开缝蜂窝吸波结构电磁/力学综合性能设计技术研究

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蜂窝吸波结构具有重量轻、优良的抗冲击性能和吸收电磁波等优异特点,因而被广泛应用在航空航天等军事领域。为了满足蜂窝吸波结构多功能的工程应用,把无源电子元件与复合材料“完美结合”,以将热功能、电子功能和辐射屏蔽效能等功能集成到航天器固有的承载部件中,使航天器在轻量化和多功能方面有质的飞越。该设计关键问题是对蜂窝吸波结构开缝后的电磁/力学性能进行综合评估,使其在合理的开缝设计下,既能减轻蜂窝结构的重量,满足工程应用,又具有良好的电磁/力学性能,对蜂窝吸波结构多功能设计具有重要的意义。针对上述存在问题或不足,本文设计了开缝蜂窝吸波结构,主要以传统的六角形吸波蜂窝作为研究对象,对其进行规则开缝和不规则开缝,通过实验测试和仿真相结合的方式,探究开缝对蜂窝吸波结构电磁和力学性能的影响规律,对蜂窝吸波结构多功能的设计起到指导作用。论文的主要工作:(1)探究缝隙的基本参数对Nomex蜂窝压缩和三点弯曲力学性能的影响。通过平压实验得到Nomex蜂窝的变形模式和力学参数,并用来验证有限元仿真模型的准确性,然后对该仿真模型进行集中开缝和分散开缝,探究三个方向上开缝尺寸的变化对Nomex蜂窝力学参数的影响;分析了开缝尺寸对Nomex蜂窝三点弯曲性能的影响。结果表明,集中开缝、分散开缝与完整蜂窝变形类似;在L和W方向,随着开缝的增大,蜂窝的力学参数都降低;T方向,随着缝隙的增大,集中开缝后蜂窝的平压弹性模量和屈服强度基本保持不变。Nomex蜂窝的三点弯曲仿真,在蜂窝中间位置开缝,随着开缝尺寸的增大,峰值载荷减小,弯曲性能减弱。(2)探究规则开缝对蜂窝吸波结构电磁和力学性能的综合影响。通过平压实验和有限元仿真的方法,研究规则开缝对蜂窝力学性能的影响,通过微波暗室测试和电磁仿真计算,研究对蜂窝电磁性能的影响。结果表明,力学方面,蜂窝吸波结构开缝后,位移-载荷曲线与未开缝蜂窝吸波结构一样分为三个阶段;随着开缝的增大,吸波蜂窝的平压弹性模量、屈服强度和平台应力都逐渐降低;电磁方面,蜂窝规则开缝后,RCS均值差在0.5d B之内,开缝对蜂窝吸波结构的吸波性能基本无影响。圆板开缝蜂窝的RCS曲线变化平缓,但是整体的吸波性能没有四边形蜂窝好。(3)探究不规则开缝对蜂窝吸波结构电磁和力学的综合影响。研究方法与规则开缝类似,只是上下缝隙的形状不同。结果表明,力学方面,位移-载荷曲线也分为三个阶段,但是当有一层为最大开缝尺寸时,另一层开缝尺寸的变化不会对平压弹性模量、屈服强度产生影响;电磁方面,不同宽度开缝,RCS均值差在0.89dB之内,不规则开缝对蜂窝吸波结构的电磁性能无影响。
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