CN106250610B - 一种电磁波结构隐形的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁波结构隐形的制造方法，先根据隐身目标的形状，完成单元层网格划分和单元结构网格划分，得到由若干正方体单元网格构成的三维空间网格，然后在三维空间网格内规划电磁波传播路径，计算各单元层的电磁波入射角，再计算各单元层的折射率，然后计算各单元层内单元结构的等效介电常数，再计算单元结构的几何尺寸，采用木堆结构作为每层单元层的的单元结构，然后根据每层单元层内木堆结构的柱宽，建立单元结构的三维模型，最后进行3D打印制造及结构组装，本发明提高了隐形效果，实现结构的一体化制造，能用于高气动性隐身结构的制造。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波结构隐形技术领域，具体涉及一种电磁波结构隐形的制造方法。
背景技术
结构隐形成为近年来隐身技术领域的研究热点，结构隐形指的是根据隐形功能需求，将材料进行特定排列，形成具有电磁波隐形功能的结构，从而达到隐形目的，隐身效果重点取决于结构而不是材料本身，因此称为结构隐形。现有结构隐形主要是层合板类结构隐形和蜂窝夹芯类结构隐形。
层合板类结构隐形的制造方法：根据给定的工作带宽、电磁波吸收率计算各层材料的电磁参数、厚度，设计出隐身结构，选取满足电磁参数的吸波层、透波层和反射层层状板材，将板材通过模压或纤维铺放等工艺制造出所需的形态，用胶粘剂将其逐层粘接，制造层合板板材或预制件；然后采用胶接、焊接或铆接等方式将板材或预制件组装成所需的形态，制造出隐形结构。
蜂窝夹芯类结构隐形的制造方法：根据给定的工作带宽、电磁波吸收率计算蜂窝高度、孔宽、吸波剂种类和浸渍厚度、透波材料电磁参数等，设计出隐身结构，以蜂窝芯为基体材料，在蜂窝壁上浸渍吸收剂，将包覆着吸收剂的蜂窝结构折弯或拼接成所需形态，在蜂窝芯上下表面覆盖层状蒙皮板材制成蜂窝夹芯板材或预制件，然后采用胶接、焊接或铆接等方式组装，制造出隐形结构。
以上两种方法能够制造出具备一定的力学性能的宽频隐身结构，但是仍存在一些共性的不足。1.以上方法在隐身性能方面有两个问题没有解决：最外层透波材料与外环境之间存在一定程度的表面阻抗不匹配，二者在交界面处出现较多反射波，影响隐形效果；当电磁波以较大角度入射时，电磁波吸波率较低，反射率较高，隐身效果不佳。2.以上方法难以实现隐形结构的一体化制造。模压层合板制造的隐形结构形态简单，折弯蜂窝板制造隐形结构其电磁参数会更改，隐形功能会被破坏，因此两种方法都难以实现复杂隐形结构的制造。两种方法需要先采用浸渍、模压、交联固化、胶接、焊接等一系列工艺制造预制件或预制板，然后将预制板组装。其工艺繁琐、加工周期长，累计误差大，不能实现结构的一体化制造。3.以上方法可实现的结构复杂度较低，难以实现表面微结构、复杂进气道等兼具气动性功能的复杂隐身结构，不能用于高气动性隐身结构的制造。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电磁波结构隐形的制造方法，提高了隐形效果，实现结构的一体化制造，能用于高气动性隐身结构的制造。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电磁波结构隐形的制造方法，包括下列步骤：
1)根据隐身目标的形状，完成单元层网格划分和单元结构网格划分，得到由若干正方体单元网格构成的三维空间网格；选取一个或几个隐身波段，该波段内最小波长为λ，a为正方体单元网格的边长，a满足a≤1/4λ；m为单元层的层数，m≥12；在计算机三维建模软件xyz坐标系内，建立隐身目标物体的模型，若隐身目标物体是二维平面内一定面积的区域则建立二维平面模型，若目标物体是三维曲面或实体，则建立三维曲面或实体模型；将二维平面或三维曲面或实体模型的外表面向外法线方向偏置距离d，获得厚度为d的与隐身目标物体共形的实体或壳体，d满足d＝ma；在xyz坐标系内，分别建立垂直于x轴、y轴、z轴的间距为a的3组平行面，且三组平行面相交，得到若干正方体，删除若干正方体中与实体或壳体不相交的正方体，保留有交集的正方体，完成单元结构网格划分；用隐身目标物体外表面的一组偏置曲面将保留的正方体切割为m层，该组偏置曲面之间间距为a，完成单元层网格划分，至此得到三维空间网格；
