碳纖維復合材料天線框架豎直狀態加工工藝研究

胡宗文 邵勁力 李宗周 周麗玨 張菊萍

摘 要：天線陣面的平面度是與天線性能相關的最重要的技術指標，為了達到安裝要求，介紹了碳纖維復合材料天線框架的結構特點、使用要求和制造技術難點，研究并分析了重力對框架平面度及其穩定性的影響，提出了豎直狀態補償、平放狀態加工的機加工方案，進行了天線框架消除重力影響狀態下加工的驗證試驗。試驗結果表明，按此方案加工的天線框架在豎直懸掛狀態下的有源安裝面和波導安裝面平面度均達標，滿足天線框架地面展開試驗及在軌失重狀態下的使用要求。

關鍵詞：碳纖維復合材料;天線框架;豎直狀態;消除重力影響;平面度

中圖分類號：TQ342+.742;V258.3

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0065-04

Study on the machining processes of carbon fiber reinforced

composite antenna frame in vertical state

HU Zongwen1，2，SHAO Jinli1，2，LI Zongzhou1，2，ZHOU Lijue1，2，ZHANG Juping1，2

（1.Shanghai Composite Material Science & Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201112，China；

2.Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composites? Shanghai 201112，China

）

Abstract：The flatness of the antenna array is the most important technical indicator related to antenna performance.In order to meet the installation requirements，the structural characteristics，use requirements and manufacturing technical difficulties of carbon fiber composite antenna frame were introduced，the influence of gravity on the flatness and stability of the frame was studied and analyzed，the machining scheme of vertical state compensation and flat state processing was proposed，and the verification test of the antenna frame under the condition of eliminating the influence of gravity was carried out.Results showed that the flatness of the active mounting surface and the waveguide mounting surface of the antenna frame processed according to this scheme were up to standard in the vertical suspension state，which met the requirements of the antenna frame ground deployment test and the use of the antenna frame in the state of weightlessness in orbit.

Key words：

carbon fiber composite materials，antenna frame，vertical state，eliminate gravity influence，flatness

星載合成孔徑雷達（SAR）是一種主動式微波成像傳感器，具備全天候、全天時的成像能力，還有一定的穿透性，獲得的圖像能夠反映目標微波散射特性，是實現空間軍事偵察、自然資源普查、自然災害監測等的重要技術手段，廣泛地應用于軍民領域中［1-4］。星載衛星天線框架是安裝電磁模塊的安裝平臺，主要結構形式為平面框架，一般包含有源安裝面和波導安裝面，提供相應的機構安裝面和安裝接口。天線陣面的平面度是與天線性能相關的最重要的技術指標［5-7］，而天線陣面的平面度與安裝電磁模塊的天線框架的平面度直接相關［8-9］。

1 天線框架基本結構簡介

天線框架常見結構如圖1所示。主要包含6個使用面，具有較大的使用面積及較小的厚度，面積最大的2個主安裝面為形面精度要求最高的波導安裝面和有源安裝面，而扁平的設計結構形式導致框架在大安裝面的法向剛度相對較弱，法向力易引起框架主安裝面的撓變形，影響主安裝面的形面精度［13-14］。

天線框架從設計狀態確定到在軌運行需要經過膠接裝配、機加工、測量、地面展開試驗等多道工序，其中膠接裝配及機加工是在水平放置狀態進行的，而平面精度測量和展開試驗是在豎直懸掛狀態下進行，在軌運行則是在失重的太空環境中，2種狀態的差異對主安裝面的加工和測量帶來較大的影響［15］。如何消除重力導致的2種狀態間的差異成為天線框架研制生產過程中一個亟待解決的問題。

框架在水平放置狀態下和豎直懸掛狀態下其主安裝面的重力撓變形存在一定的差異，導致框架在生產流程不同環節的變形狀態存在較大差異，以某型號天線框架為例，水平放置狀態測量其波導安裝面平面度為0.53 mm，脫模后將天線框架以吊點豎直懸掛測量，其波導安裝面平面度則減小到0.22 mm。2種狀態差異0.31 mm，若直接將框架水平裝夾進行機加工，再豎直懸掛測量，則狀態差異導致的變形0.28 mm未被消除，考慮到該型號天線框架的主安裝面的平面度要求為0.4 mm，該狀態差異會極大增加主安裝面平面度超差的風險。

