關于蜂窩夾層結構雷達罩連接的分析
摘要：地面雷達天線罩的表面積很大，必須分塊成型，然后采用接頭連接成整體。因此接頭的設計，加工和安裝對雷達天線罩的安全使用極其重要。本文介紹了蜂窩夾層結構雷達罩夾層結構的連接方式、連接工藝、接頭設計原則與安裝方法，并給出了一些建議。
地面雷達天線罩，是從十幾米到幾十米直徑的截球面，表面積很大，必須分塊成型，然后用接頭連接成整體，因此接頭的設計，加工和安裝是極其重要的。這要求接頭有足夠的強度，并且各個接頭要盡量均勻。雷達罩被強臺風吹壞，其中各分塊的接頭的質量是極關鍵的。在強臺風的惡劣條件下，只要某一個接頭松動或破壞，將會影響整個球殼的受力狀態。對某一些分塊而言，將改變各分塊的邊界條件，從而改變分塊內部的應力狀態，甚至會從穩定狀態變成不穩定狀態，后使整個球殼失穩而破壞，因此在進行雷達天線罩設計、制造與安裝時必須極其重視接頭的設計，制造和安裝。
1 連接方式
夾層結構的連接方式是多種多樣的，大的方面可分三類：①膠接；②機械連接，如螺接、鉚接等；③混合連接，如膠螺連接，膠鉚連接。根據不同夾層結構產品的結構及使用條件可以選擇一種或幾種連接方式。對于雷達天線罩的連接，有一些限制，要求盡可能不影響罩子的透波性能，罩子外表要光滑。
膠接有許多優點，但由于雷達罩較大，同時受力較大，因此采用機械連接或混合連接較多。主要有①平直對接；②嵌形單搭接；③嵌形雙搭接；④翻邊平直對接。如圖1所示，其中①、②、③即如文獻中所術的三種連接。④連接方式，單元件內翻邊連接，在罩子受外壓的條件下是不合理的，僅僅從連接上是方便一些，但從受力及對透波影響是不理想的。從受力角度，嵌形雙搭接比嵌形單搭接更好；避免了產生附加彎短。
連接方式中還有上下蓋板連接，這種連接對雷達罩不合適，因雷達罩表面必須光滑，另還要考慮透波因素。從受力角度分析上下蓋板連接，采用膠螺或膠鉚，這種連接承力能力較強。對于圖1中的第④種，有內翻邊連接，這是不合理的。雖然在安裝方面，從受力角度，這不如采用附加內蓋板連接，這樣強度更好，透波性能與④類似。
2 工藝
夾層結構連接處的工藝包括下列方面：①樹脂含量及滲透程度（包括空隙率）；②芯子加強措施；③面板補強；④連接處的幾何形狀及尺寸的精度。
樹脂含量不足或不滲透，有較多的空白或空隙，將會降低連接玻璃鋼的擠壓強度和剪切強度，在受力時，將會發生擠壓破壞或剪切破壞，或因連接方式不合理，產生附加拉壓應力，與擠壓剪切組合后破壞。因此，在成型中必須保證連接處有足夠的樹脂含量及滲透完全和均勻。至于樹脂含量對擠壓強度和剪切強度的關系，另文分析，對不同的增強材料，必有一個佳樹脂含量。至于分層、空隙對玻璃鋼疲勞性能的影響見文獻。
連接處的芯子必須用填料、增加密度、預埋加強件等方法來加強，以提高該處的剛度和強度，避免連接處產生附加彎矩及剝離力，以及提高面板的擠壓強度和剪切強度。
連接處面板要補強，適當增加厚度。該處面板不僅要增厚還應進行合理鋪設。不同的鋪設角度對靜擠壓強度和疲勞強度是不同的。以擠壓強度為例，0。,90。、±45。組合層板的擠壓強度為：
其中，t。為0。鋪層的厚度；t90為90。鋪層厚度；t45為45。鋪層厚度；σc為0。方向層板的縱向壓縮強度；σTC為0。方向層板在側向限制下的橫向壓縮強度；σb0為0。方向層板在側向限制下的擠壓強度，σb45±45。方向層板在側向限制下的擠壓強度，K0、K90為擠壓系數，分別為：
