1前言
幾次雷達(dá)天線罩被強(qiáng)臺風(fēng)吹壞，經(jīng)分析是由于結(jié)構(gòu)原缺陷或損傷區(qū)擴(kuò)大(包括結(jié)構(gòu)材料和接頭)。接頭進(jìn)一步松動，改變了單元件的邊界條件，使單元件的應(yīng)力狀態(tài)惡化，反過來使接頭處受力增加。接頭更松動或損傷，進(jìn)一步促進(jìn)單元件應(yīng)力狀態(tài)更嚴(yán)重，甚至從一種應(yīng)力狀態(tài)突變到另一種應(yīng)力狀態(tài)，也就是局部失穩(wěn)，或某單元件局部失穩(wěn)，進(jìn)一步使周圍接頭應(yīng)力不斷增大，逐步擴(kuò)大失穩(wěn)區(qū)。直到整個球殼破壞。有一個從缺陷-接頭-局部失穩(wěn)直到整體破壞的過程。這些缺陷有原始的，也有經(jīng)老化疲勞和蠕變新增加或者是原始缺陷擴(kuò)大的。另一方面，接頭還有一個因工藝因素和安裝因素產(chǎn)生的缺陷和不均勻經(jīng)過老化疲勞和蠕變后進(jìn)一步擴(kuò)大和惡化，從而改變雷達(dá)罩單元件或某局部區(qū)域的邊界條件，促使和加快局部失穩(wěn)的過程。一個單元件的局部破壞，在連續(xù)的強(qiáng)臺風(fēng)的條件下，必將引起罩子的整體破壞。
2穩(wěn)定概念
一根壓桿從單純受壓的應(yīng)力狀態(tài)變成彎曲應(yīng)力狀態(tài)，即稱為失穩(wěn)，這是著名的歐拉失穩(wěn)。對于一塊板，同樣由于受面內(nèi)壓縮應(yīng)力狀態(tài)變成受彎曲應(yīng)力狀態(tài)時，也稱為失穩(wěn)，只是板是四邊支撐的，板的失穩(wěn)臨界載荷要比壓桿大許多。況且，隨著邊界從簡支改為周支，其臨界載荷成倍或幾十倍地增加。夾層結(jié)構(gòu)能大大提高彎曲剛度，從幾十倍到幾百倍，因而采用夾層結(jié)構(gòu)大大提高板的臨界載荷。有曲率的殼體比平板不易失穩(wěn)，曲率半徑越小越不易失穩(wěn)，當(dāng)曲率半徑增大時．就易失穩(wěn)，直到曲率半徑為∞時也即成為平板時，相對殼而言，失穩(wěn)臨界載荷大大降低。
壓桿失穩(wěn)后就不能繼續(xù)承載了，但板不同，失穩(wěn)后似能繼續(xù)承載。傳統(tǒng)的均質(zhì)的金屬薄板，特別是對重量要求很重視的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，允許板失穩(wěn)。對于玻璃鋼復(fù)合材料，此觀點(diǎn)同樣適用，詳見文獻(xiàn)[1]。對于平板失穩(wěn)，玻璃鋼，復(fù)合材料不同于均質(zhì)金屬材料，有個最優(yōu)設(shè)計(jì)的問題[2]，對于加筋板更是允許板失穩(wěn)，不僅航空上允許，對于艦船也是允許的，詳見文獻(xiàn)。
對于殼體，特別是薄殼，對稱旋轉(zhuǎn)的薄殼，所謂失穩(wěn)，事實(shí)上往往因制造缺陷等各因素，是從局部地區(qū)先失穩(wěn)。對于這種薄殼，失穩(wěn)后就失去實(shí)際承載的能力，也因此稱為整體失穩(wěn)。對于對稱性薄殼，又在對稱邊界條件，往往以整體失穩(wěn)的臨界載荷作為設(shè)計(jì)指標(biāo)[4]。夾層結(jié)構(gòu)板或殼的失穩(wěn)又有一些新的內(nèi)容：①即使對于夾層結(jié)構(gòu)壓桿，除必須計(jì)及芯子剪切變形影響的修正歐拉壓桿臨界載荷外，還有剪切失穩(wěn)，面板局部失穩(wěn)，；②對于夾層結(jié)構(gòu)板，除計(jì)及剪切變形的臨界載荷外，其中特別重要的有面板象支持彈性基礎(chǔ)上的局部皺曲失穩(wěn)，對于蜂窩芯子這類孔狀芯子，又有孔內(nèi)面板局部失穩(wěn)[7,8]；③對于夾層結(jié)構(gòu)殼，在對稱載荷及旋轉(zhuǎn)殼的情況下，與夾層結(jié)構(gòu)板差不多，有面板局部失穩(wěn)臨界載荷。對于a、非對稱載荷旋轉(zhuǎn)殼，b、對稱載荷非旋轉(zhuǎn)殼，c、非對稱載荷非旋轉(zhuǎn)殼的這類殼體，還應(yīng)有一個它們特有的局部失穩(wěn)，在此方面極少見到成熟的理論和計(jì)算公式?？蓱?yīng)用微分幾何和差方原理進(jìn)行分析計(jì)算。由于復(fù)雜性，還沒有像上述那些板殼有計(jì)算公式。目前只能用特殊處理過的有限元數(shù)值計(jì)算。