因此，膠接裝配后的框架主安裝面無法直接作為裝夾初基準，必須經過懸掛補償工序將狀態差異盡量減小乃至消除，另外，建立一個模擬豎直懸掛狀態的初基準才可以進行機加工。

2 重力對天線框架平面度影響的數值分析

天線框架脫模后，水平放置狀態下其懸空部分受重力作用會發生一定的撓變形。由于機加工前框架主安裝面的平面度相對較差，不論是放置在平臺上還是放置在專用工裝上，主安裝面都無法與承托面完全貼合，而是僅有部分點與承托面貼合成為支撐點，支撐點的數量與分布影響框架的變形狀態。

考慮到支撐點位于框架四周時，懸空部分所受重力的力矩最大，框架的法向撓變形最大，該狀態為可認為最大變形狀態。豎直懸掛狀態時，重力的作用力矩最小，法向變形最小，該狀態可認為是最小變形狀態。按此思路，對天線框架典型工況下的重力變形進行有限元分析以得到一些定性的對比結果。

參照天線框架的典型結構形式及包絡尺寸建立分析模型，以對整框剛度的貢獻來考量，對模型進行簡化，將貼片、螺釘等零件消去。整個模型由碳纖維桿件、碳纖維接頭、金屬埋件組成［19-20］。整框包絡尺寸為3 100 mm×2 200 mm×80 mm，包括24根桿件和16個接頭，如圖2所示。桿件有2種80 mm×60 mm和60 mm×40 mm截面尺寸，壁厚統一為3 mm，材料為M系列碳纖維/環氧復合材料；接頭有角形、T形和十字形3種形式，截面尺寸與桿件適配，榫頭壁厚3 mm，增厚區壁厚6 mm，材料為T系列碳纖維/環氧復合材料。

整框使用殼單元建模，出于降低計算成本考慮，建模時已將所有孔位消去，同時將金屬埋件當作局部加強寫入局部殼單元的鋪層?？紤]到開孔僅對局部剛度有較大影響，對整框剛度影響較小，而整個框架的絕大部分剛度主要由碳纖維桿件和接頭貢獻，基于多工況對比分析的目的來看，以上簡化在大幅降低計算成本的同時對計算結果精度的影響較小。

整框全部使用四邊形殼單元建模，單元邊長10 mm。桿件材料為M系列碳纖維/環氧復合材料，接頭材料為T系列碳纖維/環氧復合材料，材料參數如表1所示。采用［0°/45°/90°/-45°］各向同性鋪層，單層厚度0.15 mm。

金屬埋件材料為2A12T4鋁合金，楊氏模量72 GPa、泊松比0.3、密度2.73 g/cm3。在x向的60 mm×40 mm桿件上均勻布置了18個埋件，埋件當作桿件內部的加強層寫入局部的桿件鋪層中，埋件在安裝面方向壁厚20 mm，其余3個方向壁厚3 mm。

共計算3種工況以進行對比，如表2所示。其中，1#和2#工況模擬整框水平放置狀態，施加4處鉸支約束（平放狀態不能完全限制支撐點區域的局部轉動），其中1#施加在整框的4個角；2#施加在整框四周的中點，單個約束區域尺寸為60 mm×60 mm。3#工況模擬整框豎直掛起狀態，在長邊的80 mm×80 mm桿件的中線上施加2處固支約束（吊點通過螺栓鎖緊，限制該區域局部轉動），單個約束區域尺寸為20 mm×20 mm。完整的有限元模型和3

種工況的約束施加位置如圖3所示。

軟件輸出的整框重心位置在z方向上相對中面往+z一側偏移3.3 mm，由于吊點通常位于中面上，重心相對吊點的偏移會導致整框在繞吊點軸線小角度旋轉后達到平衡，旋轉后的重力在法線方向的分量導致整框在懸掛狀態也出現一定的撓變形?？梢远ㄐ缘呐袛嘭Q直懸掛狀態的天線框架仍然會有一定的撓變形，但是法向的重力分量遠小于水平放置時完全沿法向作用的重力，因此，懸掛狀態的撓變形應遠小于水平放置狀態的撓變形。

3種工況下的整框撓變形，最大撓變形量分別為0.279 mm、0.138 mm、0.025 mm?？梢?，2種平放工況下整框的撓變形量存在一定差異，但均與懸掛狀態變形量存在數量級差異，且懸掛狀態的撓變形量相當小，以實際的精度需求來衡量基本可以忽略。若在投產前計算整框質心，設計專用的吊點工裝可以使吊點受力點穿過整框質心，從而進一步降低懸掛狀態的撓變形量。