2)在三维空间网格内规划电磁波传播路径，计算各单元层的电磁波入射角θn，令一束电磁波在三维空间网格中传播，传播方向上依次经过第1、第2.....第n层单元结构，θn-1为第n-1层单元层的入射角，θn为第n层单元层的入射角，选取任意一个角度为初始入射角θ1，且θ1满足0°<θ1<85°，经过第n层单元层，入射角减小Δθn，对于不同的单元层Δθn不同，但应满足0<Δθn<5°，将θ1与Δθn代入公式θn＝θn-1-Δθn，得到沿电磁波传播方向上各单元层的入射角依次为θ1,θ2....θm；
3)根据电磁波入射角计算各单元层的折射率，电磁波从第n-1层介质入射到第n层介质时，入射角θn-1、折射角βn-1、第n-1层单元层的折射率为nn-1、第n层单元层的折射率为nn满足折射率公式由于第n层单元层的入射角θn等于第n-1层单元层的折射角βn-1，所以折射率公式写成隐形结构透波层的最外层即第一层单元层的折射率n1与空气折射率相等，即n1＝1，将n1与步骤2)所得的θ1,θ2......θm代入公式计算得到沿电磁波传播方向上各层单元层的折射率n1,n2,n3.....nm；
4)根据各单元层的折射率计算各单元层内单元结构的等效介电常数，在低介电损耗材料中选取一款材料用于制造隐身结构透波层，此材料的介电常数为εr，磁导率为μ，外环境的介电常数为εe，磁导率为μe，透波层外表面单元结构的等效介电常数为εeff1，且满足公式εeff1/μ＝εe/μe，其余单元结构的等效介电常数εeff通过将步骤3)中所得的折射率n2,n3.....nm代入公式计算获得，计算得到沿电磁波传播方向上各层单元层内单元结构的等效介电常数
5)根据各单元层内单元结构的等效介电常数计算单元结构的几何尺寸，采用木堆结构作为每层单元层的的单元结构，单元结构的几何特征尺寸为木堆柱宽w，将εr、εe及步骤4)中所得各层单元层内单元结构的等效介电常数代入公式εeff＝fεr+(1-f)εe，计算得到每个单元层内单元结构的材料占空比f1、f2.......fm，然后将材料占空比f1、f2.......fm，代入公式f＝w/a，计算得到各层单元层内单元结构的几何尺寸w1、w2.......wm；
6)根据每层单元层内木堆结构的柱宽w1、w2.......wm，建立单元结构的三维模型，在步骤1)中所得的三维空间网格内，在每层单元层的每个单元结构的网格内建立相应尺寸的单元结构计算机模型，单元结构采用木堆结构，每个单元结构由4个木堆柱十字交叉叠放组成，同一单元层内的木堆单元结构相同，且每个木堆单元结构的柱厚度为4/a，柱宽为w；对所有单元结构进行拓扑设计，得到整体结构的计算机模型；位于偏移轮廓线位置上的单元网格在步骤1)单元层网格划分时被切割，因此这些单元网格端面形态不规则，导致出现相邻单元结构的木堆柱搭接量小于可达到的加工精度，加工时容易失败，所以将该单元结构内的木堆柱移动，使其与相邻单元结构内的木堆柱搭接量大于加工精度，得到整体结构的计算机三维模型；
7)3D打印制造及结构组装，将隐形结构的计算机三维模型保存成STL格式，采用光固化成型3D打印工艺制造透波层，裁剪铁磁性吸波橡胶薄层，用强力胶将其粘贴到透波层内表面，裁剪铝合金薄层材料，用强力胶将其粘贴到吸波材料内表面，完成隐形结构的制造和组装。
本发明的有益效果为：1.制备的隐形结构与所处外环境之间良好的表面阻抗匹配，反射波减少，隐身效果提高。2.制备的隐形结构的单元结构可控制电磁波偏转特定角度，从而实现人工控制电磁波在隐形结构中的传播方向。在电磁波传播方向上，使电磁波入射角逐步减小，吸波效率得到了提高。3.制备的隐身结构具有隐身功能和力学承载双功能。4采用3D打印工艺制造透波层单元结构，然后采用胶粘的方式将吸波薄层和反射薄层粘接在透波层内表面。无需制备预制件，可以实现复杂结构的一体化快速制造，尤其是表面微结构、复杂进气道等兼具气动性功能的复杂隐身结构，本方法的优异性显著。本发明可用于设计制造隐身飞行器、雷达、导弹等高性能隐身结构，提高武器装备的战斗突防能力与生存能力。在航空、航海、陆地武器装备制造领域都有一定的应用价值。同时，在与隐身技术密切相关的通信技术、医疗技术等民用领域，此发明也有一定的应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是实施例要隐身的正方形平面p。