其中，φ45為±45。鋪層的百分比；φ90為90。鋪層的百分比。
對某復合材料，k0，K90依次見圖2,3。
連接處的幾何形狀及尺寸精度方面，從文獻可知，由于有一些連接接頭的形狀不合理，會產生附加彎矩，降低接頭承載能力。另外，如文獻介紹，因對接處的連接板不平整或墊圈不準，將會使連接板產生彎曲應力，降低連接板的承載能力。
3 安 裝
雷達覃由許多元件連接安裝后才能成為整體，安裝質量極為重要。安裝要使每一只螺栓施力到位，均勻?，F僅以對螺栓的擰緊力矩為例，說明安裝的重要性。施加擰緊力矩M后，當標準墊圈直徑D為螺孔直徑d的2.2倍，D=2.2d時，則側向壓縮應力σz為：
側向限制還可以防止孔邊過早分層，增加接頭疲勞壽命。此外，它還使接頭擠壓強度的分散性大大減小。
舉某復合材料為例，各鋪層方向（0。、±45。、90。）的百分比依次為50/40/10，30/60/10和70/20/10，擰緊力矩對擠壓強度影響的試驗結果列于圖4。從圖4中可以清楚地看出鋪層角及擰緊力矩對層板擠壓強度的影響。必須注意，組成層板的各鋪層比例不同，總厚度不同，擰緊力矩的影響也不同。
一般建議的擰緊力矩如表1所示。
對螺栓施加擰緊力矩后，螺栓承受軸向拉應力σz和連接板傳來的剪應力τ，應按下式校驗強度：
其中σb為螺拉伸強度。對于鉚釘連接時為：
由些可見，對于不同的雷達罩，應根據受力狀態，采用不同材質的螺栓、鉚釘等。
4 老化、疲勞、蠕變
雷達天線罩在長期使用中，材料和接頭會經歷老化、疲勞、蠕變等過程，使其承載能力有所下降。選用兩種擰緊力矩,0和18.08N?m對50/40/10和19/76/5兩種層板的拉-拉（R=＋0.1）、拉-壓（R=-1.0）的疲勞S-N曲線見圖5和圖6。
擰緊力矩約束了釘孔周圍材料，延緩了局部破裂和起始損傷的時間，從而明顯提高了靜強度和疲勞強度。
對于蠕變也有同樣情況，重要的是對我們雷達罩材料、接頭應進行疲勞和蠕變的試驗研究工作。
5 設 計
對不同的材料和結構，接頭設計有不同的設代原則和計算方法。對我們玻璃鋼／復合材料雷達罩而言，設計原則為：①接頭要盡量避免對透波率的影響；②接頭要盡量避免產生附加彎矩或剝離力；③進行優化鋪層設計，使擠壓強度、剪切強度和疲勞強度達到高；④在試驗數據和理論分析的基礎上，必須要對接頭進行有老化、疲勞、蠕變的壽命設計；⑤接頭的各部位要盡可以取得一致的安全系數，即滿足破損一致要求，并且對各部位一定要完全計算出所有應力狀態，采用合理的強度理論進行計算，確保接頭安全；⑥要便于成型制造、安裝和維修；⑦接頭要密封，以防雨水侵入；⑧要研究接頭對透波的影響，在可能條件，盡量采用非金屬接頭，以提高增加雷達罩的透波性能。
至于設計計算，對于不同的接頭形式，計算被連接材料的擠壓應力、剪切應力、拉伸應力、彎曲應力、斷紋剪切應力等，然后采用復合材料的強度理論進行強度校核。對于不同受力狀態，已有計算方法。對于螺栓、鉚釘可按普通接頭計算方法，計算出軸向應力和剪切應力，按式（5）、（6）進行強度校核。在搞清接頭受力狀態及上述設計原則第④條后，應從第⑤條原則出發，進行接頭優化設計。
6 標準規范化
要有制造接頭的工藝規范和安裝規范，從技術管理上確保接頭質量和安裝質量。同時要做好售后服務，做好定期檢查和維修。一切過程一定要做好記錄，對每只雷達罩，一定要從設計、材料、成型、檢驗、出廠、安裝、檢查、維修有一個完整的檔案材料，以便不斷總結經驗，不斷分析，以提高我們雷達罩的性能和質量。
