1 前言
因?yàn)樘沾墒谴嘈圆牧希灰嗽谔沾商炀�罩罩體上打孔或開(kāi)槽，以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。在連接時(shí)，一般通過(guò)一個(gè)連接環(huán)與彈體連接在一起。連接環(huán)通常選用熱膨脹系數(shù)與陶瓷天線罩體接近的金屬材料。而連接環(huán)與罩體的連接通常選用膠連接方式，因?yàn)槟z粘接劑，尤其是韌性比較好的彈性有機(jī)膠粘劑在承載時(shí)，可以通過(guò)一定程度的變形將應(yīng)力均勻分布在整個(gè)膠接區(qū)域，從而最大限度地降低應(yīng)力集中。天線罩采用有機(jī)硅橡膠粘接，其特點(diǎn)是模量低、富有彈性，可有效緩解根部應(yīng)力集中，但膠弱點(diǎn)也較突出，即承載能力相對(duì)無(wú)機(jī)膠較低，而且隨溫度升高，承載能力下降較快。
天線罩采用陶瓷罩體、殷鋼連接環(huán)和硅橡膠。本文首先對(duì)天線罩最嚴(yán)酷彈道進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，計(jì)算出導(dǎo)彈溫度場(chǎng)，其次加載氣動(dòng)力載荷，進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，最后采用陶瓷材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)天線罩熱強(qiáng)度性能進(jìn)行校核。
2 天線罩熱強(qiáng)度計(jì)算及有限元方法
天線罩在大氣飛行時(shí)，要承受氣動(dòng)載荷、慣性載荷及熱載荷（氣動(dòng)加熱）的作用。通常在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)飛行受載情況作出分析，選出典型設(shè)計(jì)點(diǎn)作為雷達(dá)天線罩的設(shè)計(jì)條件，在氣動(dòng)載荷下進(jìn)行計(jì)算。近年來(lái)隨著天線罩熱強(qiáng)度問(wèn)題越來(lái)越突出，精確計(jì)算天線罩熱強(qiáng)度是天線罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
對(duì)天線罩的應(yīng)力計(jì)算有解析法及數(shù)值法。解析法由于需對(duì)結(jié)構(gòu)及載荷均作較大簡(jiǎn)化，因此計(jì)算模型的誤差是相當(dāng)大的，而且不能全面反映出天線罩中的溫度和應(yīng)力分布情況，為克服這一缺點(diǎn)，可采用數(shù)值法進(jìn)行求解。有限元法是目前較常用的數(shù)值方法，它是將一個(gè)連續(xù)體離散為若干個(gè)簡(jiǎn)單元素的集合，然后用有限個(gè)參數(shù)描述這些元素的物理和力學(xué)特性，建立各種平衡和協(xié)調(diào)關(guān)系，把連續(xù)問(wèn)題化為離散問(wèn)題，然后再有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上求出問(wèn)題的近似解。天線罩有限元分析主要為以下兩步：（1）計(jì)算天線罩溫度分布；（2）計(jì)算靜熱載荷下天線罩的變形和應(yīng)力分布。
ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等分析于一體的大型通用有限元分析軟件。40年來(lái)，ANSYS公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開(kāi)發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展。
3 天線罩靜熱強(qiáng)度有限元分析
天線罩的有限元模型是將實(shí)體天線罩進(jìn)行離散化，建立相應(yīng)的幾何模型，將天線罩劃分成有限元網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格全部采用八節(jié)點(diǎn)的六面體單元（solid45）進(jìn)行劃分，整個(gè)天線罩由136800個(gè)有限元實(shí)體單元，共158767個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。
圖1 天線罩的有限元模型
3.1 載荷施加
3.1.1 力載荷施加
天線罩承受的力載荷主要有兩個(gè)：軸向力和剪切力。天線罩在整個(gè)飛行過(guò)程中，力載荷是隨時(shí)間變化的，其中力和熱載荷的峰值時(shí)刻為T0s，并且認(rèn)為載荷峰值時(shí)刻是天線罩受力最嚴(yán)酷的時(shí)刻。天線罩實(shí)際飛行過(guò)程中，容易造成破壞的是受到的彎矩作用，且越往根部其彎矩越大。采用施加剪切力的方式來(lái)模擬天線罩各截面受到的彎矩。剪力的大小不僅要滿足彎矩的作用效果，還要盡量兼顧到天線罩實(shí)際受力狀況。
3.1.2 熱載荷施加