图3是实施例隐身结构的12层单元层。
图4是实施例隐身结构的三维空间网格。
图5是实施例的木堆结构。
图6是实施例电磁波经过隐形结构各个单元层时的入射角θn。
图7是本发明的隐身结构单元层的入射角θn和折射角βn。
图8是实施例隐身结构的三维模型的透视图。
图9是实施例隐身结构的三维模型的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，以X波段水平翼部分平面的隐身结构制造为实施例。
参照图1，一种电磁波结构隐形的制造方法，包括下列步骤：
1)参照图2、图3、图4和图5，根据隐身目标的形状，完成单元层网格划分和单元结构网格划分，得到由若干正方体单元网格构成的三维空间网格；选取x波段为隐身波段，此波段内最小波长λ为25mm，a为正方体单元网格的边长，a满足a≤1/4λ，取a＝5mm；m为单元层的层数，m≥12，取m＝12；选取飞行器水平翼面上300mm×300mm的正方形平面区域为要隐身的目标物体，在计算机三维建模软件xyz坐标系内，xy平面内建立300mm×300mm的正方形平面模型，将正方形平面p向z方向偏置d＝ma＝12×5mm＝60mm，获得厚度为60mm，面积为300mm×300mm的长方体；在xyz坐标系内分别建立垂直于x轴、y轴、z轴的间距为a的3组平行面，且三组平行面相交，得到若干正方体，删除若干正方体中与实体或壳体不相交的正方体，保留有交集的正方体，完成单元结构网格划分；用隐身目标物体外表面的一组偏置曲面将保留的正方体切割为12层，该组偏置曲面之间间距为5mm，在z方向上得到12层单元层，至此得到三维空间网格；
2)参照图6，在三维空间网格内规划电磁波传播路径，计算各单元层的电磁波入射角，令一束电磁波在三维空间网格中传播，传播方向上依次经过第1、第2.....第12层单元结构，第n-1层单元层的入射角为θn-1，第n层单元层的入射角为θn，选取任意一个角度为初始入射角θ1，且θ1满足0°<θ1<85°，选取初始入射角θ1＝70°，经过第n层单元层，入射角减小Δθn，对于不同的单元层Δθn不同，但应满足0<Δθn<5°，从第二层起由外到内每经过一层单元层时，入射角减小量Δθ2....Δθ11依次为5°、3°、4°、3°、3°、3°、2°、3°、2°、2°、2°，将θ1与θ代入公式θn＝θn-1-Δθn，得到沿电磁波传播方向上各单元层的入射角依次为θ1,θ2....θ12依次为70°、65°、62°、58°、55°、52°、49°、47°、44°、42°、40°、38°；
3)参照图7，根据电磁波入射角计算各单元层的折射率，电磁波从第n-1层介质入射到第n层介质时，入射角θn-1、折射角βn-1、第n-1层单元层的折射率为nn-1、第n层单元层的折射率为nn满足折射率公式由于第n层单元层的入射角θn等于第n-1层单元层的折射角βn-1，所以折射率公式可以写成隐形结构透波层的最外层即第一层单元层的折射率n1与空气折射率相等，即n1＝1，将n1与步骤2)所得的θ1,θ2......θ12代入公式计算得到电磁波由外向内传播时，经过的各层单元层的折射率n1,n2,n3.....n12为1.00、1.03、1.06、1.11、1.14、1.19、1.25、1.29、1.35、1.41、1.48、1.55；
4)根据各单元层的折射率计算各单元层内单元结构的等效介电常数，在低介电损耗材料中选取介电树脂材料cuv8981，用于制造隐身结构透波层，其介电常数εm＝2.4，磁导率μ＝1；外环境为空气介质，其介电常数εe＝1，磁导率为μe＝1；为实现表面阻抗匹配，透波层外表面单元结构的等效介电常数为εeff1，且满足公式εeff1/μ＝εe/μe，所以εeff1＝1，其余单元结构的等效介电常数εeff通过将步骤3)中所得的折射率n2,n3.....n12代入公式计算获得；计算得到电磁波由外向内传播时，各层单元层内单元结构的等效介电常数 依次为1.00、1.07、1.14、1.23、1.32、1.42、1.54、1.67、1.82、1.99、2.18、2.40；