地面雷達天線罩，是從十幾米到幾十米直徑的截球面，表面積很大，必須分塊成型，然后用接頭連接成整體，因此接頭的設計，加工和安裝是極其重要的。這要求接頭有足夠的強度，并且各個接頭要盡量均勻。雷達罩被強臺風吹壞，其中各分塊的接頭的質量是極關鍵的。在強臺風的惡劣條件下，只要某一個接頭松動或破壞，將會影響整個球殼的受力狀態。對某一些分塊而言，將改變各分塊的邊界條件，從而改變分塊內部的應力狀態，甚至會從穩定狀態變成不穩定狀態，后使整個球殼失穩而破壞，因此在進行雷達天線罩設計、制造與安裝時必須極其重視接頭的設計，制造和安裝。
1 連接方式
夾層結構的連接方式是多種多樣的，大的方面可分三類：①膠接；②機械連接，如螺接、鉚接等；③混合連接，如膠螺連接，膠鉚連接。根據不同夾層結構產品的結構及使用條件可以選擇一種或幾種連接方式。對于雷達天線罩的連接，有一些限制，要求盡可能不影響罩子的透波性能，罩子外表要光滑。
膠接有許多優點，但由于雷達罩較大，同時受力較大，因此采用機械連接或混合連接較多。主要有①平直對接；②嵌形單搭接；③嵌形雙搭接；④翻邊平直對接。如圖1所示，其中①、②、③即如文獻中所術的三種連接。④連接方式，單元件內翻邊連接，在罩子受外壓的條件下是不合理的，僅僅從連接上是方便一些，但從受力及對透波影響是不理想的。從受力角度，嵌形雙搭接比嵌形單搭接更好；避免了產生附加彎短。
連接方式中還有上下蓋板連接，這種連接對雷達罩不合適，因雷達罩表面必須光滑，另還要考慮透波因素。從受力角度分析上下蓋板連接，采用膠螺或膠鉚，這種連接承力能力較強。對于圖1中的第④種，有內翻邊連接，這是不合理的。雖然在安裝方面，從受力角度，這不如采用附加內蓋板連接，這樣強度更好，透波性能與④類似。
2 工藝
夾層結構連接處的工藝包括下列方面：①樹脂含量及滲透程度（包括空隙率）；②芯子加強措施；③面板補強；④連接處的幾何形狀及尺寸的精度。
樹脂含量不足或不滲透，有較多的空白或空隙，將會降低連接玻璃鋼的擠壓強度和剪切強度，在受力時，將會發生擠壓破壞或剪切破壞，或因連接方式不合理，產生附加拉壓應力，與擠壓剪切組合后破壞。因此，在成型中必須保證連接處有足夠的樹脂含量及滲透完全和均勻。至于樹脂含量對擠壓強度和剪切強度的關系，另文分析，對不同的增強材料，必有一個佳樹脂含量。至于分層、空隙對玻璃鋼疲勞性能的影響見文獻。
連接處的芯子必須用填料、增加密度、預埋加強件等方法來加強，以提高該處的剛度和強度，避免連接處產生附加彎矩及剝離力，以及提高面板的擠壓強度和剪切強度。
連接處面板要補強，適當增加厚度。該處面板不僅要增厚還應進行合理鋪設。不同的鋪設角度對靜擠壓強度和疲勞強度是不同的。以擠壓強度為例，0。,90。、±45。組合層板的擠壓強度為：
其中，t。為0。鋪層的厚度；t90為90。鋪層厚度；t45為45。鋪層厚度；σc為0。方向層板的縱向壓縮強度；σTC為0。方向層板在側向限制下的橫向壓縮強度；σb0為0。方向層板在側向限制下的擠壓強度，σb45±45。方向層板在側向限制下的擠壓強度，K0、K90為擠壓系數，分別為：
其中，φ45為±45。鋪層的百分比；φ90為90。鋪層的百分比。
對某復合材料，k0，K90依次見圖2,3。
