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舰艇复合材料结构和雷达隐身技术的发展共同催生了雷达隐身复合材料舰艇。雷达隐身复合材料舰艇目前仅为极个别国家掌握,国际上属于先进技术,国内则为空白。作为雷达隐身复合材料舰艇主要且基本的组成构件,雷达吸波结构(Radar AbsorbingStructure,RAS)板材是雷达隐身复合材料舰艇研究领域首先应被研究的对象。
在分析了RAS力学性能和电磁学性能的关联机理后,本文指出并定义了该关联性的根本因为一“双重影响变量",进而提出了“RAS力-电磁一体化分析与设计方法”(Mechanics-Electromagnetics Co-analysis and Co-design Method for Radar AbsorbingStructure,MECCMRAS),该方法的特征为深入到复合材料细观层次。然后,针对单向纤维束增强层合板型RAS,实现了基于复合材料细观力学强度理论、材料电磁参数预测理论、多层媒质电磁波响应特性计算理论及进化算法的,以拉伸应力强度为约束条件、宽带吸波为目标的“RAS力-电磁一体化分析与设计方法”。
本论文主要研究工作及成果如下:
一、在分析了RAS力学性能和电磁学性能的关联机理后,提出了“双重影响变量”的概念、进而提出了深入到细观层次的“RAS力-电磁一体化分析与设计方法”及其理论框架。
二、针对单向纤维束增强复合材料,提出并建立了双层次随机扩大临界核模型。推导了计算公式、编制了拉伸应力强度预测程序,并实验验证了预测结果的准确性。
三、运用Lichtenecker模型来预测基体(吸波添加剂/粘合剂)电磁参数；运用基于强扰度理论的模型来预测单向纤维/基体(单向纤维增强复合材料)电磁参数；运用几何射线追踪理论预测多层复合材料媒质电磁波响应特性。编制了基体电磁参数、纤维/基体电磁参数及复合材料多层媒质电磁波响应特性预测程序,通过相关文献中及本研究的实验数据验证了预测结果的准确性。
四、建立了基于Lichtenecker模型、强扰度理论、几何射线追踪技术及进化策略算法的“RAS宽带吸波性能进化策略优化算法”。编制了相应的计算程序,验证了计算结果的准确性及优秀性。研究了当增强纤维为非损耗型时单层。RAS吸波带宽最大化对纤维体积比的要求,研究了厚度上限对单层RAS最大吸波带宽的影响、层数对RAS最大吸波带宽的影响。提出了数项可用于制备宽带吸波RAS的建议。
五、建立了基于双层次随机扩大临界核模型、Lichtenecker模型、强扰度理论、几何射线追踪技术及进化策略算法的,以拉伸应力强度为约束条件、雷达波吸收带宽最大化为目标的“RAS力-电磁一体化分析与设计方法”。编制了相应的计算程序,验证了计算结果的准确性及优秀性。研究了当增强纤维为非损耗型时拉伸应力强度阈值同单层RAS最大吸波带宽的关系、RAS舰体应力强度安全系数同单及三层舰用RAS最大吸波带宽的关系。提出了数项关于未来雷达隐身复合材料舰艇设计与制造的建议。
六、针对频率选择表面(FSS)在舰艇雷达隐身工程领域的应用,分析了外力对FSS电磁性能的影响机理、外力影响和入射角影响的耦合机理。进行了基于电磁学和力学有限元方法的“力一电磁”联合分析,分析了这些影响的幅度及模式。提出了FSS力敏感性、单向拉伸敏感性因子等概念。给出了一个开孔型FSS的布置原则,并提出了数项关于受力FSS研发与应用的建议。