綜上所述，天線框架豎直放置狀態下主安裝面撓變形較小，而水平放置的框架平面狀態受重力影響較大，不可忽略，且變形情況與框架支撐點位置有關。以上為理想狀態的差異對比，產品實物的尺寸及重心分布存在一定的誤差，無法完全照搬數值分析結果，但定性的結論適用于產品實物，即3種狀態主安裝面變形狀態差異較大且豎直懸掛狀態主安裝面變形狀態更接近失重狀態。因此，在豎直懸掛狀態下設法創建一個精度盡可能高的實物平面并在裝夾時將該平面于機床臺面貼合作為初基準可以最大地減小水平和豎直狀態差異帶來的影響。

3 天線框架消除重力狀態下機加工方案設計

（1）天線框架完成膠接裝配及固化后，將產品脫離模具，在天線框架上均勻膠接輔助墊塊，如圖4所示；

（2）將天線框架通過2個連接點豎直懸掛到工裝上；

（3）通過激光跟蹤儀對輔助墊塊的平面度進行測量，并根據測量結果對輔助墊塊進行補償，保證所有輔助墊塊共面度小于等于0.15 mm；

（4）以輔助墊塊面為裝夾基準面和粗加工基準面對天線框架進行裝夾和加工；

上述方案以均勻分布的輔助墊塊結合框架桿件，接頭的自身剛度抵消產品重力變形，實現天線框架水平裝夾后的平面狀態與豎直懸掛狀態保持基本一致，誤差保證在可控范圍內。

4 試驗部分

試驗選用包絡尺寸為1 678 mm×1 024 mm×80 mm的碳纖維復合材料天線框架進行驗證，產品結構如圖5所示。驗證件為采用碳纖維復合材料橫梁、縱梁、接頭及波導安裝組件等膠接而成的平面框架結構，結構形式與常見的衛星天線框架結構形式類似。

4.1 裝夾基準補償

框架驗證件膠接裝配完成后，將框架利用橫梁側面吊點豎直懸掛，利用激光跟蹤儀測量有源面及波導面初始平面度分別為0.57 mm及0.66 mm。

對該狀態下的框架驗證件的輔助墊塊形成的平面進行補償，保證豎直狀態下輔助墊塊共面度小于等于0.15 mm。

補償后輔助墊塊共面度0.14 mm。

4.2 安裝面機加工

利用龍門銑床以輔助墊塊形成的平面作為機加工的裝夾面和加工的粗基準，對有源面和波導面進行放樣并光出，并以光出的加工面作為后續加工精基準將安裝面加工到位。

4.3 安裝面測量

將框架通過懸掛測量工裝重新懸掛固定后，通過三維攝影測量儀對有源安裝面、波導安裝面進行測量。

框架驗證件加工后，有源面平面度為0.129 mm，波導面平面度為0.172 mm，優于該包絡尺寸天線框架常規的有源面及波導面平面度要求0.3 mm及0.4 mm。該加工方案可以保證天線框架加工狀態與測量、試驗、使用狀態基本一致，加工結果滿足產品的設計指標要求。

5 結語

綜合上述分析，衛星用碳纖維復合材料天線框架由于其安裝面在研制生產過程中受重力影響較大，傳統的加工方式很難消除重力影響、使其滿足產品在豎直狀態下的試驗和失重環境中的使用要求。通過在天線框架均勻放置輔助墊塊，并在豎直狀態下對輔助墊塊進行測量和補償，使其平面度達到一定要求后，以此平面作為機加工裝夾基準和加工粗基準，可以實現天線框架加工后的安裝面精度滿足試驗和使用要求，多型號產品推廣應用也驗證了該加工方案有效可行。同時，該加工方案對有類似結構和要求的宇航產品也具有借鑒意義。

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收稿日期：2023-10-21；修回日期：2024-01-04

作者簡介：胡宗文（1990-），男，碩士，工程師，主要從事復合材料構件的生產研制；E-mail：hzw0317@163.com。

通信作者：邵勁力（1993-），男，工程師，主要從事復合材料構件的生產研制；E-mail：shaojingli0502@163.com。

引文格式：胡宗文，邵勁力，李宗周，等.

碳纖維復合材料天線框架豎直狀態加工工藝研究［J］.粘接，2024，51（3）：65-68.