Fibersim复合材料解决方案在天线行业的应用

碳纤维复合材料(CFRP)具有重量轻、模量高、热膨胀系数低等特点。复合材料作为一种先进材料，自1970以来一直应用于航空航天等对材料性能要求高的行业，并且近年来用量越来越高。在天线领域，复合材料在制造长期工作在高真空、强紫外线、带电粒子辐射、激烈高低温交变的空间环境下的航天器天线方面具有较大的优势，得到了广泛应用。随着原材料价格和制作成本的降低，它也应用于工作在各种恶劣环境条件下的航空、地面、舰载天线。现在随着电子产品向小型化、轻型化、高精度方向发展,碳纤维复合材料正在逐步取代金属材料成为制作天线的主要材料。采用先进复合材料制造雷达天线具有轻质、高强度、高刚度、耐腐蚀、高精度的优点。

复合材料天线用量越来越多

复合材料在天线上应用的主要结构形式为蜂窝夹层结构和薄壳结构形式，其中蜂窝夹层结构形式具有较好的结构稳定性和刚性，是一种被广泛采用的天线结构形式。复合材料同时具有各向异性的特定，产品的最终性能具有较大的可设计性，因此在一定程度上增加了其设计的复杂性。

传统的天线设计方法通常是采用三维CAD软件进行几何建模，其中并不涉及到复合材料铺层信息的创建，而对复合材料而言，非几何元素的重要性（比如铺层顺序，方向，材料等）是要大于几何信息的。没有铺层信息的存在也就无法从数据层面做到设计-分析-制造数据的一致性。天线复合材料的性能随着铺层方向，铺层数量的变化而差异较大。因此，铺层设计对型面精度要求很高的抛物线天线来说是至关重要的。在铺层设计中，主要考虑到复合材料的“零膨胀系数”，“准各向同性”的设计原则，以及铺层耦合应力变形特性等综合因素的影响。传统的CAE下对复合材料的校核采用多是手工创建铺层有限元模型的方法，存在着建模效率低，不适应多次的设计更改，以及没有考虑工艺制造因素等不完善地方。

Fibersim可以完全集成于用户已有的CAD系统中，使CAD系统成为高性能的设计/制造天线复合材料构件的软件工具。该软件可以提供专业的工程设计环境，高效地处理复合材料及其结构的复杂性问题，能够捕捉CAD系统中复合材料构件的完整定义，管理复合材料数据，在项目内部共享复合材料构件的定义。Fibersim复合材料工程设计环境见下图。工程师在在CAD下完成天线几何模型的创建之后，直接使用Fibersim来进行铺层的设计工作。

Fibersim复合材料工程设计环境

Fibersim软件独有的铺层仿真技术，能够预测复合材料如何与复杂的表面贴合，支持整个天线复合材料的工程过程，该软件使工程师同时在构件几何、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡，使用Fibersim软件，工程师能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施，实现面向制造的设计流程DFM。下图为采用Fibersim软件进行天线复合材料设计的流程。

Fibersim天线复合材料设计流程示意图

从初步设计、详细设计直至制造车间，设计师借助Fibersim软件很容易创建和转换设计、工程图以及相关的数据，并使零件数据在Fibersim软件、设计、制造以及CAE软件之间进行交换和传递，从而大大加速了复合材料的研发流程。