摘要：随着测控雷达的发展，车载方式作为一种新的形式存在，相配套的雷达罩越趋复杂，成本也逐步增加。文中根据某大型复杂天线罩的关键特征，使用低成本凹模模具控制内表面宽度尺寸，以现有固化炉平台作为底板，从材料、拆分方式、制造方式等方面进行对比确定模具的最终形式，并利用ANSYS15.0有限元软件进行强度分析，确定模具板材的最佳厚度。在满足产品要求的情况下，采用低成本的真空袋压成型技术和分次固化方式成型。同时对关键的温度曲线进行摸索，制定出适合此大型模具的工艺温度曲线，并利用尺寸控制技术精确控制最终成型尺寸。检验测试结果表明，该天线罩模具满足产品的结构和电性能指标要求。
关键词：大型复杂天线罩；模具；低成本；真空袋压成型技术；温度曲线
引言
天线可以看作是一种精密仪器，其外形尺寸和表面精度都有很高的要求。长期暴露在恶劣环境中的天线，其精确性、稳定性和可靠性等将受到严重影响。天线罩是保护雷达天线的重要部件,它保护天线不受损伤，免受风、雨、雪、冰、沙、盐雾、高低温以及一些腐蚀性化学物质和工业污染物等的影响，使天线工作性能稳定、可靠[1]。文献[2]以双马来酰亚胺、氰酸酯和聚酰亚胺等树脂为原料，按照热压成型工艺制备了大功率雷达天线罩，对制备材料进行的拉伸试验和介电性能测试表明，S玻纤/双马预浸料为最优方案。文献[3]设计了热压罐成型的泡沫夹芯天线罩，并在天线罩表面设计了一种维修窗，可以在不拆卸天线罩的情况下维修天线罩内的电气设备。文献[4]通过对雷达罩结构及成型工艺要求的分析，介绍了利用阴阳模及卸料圈使雷达罩脱模的模具设计结构特点和设计要点，并提出了制造过程中应注意的问题及解决方法，提高了产品质量和模具制造质量。通过分析发现,这些文献主要集中在天线罩的热压罐成型方面，对大型复杂结构雷达天线罩的研究较少，在模具设计方面提及思路较多，而细节较少。因此本文以某车载式方舱A夹层复杂天线罩为例，在模具设计思路及细节方面进行了详细介绍，通过有限元软件进行了强度分析，以真空袋压代替热压罐成型，并在后续测试中检测了成型质量。
1模具设计
如图1所示，天线罩是弓型结构，尺寸为2495mm×8135mm，两侧夹角为(150◦±0.1◦)，整体长度尺寸要求8135mm（公差为+1∼+4mm），内侧底面宽度尺寸要求906.7mm（公差为+1∼+3mm），内表面平面度为1mm，侧面和底面分布着232个安装孔，每个安装孔内有预埋件。
1.1模具类型设计
天线罩成型模一般有3种类型：凸模、凹模和合模，其具体特点见表1。根据天线罩尺寸和现场生产方式，采用凹模形式的模具。凹模模具结构简单，易于数控加工，在铺层过程中方便人工铺贴，容易脱模，制造成本低。
1.2模具材料设计
模具常用的材料有铝、低碳钢和INVAR合金。不同的材料热膨胀系数和成本有着很大差别。模具尺寸膨胀变化对天线罩最终成型尺寸的影响很大。由表2可知，铝制模具的热变形量远大于钢制模具的热变形量，而INVAR合金的热膨胀系数虽然很低，但其成本比低碳钢高很多。因此，经过综合考虑，选择低碳钢作为模具材料。
1.3细节设计
由于天线罩四周和底面均分布有预埋件，所有预埋件在成型过程中均需要定位，故模具采用全封闭式，预埋件通过螺栓与模具固定。天线罩尺寸较大，因而模具尺寸也很大。为了方便模具加工、装配和运输，需对模具进行拆分和组装。经过分析，模具设计成2段，采用板材拼焊加工方法。
2模具有限元分析
2.1有限元模型与边界条件
如图2所示，整个有限元模型以壳单元建模，约束位置位于压板位置，载荷为内侧一个标准大气压，温度为130◦C。
2.2分析结果
图3和图4分别为整体变形云图和模具表面法向变形云图。从变形云图可知，在高温加压条件下，模具整体在纵向有7mm左右的膨胀变形，模具表面的法向变形为−0.6∼+0.8mm。图5为模具的应力云图。从应力云图可知，模具整体最大应力为141.5MPa，位于后侧支撑筋位置。
2.3结论
从仿真建模和分析结果可知，模具在高温加压载荷下，整体变形最大为5.5mm，模具表面法向变形为0.7mm，最大应力水平为141.5MPa，满足设计条件。
3工艺研究
3.1材料选择
天线的工作波段为S波段，常用电性能参数见表3[5]。经过电性能和力学仿真分析，选择玻纤环氧预浸料作为蒙皮材料，单边厚度为1mm，将芳纶纸蜂窝作为夹层材料，厚度为15mm。
3.2成型方法
