾層復雜天線罩為例，在模具設計思路及細節方面進行了詳細介紹，通過有限元軟件進行了強度分析，以真空袋壓代替熱壓罐成型，并在后續測試中檢測了成型質量。
1模具設計
如圖1所示，天線罩是弓型結構，尺寸為2495mm×8135mm，兩側夾角為(150◦±0.1◦)，整體長度尺寸要求8135mm（公差為+1∼+4mm），內側底面寬度尺寸要求906.7mm（公差為+1∼+3mm），內表面平面度為1mm，側面和底面分布著232個安裝孔，每個安裝孔內有預埋件。
1.1模具類型設計
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。根據天線罩尺寸和現場生產方式，采用凹模形式的模具。凹模模具結構簡單，易于數控加工，在鋪層過程中方便人工鋪貼，容易脫模，制造成本低。
1.2模具材料設計
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和成本有著很大差別。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，鋁制模具的熱變形量遠大于鋼制模具的熱變形量，而INVAR合金的熱膨脹系數雖然很低，但其成本比低碳鋼高很多。因此，經過綜合考慮，選擇低碳鋼作為模具材料。
1.3細節設計
由于天線罩四周和底面均分布有預埋件，所有預埋件在成型過程中均需要定位，故模具采用全封閉式，預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，需對模具進行拆分和組裝。經過分析，模具設計成2段，采用板材拼焊加工方法。
2模具有限元分析
2.1有限元模型與邊界條件
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，載荷為內側一個標準大氣壓，溫度為130◦C。
2.2分析結果
圖3和圖4分別為整體變形云圖和模具表面法向變形云圖。從變形云圖可知，在高溫加壓條件下，模具整體在縱向有7mm左右的膨脹變形，模具表面的法向變形為−0.6∼+0.8mm。圖5為模具的應力云圖。從應力云圖可知，模具整體最大應力為141.5MPa，位于后側支撐筋位置。
2.3結論
從仿真建模和分析結果可知，模具在高溫加壓載荷下，整體變形最大為5.5mm，模具表面法向變形為0.7mm，最大應力水平為141.5MPa，滿足設計條件。
3工藝研究
3.1材料選擇
天線的工作波段為S波段，常用電性能參數見表3[5]。經過電性能和力學仿真分析，選擇玻纖環氧預浸料作為蒙皮材料，單邊厚度為1mm，將芳綸紙蜂窩作為夾層材料，厚度為15mm。
3.2成型方法
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，將預浸料按設計方向和順序逐層鋪放到模具上，達到規定厚度后，經加壓、加熱、固化、脫模、修整而獲得制品。熱壓罐成型成本高且時間長。經綜合考慮，選擇真空袋壓成型法。對于蜂窩夾芯結構成型，常用的工藝方法包括共固化、分次固化和膠接。共固化指內外蒙皮與蜂窩一次固化成型，常用于結構簡單的天線罩成型；分次固化指將外蒙皮與蜂窩一起固化，再與內蒙皮一起固化，常用于A、C夾層結構，或內部結構較復雜的產品的成型；膠接指分別固化內、外蒙皮，再將蒙皮與蜂窩用膠粘接，根據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130◦C，天線罩內部有大量預埋件需要定位，所以共固化工藝不可行。膠接工藝中需要增加一次固化，成本較高。所以最終采用分次固化。
3.3參數控制
固化工藝參數是復合材料成型的關鍵參數，涉及蒙皮樹脂基體的固化反應和膠膜樹脂的固化反應，決定材料內部分子鏈的交聯反應是否完全，從而影響天線罩的內部強度。固化工藝參數主要包含反應的壓力、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是在真空壓力大于−0.095MPa條件下，先在80◦C空氣溫度下保溫40min，然后又在130◦C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，對固化時間進行了優化，以確保天線罩每次固化完全，從而保證成型質量。由圖7可知，平臺先在14:15到達固化溫度118◦C，而模具在15:15才達到118◦C固化溫度。所以最終工藝曲線定為空氣溫度80◦C/40min+130◦C/4h，即先在空氣溫度80◦C下保溫40min，然后又在空氣溫度130◦C下保溫4h。這樣能使有效固化溫度130◦C的保溫時間達到120min，從而有效保證每次固化的質量。
3.4過程控制
3.4.1長度保證
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。通過現場分析，采取了模具設計+一次補償的方式來保證長度尺寸。先通過仿真分析和已成型的類似天線罩的尺寸參數記錄分析結果，確定模具的長度，再在一次固化后對兩邊進行長度補償。固化后測得的最終尺寸為8138mm，滿足尺寸要求。
3.4.2內尺寸控制
該天線罩成型是通過凹模來控制內表面尺寸的，難點在于控制整個鋪層的厚度。制作的樣件表明，模具能滿足內R角要求，厚度尺寸也能保證。在成型過程中，嚴格按照樣件鋪層方式進行鋪設。在每次固化前后都用相應的內尺寸檢測工裝檢測寬度和內R角。經多次檢測和調整控制，最終固化后的內表面尺寸滿足要求。
4天線罩性能測試驗證
將天線罩安裝在陣面上進行開機測試，掃頻最大插入損耗小于0.2dB，滿足電訊設計要求。為驗證天線罩的環境適應性，對天線罩隨爐件按照GJB1621.7A—2006技術偵查裝備通用技術要求第7部分：環境適應性要求和試驗方法進行測試。測試條件為：低溫−55◦C存放24h，高溫70◦C存放24h。測試過程中無分層、鼓泡等異常情況出現，結果滿足要求。
5結束語
本文對A夾層大型復雜天線罩的結構和各個關鍵尺寸進行了分析。該天線罩的關鍵尺寸在內表面，理論上應采用凸模成型，但凸模成型在實際應用中有成本高、重量大等缺點，因此考慮到成本、重量和操作便利性等因素，本文自主設計了一種可利用現有平臺的低成本可拆分式凹模成型模具，利用凹模控制內表面尺寸。有限元分析結果表明，模具滿足強度要求。天線罩成型一般采用熱壓罐成型技術，但熱壓罐成型受設備尺寸限制，并且費用高。一件復材制品采用熱壓罐成型工藝的成本比采用真空袋壓成型工藝的成本至少高一倍[6]。所以在地面產品的結構強度和電性能滿足要求的情況下，優先選用低成本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，通過對成型過程的多次調整控制，使精度最終達到了產品要求。
參考文獻
[1]喬玉.復合材料天線罩優化設計[D].南京:南京航空航天大學,2013.
[2]佟文清,李磊,白一峰.耐高溫復合材料選型及在大功率雷達天線罩上的應用[J].工藝與裝備,2019(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[J].電子工藝技術,2019,40(5):302–305.
[4]葛蕓,肖卉口,羅麗華.雷達罩成形模的設計[J].洪都科技,2010(1):20–22.
[5]方芳.先進復合材料在雷達上的應用[J].電子機械工程,2013,29(1):28–31,54.
[6]朱永明,楊春霞,吳東.夾層結構天線罩的低成本制造工藝[J].復合材料科學與工程,2020(5):93–94.
作者:徐書成 何文龍 單位:中國電子科技集團公司第三十八研究所