5)根据各层单元层内单元结构的等效介电常数计算单元结构的几何尺寸，采用木堆结构作为每层单元层的的单元结构，单元结构的几何特征尺寸为木堆柱宽w，将εr＝2.4、εe＝1及步骤4)中所得各层单元层内单元结构的等效介电常数代入公式εeff＝fεr+(1-f)εe，计算得到每个单元层内单元结构的材料占空比f1、f2.......f12依次为0、0.05、0.1、0.16、0.23、0.3、0.39、0.48、0.59、0.71、0.84、1.00；然后将材料占空比及a＝5mm代入公式f＝w/a，计算得到各层单元层内单元结构的几何尺寸w1、w2.......w12为0、0.25、0.50、0.80、1.15、1.50、1.95、2.40、2.95、3.55、4.20、5.00，其单位为毫米；
6)参照图8和图9，根据每层单元层内木堆结构的柱宽w1、w2.......wm，建立单元结构的三维模型，在步骤1)中所得的三维空间网格内，在每层单元层的每个单元结构的网格内建立相应尺寸的单元结构计算机模型，单元结构采用木堆结构，每个单元结构由4个木堆柱十字交叉叠放组成，同一单元层内的木堆单元结构相同，且每个木堆单元结构的柱厚度为4/a＝1.25mm，柱宽为w；对所有单元结构进行拓扑设计，得到整体结构的计算机模型；位于偏移轮廓线位置上的单元网格在步骤1)单元层网格划分时被切割，因此这些单元网格端面形态不规则，导致出现相邻单元结构的木堆柱搭接量小于可达到的加工精度，如光固化成型3D打印工艺加工精度为0.1mm，加工时容易失败，所以将该单元结构内的木堆柱移动，使其与相邻单元结构内的木堆柱搭接量大于加工精度，得到整体结构的计算机三维模型；
7)3D打印制造及结构组装，将隐形结构的计算机三维模型保存成STL格式，采用光固化成型3D打印工艺制造透波层，裁剪1mm厚的铁磁性吸波橡胶薄层，用强力胶将其粘贴到透波层内表面，裁剪1mm厚的铝合金薄层材料，用强力胶将其粘贴到吸波材料内表面，完成隐形结构的制造和组装。
进行远场散射实验，将本实施例制作完成的隐形结构竖直放置于微波暗室内的测试转台上，一对x波段喇叭天线分别作为发射端和接收端与矢量网络分析仪连接，电磁波以70°入射角从透波层入射，依次经过隐形结构的透波层、吸波层和反射层后，反射到接收端喇叭天线，测量电磁波吸波率。以同样面积、相同材质的吸波材料和金属材料的复合层结构作为对照。测试结果表明，本实例的隐身结构相较于同面积同材质的吸波材料和金属材料复合层的吸波率提高121％以上，说明本隐身结构能提高大角度入射时电磁波吸波率，隐身效果更好，如表1所示。
表1电磁波吸波率增加量(远场散射实验结果)
本发明通过设计单元结构的几何尺寸控制电磁参数，设计出能调控电磁波的传播方向的隐形结构，然后采用3D打印成型工艺进行制造的方法。此方法的优势在于：1.制备的隐形结构与所处外环境之间良好的表面阻抗匹配，反射波减少，隐身效果提高。2.制备的隐形结构的单元结构可控制电磁波偏转特定角度，从而实现人工控制电磁波在隐形结构中的传播方向。在电磁波传播方向上，电磁波入射角逐步减小，吸波效率得到了提高。3.制备的隐身结构具有隐身功能和力学承载双功能。4采用3D打印工艺制造透波层单元结构，然后采用胶粘的方式将吸波薄层和反射薄层粘接在透波层内表面。无需制备预制件，可以实现复杂结构的一体化快速制造，尤其是表面微结构、复杂进气道等兼具气动性功能的复杂隐身结构，本发明可用于设计制造隐身飞行器、雷达、导弹等高性能隐身结构，提高武器装备的战斗突防能力与生存能力，在航空、航海、陆地武器装备制造领域都有一定的应用价值。同时，在与隐身技术密切相关的通信技术、医疗技术等民用领域，此发明也有一定的应用前景。
Claims (1)