天线罩常用的成型方式有真空袋压成型和热压罐成型。成型过程都是用手工铺叠方式，将预浸料按设计方向和顺序逐层铺放到模具上，达到规定厚度后，经加压、加热、固化、脱模、修整而获得制品。热压罐成型成本高且时间长。经综合考虑，选择真空袋压成型法。对于蜂窝夹芯结构成型，常用的工艺方法包括共固化、分次固化和胶接。共固化指内外蒙皮与蜂窝一次固化成型，常用于结构简单的天线罩成型；分次固化指将外蒙皮与蜂窝一起固化，再与内蒙皮一起固化，常用于A、C夹层结构，或内部结构较复杂的产品的成型；胶接指分别固化内、外蒙皮，再将蒙皮与蜂窝用胶粘接，根据胶的不同可分为常温胶接和高温固化胶接[3]。该天线罩的固化温度为130◦C，天线罩内部有大量预埋件需要定位，所以共固化工艺不可行。胶接工艺中需要增加一次固化，成本较高。所以最终采用分次固化。
3.3参数控制
固化工艺参数是复合材料成型的关键参数，涉及蒙皮树脂基体的固化反应和胶膜树脂的固化反应，决定材料内部分子链的交联反应是否完全，从而影响天线罩的内部强度。固化工艺参数主要包含反应的压力、温度和时间，因为蒙皮材料与胶膜为同一树脂体系，所以可以将其视为一个整体。理论上的工艺固化参数是在真空压力大于−0.095MPa条件下，先在80◦C空气温度下保温40min，然后又在130◦C空气温度下保温2h。但由于模具较大，为保证材料的均匀性和固化时间，对固化时间进行了优化，以确保天线罩每次固化完全，从而保证成型质量。由图7可知，平台先在14:15到达固化温度118◦C，而模具在15:15才达到118◦C固化温度。所以最终工艺曲线定为空气温度80◦C/40min+130◦C/4h，即先在空气温度80◦C下保温40min，然后又在空气温度130◦C下保温4h。这样能使有效固化温度130◦C的保温时间达到120min，从而有效保证每次固化的质量。
3.4过程控制
3.4.1长度保证
该天线罩长8135mm，公差为3mm。如何精确控制整体长度是很重要的一项技术。通过现场分析，采取了模具设计+一次补偿的方式来保证长度尺寸。先通过仿真分析和已成型的类似天线罩的尺寸参数记录分析结果，确定模具的长度，再在一次固化后对两边进行长度补偿。固化后测得的最终尺寸为8138mm，满足尺寸要求。
3.4.2内尺寸控制
该天线罩成型是通过凹模来控制内表面尺寸的，难点在于控制整个铺层的厚度。制作的样件表明，模具能满足内R角要求，厚度尺寸也能保证。在成型过程中，严格按照样件铺层方式进行铺设。在每次固化前后都用相应的内尺寸检测工装检测宽度和内R角。经多次检测和调整控制，最终固化后的内表面尺寸满足要求。
4天线罩性能测试验证
将天线罩安装在阵面上进行开机测试，扫频最大插入损耗小于0.2dB，满足电讯设计要求。为验证天线罩的环境适应性，对天线罩随炉件按照GJB1621.7A—2006技术侦查装备通用技术要求第7部分：环境适应性要求和试验方法进行测试。测试条件为：低温−55◦C存放24h，高温70◦C存放24h。测试过程中无分层、鼓泡等异常情况出现，结果满足要求。
5结束语
本文对A夹层大型复杂天线罩的结构和各个关键尺寸进行了分析。该天线罩的关键尺寸在内表面，理论上应采用凸模成型，但凸模成型在实际应用中有成本高、重量大等缺点，因此考虑到成本、重量和操作便利性等因素，本文自主设计了一种可利用现有平台的低成本可拆分式凹模成型模具，利用凹模控制内表面尺寸。有限元分析结果表明，模具满足强度要求。天线罩成型一般采用热压罐成型技术，但热压罐成型受设备尺寸限制，并且费用高。一件复材制品采用热压罐成型工艺的成本比采用真空袋压成型工艺的成本至少高一倍[6]。所以在地面产品的结构强度和电性能满足要求的情况下，优先选用低成本的真空袋压成型工艺。此外，还针对大型模具成型，摸索出了适合该模具升温的固化工艺曲线，通过对成型过程的多次调整控制，使精度最终达到了产品要求。
参考文献
[1]乔玉.复合材料天线罩优化设计[D].南京:南京航空航天大学,2013.
[2]佟文清,李磊,白一峰.耐高温复合材料选型及在大功率雷达天线罩上的应用[J].工艺与装备,2019(9):173–174.
[3]白一峰,邵宗科.可维修式全尺寸泡沫夹芯天线罩成型工艺[J].电子工艺技术,2019,40(5):302–305.
[4]葛芸,肖卉口,罗丽华.雷达罩成形模的设计[J].洪都科技,2010(1):20–22.
[5]方芳.先进复合材料在雷达上的应用[J].电子机械工程,2013,29(1):28–31,54.
[6]朱永明,杨春霞,吴东.夹层结构天线罩的低成本制造工艺[J].复合材料科学与工程,2020(5):93–94.
作者:徐书成 何文龙 单位:中国电子科技集团公司第三十八研究所
