[发明专利]一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信、无线电测控等领域中的复合材料反射面单元制造技术，尤其是一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的设计方法。

背景技术

碳纤维-环氧树脂基复合材料因其热变形小、比刚度好、重量轻和耐腐蚀等诸多优良性能在卫星通信、无线电测控等的天线制造领域得到了长足的发展。尤其是在机载和应急通讯站等天线反射面单元制造方面得到了广泛的应用。

这类天线的反射体单元往往需要以湿法热固成型的方式在模具上进行。其最重要的指标，反射面均方根精度，则主要由模具来保证。在加热过程中，模具受热膨胀发生形变，反射面单元形状随之变化，并在最后阶段固化成型。由于普通模具材料的热膨胀系数要远大于复合材料，在冷却过程中模具出现收缩而反射面单元并没有相应收缩。在常规成型中，常温下的模具曲面是产品的理论曲面，而反射面单元的表面精度基本完全由模具来保证，这样一来，这就造成了反射面单元不可避免的精度损失。

根据相关资料，我们发现国外先进的复合材料天线反射面单元的表面均方根精度可以达到0.03，甚至更低。而我国制造的复合材料反射体单元表面均方根精度一般仅为0.2-0.5左右，尚存在较大差距。严重制约了我国卫星通信、无线电测控等领域的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的方法。

为了解决上述问题，本发明专利所采用的技术方案是：

一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的方法，借助于计算机有限元仿真计算软件来实现的，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先在计算机中建立包含特征曲面的天线反射体单元模具的理论数学模型，并将模具材料的密度、热膨胀系数、弹性模量和泊松比的属性参数赋予该模型；

(2)将天线反射体单元模具的理论数学模型划分成有限元网格单元；

(3)进行仿真计算，将模具使用时的固化温度设定为初始温度，在初始温度下将天线反射体单元模具的理论数学模型缓慢冷却到室温，天线反射体单元模具的理论数学模型因为温度差产生了收缩变形；

(4)将步骤(3)中收缩变形后的天线反射体单元模具的数学模型提取，经优化修整，则为天线反射体单元模具的加工模型；

完成对高精度复合材料天线反射体单元模具的热变形补偿。

其中，所述的复合材料为碳纤维、芳纶纤维或通过湿法热固成型的复合材料。

其中，所述的计算机有限元仿真计算软件为ABAQUS、ANSYS、patran、nastran或DEFORM有限元计算软件。

由于采用了上述技术方案，本发明专利取得的技术进步是：

本发明运用成熟的计算机有限元仿真技术，通过对模具三维造型进行热变形补偿计算的方法，用成熟的计算方法利用模具材料自身的受热变形规律得出模具的加工模型，来实现提高最终产品型面精度的设计，使加工出来的模具加热到既定温度时其使用表面刚好受热膨胀为理论曲面，从而使产品获得最佳的表面精度。

附图说明

图1为天线反射体单元模具理论数学模型的三维示意图；

图2为对天线反射体单元模具理论数学模型划分有限元网格的示意图；

图3为温度载荷变化引起变形后的天线反射体单元模具数学模型示意图；

图4为天线反射体单元模具的三维模型示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明专利做进一步详细说明：

一种对高精度复合材料天线反射体单元模具热变形进行补偿的方法，借助于计算机有限元仿真计算软件来实现的，其中，复合材料为碳纤维、芳纶纤维或通过湿法热固成型的复合材料，计算机有限元仿真计算软件为ABAQUS、ANSYS、patran、nastran或DEFORM有限元计算软件，具体包括以下步骤：

(1)首先在计算机中建立包含特征曲面的天线反射体单元模具的理论数学模型，并将模具材料的密度、热膨胀系数、弹性模量和泊松比的属性参数赋予该模型，如图1所示。

(2)将天线反射体单元模具的理论数学模型划分成有限元网格单元，如图2所示。划分的网格不宜过大，优先选用六面体网格。

(3)进行仿真计算。将模具使用中的固化温度设定为初始温度T₀，在没有外部约束载荷的情况下使模型缓慢冷却到室温T₁。这样得到因温度载荷变化(ΔT＝T₀-T₁)引起收缩变形后的模型，如图3所示。