承載性能分析時(shí)，首先進(jìn)行整個(gè)罩體的溫度場(chǎng)瞬態(tài)分析，然后再分析罩體的熱強(qiáng)度性能。瞬態(tài)熱分析時(shí)，熱邊界條件只對(duì)天線罩外表面施加。我們根據(jù)熱載荷條件計(jì)算出罩體外表面溫度分布曲線，從而得到對(duì)應(yīng)的罩體外表面溫度分布表，并將其施加到天線罩的外表面，作為溫度邊界條件。瞬態(tài)熱分析后，可以得到整個(gè)罩體的溫度場(chǎng)分布。
3.1.3 約束
連接環(huán)后端面進(jìn)行近似固支處理，另外天線罩材料參數(shù)考慮溫度變化影響。增加了計(jì)算的精確性，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。
3.2 有限元計(jì)算結(jié)果
3.2.1 瞬態(tài)熱分析結(jié)果
進(jìn)行天線罩的熱分析計(jì)算，得出天線罩的溫度場(chǎng)分布。計(jì)算表明：天線罩外壁溫度達(dá)到峰值時(shí)刻是T0s，最高溫度1014℃；在天線罩工作末段（即T1s時(shí)），天線罩內(nèi)壁溫度最高達(dá)到374℃。此時(shí)，膠層最大升溫125℃，金屬環(huán)最大升溫28.4℃，且均出現(xiàn)在連接區(qū)的前端。
圖2 天線罩某彈道不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布
3.2.2 天線罩力熱聯(lián)合作用應(yīng)力結(jié)果
天線罩彈道最嚴(yán)酷時(shí)刻，各結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力分布如圖3所示。
圖3 天線罩各部件最大應(yīng)力分布
（1）膠層熱強(qiáng)度校核
表1 硅橡膠力學(xué)國(guó)外力學(xué)性能
天線罩飛行末端，膠層溫度最高，達(dá)到125℃。此時(shí)膠層最大剪切應(yīng)力0.535MPa，查表1可知，125℃時(shí)，硅橡膠強(qiáng)度為1.372～1.666MPa，由此可判斷，膠層強(qiáng)度能滿足天線罩彈道最嚴(yán)酷時(shí)刻使用要求。
（2）殷鋼連接環(huán)熱強(qiáng)度校核
連接環(huán)T0s時(shí)，最大von-Mises應(yīng)力為73MPa，此時(shí)由于是天線罩飛行初始階段，連接環(huán)溫度并未明顯升高，因此應(yīng)按殷鋼常溫強(qiáng)度極限進(jìn)行校核。殷鋼的屈服強(qiáng)度極限為355MPa。由此可見(jiàn)，連接環(huán)強(qiáng)度能夠滿足彈道要求。
（3）陶瓷罩體強(qiáng)度校核
計(jì)算結(jié)果顯示，天線罩最大軸向應(yīng)力均出現(xiàn)在天線罩內(nèi)壁受拉母線的根部，最大應(yīng)力值為24.9MPa。石英陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度通常在50Mpa～60Mpa之間，由于石英陶瓷為脆性材料，工程上很難測(cè)準(zhǔn)其拉伸強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，拉伸強(qiáng)度約為抗彎強(qiáng)度的1/2，由此可知石英陶瓷材料的拉伸強(qiáng)度在25MPa～30MPa之間。為提高石英陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性，天線罩內(nèi)壁采用了增強(qiáng)設(shè)計(jì)，根據(jù)增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果，罩體材料經(jīng)過(guò)增強(qiáng)后強(qiáng)度增加20%-30%，因此預(yù)計(jì)在經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后，罩體材料的拉伸強(qiáng)度將達(dá)到30MPa～36Mpa之間，大于仿真計(jì)算結(jié)果，天線罩熱強(qiáng)度性能滿足總體提出的氣動(dòng)條件要求。
4 結(jié)論
通過(guò)ANSYS的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，有效地校核了天線罩彈道危險(xiǎn)點(diǎn)的熱強(qiáng)度性能，為天線罩的設(shè)計(jì)作出理論指導(dǎo)。同時(shí)需要指出，以上只是天線罩熱強(qiáng)度性能的初步理論分析，在建模、材料屬性設(shè)定以及邊界條件的施加等方面，可能會(huì)與天線罩實(shí)際工作狀態(tài)存在一定的差異，因此以上天線罩熱強(qiáng)度的理論分析只作設(shè)計(jì)參考，天線罩實(shí)際的熱強(qiáng)度性能還需后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步考核與驗(yàn)證。
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本文標(biāo)題：多物理場(chǎng)耦合技術(shù)在雷達(dá)天線罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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