3破壞現(xiàn)象
從幾只雷達(dá)罩破壞現(xiàn)象可以看出：面板、芯子發(fā)白，有分層；接頭螺孔變形很大，孔邊發(fā)自、分層等：螺栓彎曲；單元件凹陷、折斷等。這有一個原材料質(zhì)量欠佳或不均勻-工藝缺陷及不均勻-接頭安裝不到位及不均勻-老化-疲勞-蠕變-局部損傷-接頭松動損傷-局部失穩(wěn)-整體破壞的過程。對有關(guān)問題在有關(guān)“工藝”“接頭”兩文敘述。
從破壞現(xiàn)象可知，對于上述的幾種失穩(wěn)，還要增加：①缺陷、分層對失穩(wěn)臨界載荷的影響：②接頭松動或局部損傷，即邊界缺陷對失穩(wěn)臨界載荷的影響；③當(dāng)①、②共同存在時，對失穩(wěn)臨界載荷的影響。
4球殼穩(wěn)定性
均勻球殼在均勻外壓下的穩(wěn)定性早在1915年已得出[4]。對金屬材料，泊松比為0.25，穩(wěn)定k系數(shù)為1.193，是很大的，不少研究者對其進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究，k逐步從0.5～0.6直到0.25～0.3。對于各向異性的玻璃鋼／復(fù)合材料,k取0.18～0.25，一般取0.2,這是從鋼結(jié)構(gòu)球殼的經(jīng)驗(yàn)k系數(shù)推導(dǎo)出來的。對于夾層結(jié)構(gòu)球殼．其厚度和彈性模量是從夾層結(jié)構(gòu)球殼與單層均質(zhì)球殼的等拉伸剛度和等彎曲剛度的條件推導(dǎo)的折算厚度和彈性模量。
當(dāng)單層球殼k系數(shù)取0.2時，肯定是偏于安全的。球殼經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)，當(dāng)k取0.3時，球殼還未破壞，況且風(fēng)洞的風(fēng)速是向一個方向吹來，要比均勻外壓嚴(yán)重。但是對于夾層球殼，穩(wěn)定計(jì)算必須計(jì)及芯子剪切變形的影響。在中也足以說明芯子剪切變形對曲板臨界載荷的影響。
對復(fù)合材料，特別是夾層結(jié)構(gòu)的殼體，復(fù)合材料分層、面板與芯子脫膠均對失穩(wěn)、臨界載荷有影響。
5雷達(dá)天線罩穩(wěn)定性
玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線罩的穩(wěn)定性，除具有球殼穩(wěn)定性的共性外，還有其特性。這當(dāng)中，有二個特性必須強(qiáng)調(diào)：①由于罩子是許多分塊構(gòu)成，同時強(qiáng)臺風(fēng)本身強(qiáng)度很不均勻，同時又是從一個方向或幾個方向吹向罩子．一定存在一個以單元體為中心的局部穩(wěn)定性問題。根據(jù)罩子半徑和厚度，以及接頭的布置及質(zhì)量，以及風(fēng)力強(qiáng)度和分布，有一個以一塊單元局部失穩(wěn)和一個以幾塊單元體的局部失穩(wěn)；②面板本身的局部失穩(wěn)。
5．1罩子局部失穩(wěn)
理論上精確計(jì)算罩子的局部穩(wěn)定性，是極其困難和復(fù)雜的。目前還沒有可供應(yīng)用的計(jì)算公式。我們可以根據(jù)罩子的實(shí)際受力情況，中的根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析的指導(dǎo)思想，該文獻(xiàn)是針對變曲率殼體在均勻外壓下的穩(wěn)定性提出的，采用一個加權(quán)曲率半徑的方法。
對于均勻的球殼，既有分塊，又外載荷極不均勻的情況，我們可以采用如下的方法：先用通常載荷計(jì)算出罩子的無矩理論的面內(nèi)應(yīng)力，這應(yīng)力是不均勻的，然后取一塊面應(yīng)力最大的單元件，用加權(quán)的方法計(jì)算出這塊單元件當(dāng)作承受均勻面應(yīng)力的應(yīng)力值。這塊單元件是通過接頭彈性支撐在罩子的其它單元件上。為了說明此塊單元件的局部穩(wěn)定性問題，可以暫時假設(shè)單元件邊界是簡支。這塊單元件是在最強(qiáng)的臺風(fēng)速的壓力作用下，因此這塊單元件則成為壓彎受力的單元體。