連接處的幾何形狀及尺寸精度方面，從文獻可知，由于有一些連接接頭的形狀不合理，會產生附加彎矩，降低接頭承載能力。另外，如文獻介紹，因對接處的連接板不平整或墊圈不準，將會使連接板產生彎曲應力，降低連接板的承載能力。
3 安 裝
雷達覃由許多元件連接安裝后才能成為整體，安裝質量極為重要。安裝要使每一只螺栓施力到位，均勻?，F僅以對螺栓的擰緊力矩為例，說明安裝的重要性。施加擰緊力矩M后，當標準墊圈直徑D為螺孔直徑d的2.2倍，D=2.2d時，則側向壓縮應力σz為：
側向限制還可以防止孔邊過早分層，增加接頭疲勞壽命。此外，它還使接頭擠壓強度的分散性大大減小。
舉某復合材料為例，各鋪層方向（0。、±45。、90。）的百分比依次為50/40/10，30/60/10和70/20/10，擰緊力矩對擠壓強度影響的試驗結果列于圖4。從圖4中可以清楚地看出鋪層角及擰緊力矩對層板擠壓強度的影響。必須注意，組成層板的各鋪層比例不同，總厚度不同，擰緊力矩的影響也不同。
一般建議的擰緊力矩如表1所示。
對螺栓施加擰緊力矩后，螺栓承受軸向拉應力σz和連接板傳來的剪應力τ，應按下式校驗強度：
其中σb為螺拉伸強度。對于鉚釘連接時為：
由些可見，對于不同的雷達罩，應根據受力狀態，采用不同材質的螺栓、鉚釘等。
4 老化、疲勞、蠕變
雷達天線罩在長期使用中，材料和接頭會經歷老化、疲勞、蠕變等過程，使其承載能力有所下降。選用兩種擰緊力矩,0和18.08N?m對50/40/10和19/76/5兩種層板的拉-拉（R=＋0.1）、拉-壓（R=-1.0）的疲勞S-N曲線見圖5和圖6。
擰緊力矩約束了釘孔周圍材料，延緩了局部破裂和起始損傷的時間，從而明顯提高了靜強度和疲勞強度。
對于蠕變也有同樣情況，重要的是對我們雷達罩材料、接頭應進行疲勞和蠕變的試驗研究工作。
5 設 計
對不同的材料和結構，接頭設計有不同的設代原則和計算方法。對我們玻璃鋼／復合材料雷達罩而言，設計原則為：①接頭要盡量避免對透波率的影響；②接頭要盡量避免產生附加彎矩或剝離力；③進行優化鋪層設計，使擠壓強度、剪切強度和疲勞強度達到高；④在試驗數據和理論分析的基礎上，必須要對接頭進行有老化、疲勞、蠕變的壽命設計；⑤接頭的各部位要盡可以取得一致的安全系數，即滿足破損一致要求，并且對各部位一定要完全計算出所有應力狀態，采用合理的強度理論進行計算，確保接頭安全；⑥要便于成型制造、安裝和維修；⑦接頭要密封，以防雨水侵入；⑧要研究接頭對透波的影響，在可能條件，盡量采用非金屬接頭，以提高增加雷達罩的透波性能。
至于設計計算，對于不同的接頭形式，計算被連接材料的擠壓應力、剪切應力、拉伸應力、彎曲應力、斷紋剪切應力等，然后采用復合材料的強度理論進行強度校核。對于不同受力狀態，已有計算方法。對于螺栓、鉚釘可按普通接頭計算方法，計算出軸向應力和剪切應力，按式（5）、（6）進行強度校核。在搞清接頭受力狀態及上述設計原則第④條后，應從第⑤條原則出發，進行接頭優化設計。
6 標準規范化
要有制造接頭的工藝規范和安裝規范，從技術管理上確保接頭質量和安裝質量。同時要做好售后服務，做好定期檢查和維修。一切過程一定要做好記錄，對每只雷達罩，一定要從設計、材料、成型、檢驗、出廠、安裝、檢查、維修有一個完整的檔案材料，以便不斷總結經驗，不斷分析，以提高我們雷達罩的性能和質量。
