(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210868425.9 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 西安空间无线电技 术研究所 地址 710100 陕西省西安市长安区航天基 地东长安街504号 (72)发明人 江文剑　梁云　马小飞　刘曦　 火统龙　姜恒坤　高锋利　郭星　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 李晶尧 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型 设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种碳纤维复合材料反射器模 具型面新型设计方法， 属于卫星天线领域； 针对 反射器固化过程中的热变形、 化学收缩变形和由 模具导致的变形问题， 考虑碳纤维树脂基复合材 料从橡胶态到玻璃态全周期过程热变形影响， 并 根据热变形分析结果对模具形面进行补偿。 建立 了反射器三维分析模型； 将反射器按照固化过程 对应的橡胶态和玻璃态进行双态全固化周期热 变形分析， 并提出了三点边界约束分析方法， 与 反射器固化时工况吻合； 在反射器固化周 期内， 提取出了模 具对反射器界面应力， 并将其叠加进 反射器热变形中进行联合补偿， 通过反射器和模 具热变形联合补偿实现了用于高精度复合材料 反射器制造的模 具型面设计， 满足了高精度天线 反射器对型面精度的需要。 权利要求书4页 说明书10页 附图2页 CN 115329626 A 2022.11.11 CN 115329626 A 1.一种碳纤维复合材 料反射器模具 型面新型设计方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： 建立反射器(1)和模具(2)的实物模型； 反射器(1)的反射面为抛物面形状； 反射器(1) 的反射面竖直向下放置， 模具(2)设置在反射器(1)的底部， 且模具(2)上表面与反射器(1) 的反射面贴合； 建立反射器(1)的有限元模型， 并在反射器(1)有限元模型中建立基准坐标系O ‑XYZ； 获 得反射器(1)有限元模型全部n个节点的初始坐标矩阵δ0； 并根据反射器(1)和模具(2)的实 物模型， 确定反射器(1)有限元模型n个节点中与模具(2)上表面接触的m个节点； 提取m个节点的坐标； 建立模具(2)的有限元模型， 设定模具(2)上表面型面节点坐标值 与m个节点的坐标一致， 并将模 具(2)的m个节 点与反射器(1)的m个节 点一一对应 建立m个弹 簧单元； 设置反射器(1)有限元模型分别沿X、 Y、 Z三个方向的杨氏模量、 剪切模量、 泊松比和热 膨胀系数； 设置模 具(2)有限元模 型的杨氏模量、 剪切模量、 泊松比和热膨胀系数； 设置弹簧 单元的弹簧刚度； 在反射器(1)有限元模型中取中心节点， 定义为A点； 取反射器(1)有限元模型边缘与+X 轴交点， 定义为B点； 过中心点A与+Y平行的轴线与反射器边缘的交点定义为C点； 设置A、 B、 C 三个点的约束； 对反射器(1)有限元模型和模具(2)有限元模型进行升温处理， 升温至反射器(1)有限 元模型固化玻璃态的温度； 通过有限元解析获得反射器(1)有限元模 型n个节点在基准坐标 系下X、 Y、 Z三个方向的变形后坐标δ1、 反射器(1)有限元模型与模具(2)有限元模型接触的m 个节点在X、 Y、 Z三个方向的变形后坐标δ2、 模具(2)有限元模型m个节点在X、 Y、 Z三个方向的 变形后坐标δ3； 计算模具(2)有限元模型对反射器(1)有限元模型的界面位移Δδ、 计算升温引起的反 射器(1)有限元模型变形量δ4、 计算升温到达固化温度时， 反射器(1)有限元模型的综合变 形量 δ5； 在反射器(1)有限元模型固化温度下保温2 ‑2.5h， 通过有限元解析得到反射器(1)有限 元模型n个节点在基准坐标系下X、 Y、 Z三个方向的变形后坐标ε1、 反射器(1)有限元模型与 