1.一种电磁波结构隐形的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据隐身目标的形状，完成单元层网格划分和单元结构网格划分，得到由若干正方体单元网格构成的三维空间网格；选取一个或几个隐身波段，该波段内最小波长为λ，a为正方体单元网格的边长，a满足a≤1/4λ；m为单元层的层数，m≥12；在计算机三维建模软件xyz坐标系内，建立隐身目标物体的模型，若隐身目标物体是二维平面内一定面积的区域则建立二维平面模型，若目标物体是三维曲面或实体，则建立三维曲面或实体模型；将二维平面或三维曲面或实体模型的外表面向外法线方向偏置距离d，获得厚度为d的与隐身目标物体共形的实体或壳体，d满足d＝ma；在xyz坐标系内，分别建立垂直于x轴、y轴、z轴的间距为a的3组平行面，且三组平行面相交，得到若干正方体，删除若干正方体中与实体或壳体不相交的正方体，保留有交集的正方体，完成单元结构网格划分；用隐身目标物体外表面的一组偏置曲面将保留的正方体切割为m层，该组偏置曲面之间间距为a，完成单元层网格划分，至此得到三维空间网格；
2)在三维空间网格内规划电磁波传播路径，计算各单元层的电磁波入射角θn，令一束电磁波在三维空间网格中传播，传播方向上依次经过第1、第2.....第n层单元结构，θn-1为第n-1层单元层的入射角，θn为第n层单元层的入射角，选取任意一个角度为初始入射角θ1，且θ1满足0°<θ1<85°，经过第n层单元层，入射角减小Δθn，对于不同的单元层Δθn不同，但应满足0<Δθn<5°，将θ1与Δθn代入公式θn＝θn-1-Δθn，得到沿电磁波传播方向上各单元层的入射角依次为θ1,θ2....θm；
3)根据电磁波入射角计算各单元层的折射率，电磁波从第n-1层介质入射到第n层介质时，入射角θn-1、折射角βn-1、第n-1层单元层的折射率为nn-1、第n层单元层的折射率为nn满足折射率公式由于第n层单元层的入射角θn等于第n-1层单元层的折射角βn-1，所以折射率公式写成隐形结构透波层的最外层即第一层单元层的折射率n1与空气折射率相等，即n1＝1，将n1与步骤2)所得的θ1,θ2......θm代入公式计算得到沿电磁波传播方向上各层单元层的折射率n1,n2,n3.....nm；
4)根据各单元层的折射率计算各单元层内单元结构的等效介电常数，在低介电损耗材料中选取一款材料用于制造隐身结构透波层，此材料的介电常数为εr，磁导率为μ，外环境的介电常数为εe，磁导率为μe，透波层外表面单元结构的等效介电常数为εeff1，且满足公式εeff1/μ＝εe/μe，其余单元结构的等效介电常数εeff通过将步骤3)中所得的折射率n2,n3.....nm代入公式计算获得，计算得到沿电磁波传播方向上各层单元层内单元结构的等效介电常数
5)根据各单元层内单元结构的等效介电常数计算单元结构的几何尺寸，采用木堆结构作为每层单元层的的单元结构，单元结构的几何特征尺寸为木堆柱宽w，将εr、εe及步骤4)中所得各层单元层内单元结构的等效介电常数代入公式εeff＝fεr+(1-f)εe，计算得到每个单元层内单元结构的材料占空比f1、f2.......fm，然后将材料占空比f1、f2.......fm，代入公式f＝w/a，计算得到各层单元层内单元结构的几何尺寸w1、w2.......wm；
6)根据每层单元层内木堆结构的柱宽w1、w2.......wm，建立单元结构的三维模型，在步骤1)中所得的三维空间网格内，在每层单元层的每个单元结构的网格内建立相应尺寸的单元结构计算机模型，单元结构采用木堆结构，每个单元结构由4个木堆柱十字交叉叠放组成，同一单元层内的木堆单元结构相同，且每个木堆单元结构的柱厚度为4/a，柱宽为w；对所有单元结构进行拓扑设计，得到整体结构的计算机模型；位于偏移轮廓线位置上的单元网格在步骤1)单元层网格划分时被切割，因此这些单元网格端面形态不规则，导致出现相邻单元结构的木堆柱搭接量小于可达到的加工精度，加工时容易失败，所以将该单元结构内的木堆柱移动，使其与相邻单元结构内的木堆柱搭接量大于加工精度，得到整体结构的计算机三维模型；
7)3D打印制造及结构组装，将隐形结构的计算机三维模型保存成STL格式，采用光固化成型3D打印工艺制造透波层，裁剪铁磁性吸波橡胶薄层，用强力胶将其粘贴到透波层内表面，裁剪铝合金薄层材料，用强力胶将其粘贴到吸波材料内表面，完成隐形结构的制造和组装。
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