如按無矩理論計(jì)算出單元體面內(nèi)正應(yīng)力σx 、σyτxy(對于矩形單元體，可以以球體的經(jīng)緯線方向定為x，y方向)。然后用計(jì)算出臨界應(yīng)力σxcr 、σycr、τcr，σxcr 、σycr用文獻(xiàn)[6]中的式(2.5)及表6.1～6.10，k用表6.11～6.21，再計(jì)算出單元體單承受橫向分布載荷下的破壞載荷qB。
則可以按下式核算罩子單元件的強(qiáng)度：
5．2面板局部皺曲失穩(wěn)
對于夾層結(jié)構(gòu)，具有特有面板類似于支持在芯子彈性基礎(chǔ)上的局部皺曲失穩(wěn)，其計(jì)算公式為[7]：
式中k是穩(wěn)定系數(shù)，是與成型工藝、面板初曲率、面板與芯子膠接強(qiáng)度及幾何尺寸等有關(guān)的常數(shù)，k，的范圍為0.05～O.32。
另外，還有芯子剪切失穩(wěn)，計(jì)算公式為：
除非面板較薄，并且蜂格較大，才會出現(xiàn)蜂格由酒窩型(凹陷)局部失穩(wěn)，中的式(3 2)。
6實(shí)際使用中的穩(wěn)定性
雷達(dá)天線罩經(jīng)幾年使用后，要經(jīng)過大氣自然老化，反復(fù)受強(qiáng)風(fēng)的疲勞．及長期自重及風(fēng)載作用的蠕變．使夾層結(jié)構(gòu)材料在剛度和強(qiáng)度方面均要退化。具體來講，面板拉壓、剪切強(qiáng)度下降，面板Ef及芯子的Gc、Ec下降，使式(1)中的qB、σxcr 、σycrτcr減小,這樣就容易在特別大的臺風(fēng)作用下，在受力最大的單元體首先局部失穩(wěn)破壞。
另外，Ef、 Eg、Gc下降，特別式(2)中k’系數(shù)也下降，這樣也會使本來不發(fā)生面板局部皺曲失穩(wěn)，經(jīng)過長期使用后，會出現(xiàn)面板局部皺曲或剪切失穩(wěn)。面板局部失穩(wěn)又會影響單元件的受力狀態(tài)，使單元件的受力更嚴(yán)重，促使單元件失穩(wěn)。
另外，接頭經(jīng)過長期使用后，會松動。甚至于出現(xiàn)局部損傷，這樣也可使式(1)的qB、σxcr 、σycrτcr，從而加劇單元體失穩(wěn)。
7結(jié)束語
雷達(dá)天線罩是一個完整的產(chǎn)品，目前設(shè)計(jì)水平還未達(dá)到安全系數(shù)一致的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中必須有存在安全系數(shù)較小的部位。一個產(chǎn)品正像一只木桶，木桶的各塊本條是一樣的長短，當(dāng)某木條短后，這木桶的水就要流出，只能達(dá)到短術(shù)條的水平，因此必須對產(chǎn)品的各個部件、部位，各種應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行精細(xì)的準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，使各部位、各種受力狀態(tài)達(dá)到同樣安全可靠程度。
另外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須計(jì)及老化、疲勞、蠕變等因素，不能只靠提高安全系數(shù)來解決，應(yīng)從實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)。目前還沒有數(shù)據(jù)，可以參考國內(nèi)外有關(guān)資料，更是研究所及設(shè)計(jì)部門要加強(qiáng)這方面的基礎(chǔ)研究工作，以便提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，確保產(chǎn)品長期使用質(zhì)量。
對上述提出一些罩子特有的局部穩(wěn)定性，要深入研究。
對于材料缺陷及接頭松動、退化等對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響，也要加強(qiáng)研究。
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