模具(2)有限元模型接触的m个节点在X、 Y、 Z三个方向的变形后坐标ε2、 模具(2)有限元模型 m个节点在X、 Y、 Z三个方向的变形后坐标 ε3； 计算模具(2)有限元模型的界面位移Δε、 计算保温引起反射器(1)有限元模型的变形 量 ε4； 由于在反射器(1)有限元模型固化温度下保温过程中， 温度不发生变化， 即δ3＝ε3， 计算 反射器(1)有限元模型在玻璃 态时的综合变形量 ε5； 计算反射器(1)有限元模型在玻璃 态时各节点的坐标值P0； 对反射器(1)有限元模型和模具(2)有限元模型进行降温处理， 降温至室温， 通过有限 元解析获得反射器(1)有 限元模型的n个节点在基准坐标系下XYZ三个方向的变形后坐标 反射器(1)有限元模型与模具(2)有限元模型接触的m个节点在X、 Y、 Z 三个方向的变形后 坐标 计算反射器(1)有限元模型返回室温后各节点的坐标P1；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115329626 A 2计算模具(2)有限元模型 形面补偿后节点的坐标值D ′； 从坐标值D ′提取反射器(1)有限元模型与模具(2)有限元模型形面接触的m个节点坐 标， 逆向拟合曲面， 获得模具(2)有限元模型补偿后的几何模型。 2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型设计方法， 其特征 在于： 基准 坐标系O‑XYZ的建立方法为： 原点O为反射器(1)有限元模型抛物面的顶点； X方向为反射器(1)有限元模型抛物面的 对称轴方向， Z轴为与反射器(1)有限元模 型抛物面焦轴重合并指向抛物 面焦点方向； Y轴符 合右手定则。 3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型设计方法， 其特征 在于： 对反射器(1)有限元模型采用六面体单元进行网格划分， 获得n个节点的初始坐标矩 阵δ0为： 式中， x0i为第i个节点X 方向的坐标； y0i为第i个节点Y方向的坐标； z0i为第i个节点Z方向的坐标。 4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型设计方法， 其特征 在于： 对模具(2)有限元模型采用三角形壳单 元进行网格划分。 5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型设计方法， 其特征 在于： 反射器(1)有限元模型设置为碳纤维树脂基复合材料； 将反射器(1)有限元模型分为 玻璃态和橡胶态， 并设置反射器(1)有限元模型在玻璃态下的沿X、 Y、 Z三个方向的杨氏模 量、 剪切模量、 泊松比和热膨胀系数； 设置反射器(1)有限元模型在橡胶态下的杨氏模量、 剪 切模量、 泊松比和热膨胀系数。 6.根据权利要求5所述的一种碳纤维复合材料反射器模具型面新型设计方法， 其特征 在于： 设定反射器(1)有限元模型在玻璃态下， X方向的杨氏模量为50GPa、 剪切模量为 3.4GPa、 泊松比为0.3、 热膨胀系数为2.6 ×10‑6/℃； Y方向的杨氏模量为50GPa、 剪切模量为 3.4GPa、 泊松比为0.3、 热膨胀系数为2.6 ×10‑6/℃； Z方向的杨氏模量为8.5GPa、 剪切模量为 7GPa、 泊松比为0.25、 热膨胀系数为5 ×10‑5/℃； 反射器(1)在橡胶态下， X方向的杨氏模量为50GPa、 剪切模量为3.4GPa、 泊松比为0.3、 热膨胀系数为1 ×10‑8/℃； Y方向的杨氏模量为50GPa、 剪切模量为3.4GPa、 泊松比为0.3、 热 膨胀系数为1 ×10‑8/℃； Z方向的杨氏模量为8.5GPa、 剪切模量为7GPa、 泊松比为0.25、 热膨 胀系数为1 ×10‑8/℃； 设定模具(2)有限元模型的杨氏模量为170GPa、 剪切模量为65.4GPa、 泊松比为0.3、 热 膨胀系数为1 ×10‑5/℃；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115329626 A 3