相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邵奎武，王長瑞，肖竑

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

Structure Design of a Array Power Supply for Phased-array Radar

SHAO Kuiwu，WANG Changrui，XIAO Hong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China)

摘要：針對某相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源，提出了全新設(shè)計(jì)思路，先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，再利用ANSYS、FloEFD有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)和熱仿真驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對陣面電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，陣面電源結(jié)構(gòu)減重28%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)滿足要求。采用此方法可有效降低設(shè)計(jì)時(shí)間及差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)電源的快速化、輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：陣面電源；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱仿真；功率密度

中圖分類號：TN83

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0018-05

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：邵奎武 (1974-)，男，黑龍江依蘭人，高級工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射和電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；王長瑞 (1983-)，男，山東菏澤人，工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射和電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；肖竑 (1963-)，女，陜西西安人，研究員級高級工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)、雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。

Abstract：In this paper，the new design idea for array power supply of phased-array radar was proposed.Firstly，conceptual structure was designed. Secondly，dynamic simulation and thermal simulation were used to verify the conceptual design results by ANSYS and FloEFD finite elements analysis software，and on this basis，optimization design of array power supply was made. The result indicates that 28% weight loss of structure for array power supply is achieved. The structure and thermal design of array power supply meet the demands. The design time and error are reduced by this method. The rapid product design and light weight design of array power supply are realized.

Key words：array power supply；structure design；thermal simulation；power density

0引言

相控陣?yán)走_(dá)由于具有波束指向靈活，掃描速度快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，可采用多種工作方式進(jìn)行多功能、多目標(biāo)跟蹤等機(jī)械掃描雷達(dá)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得相控陣技術(shù)得到普遍重視和飛速發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)也成為未來雷達(dá)的重要發(fā)展方向。相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源與傳統(tǒng)的集中式大功率、高電壓形式不同，一般采用低電壓、大電流的高功率密度形式，因此，主要選用重量輕、體積小、整機(jī)效率高、穩(wěn)定度高的開關(guān)電源。

陣面電源需要在有限的空間內(nèi)進(jìn)行合理布局，并需要在惡劣的工作環(huán)境下保持工作穩(wěn)定性，使得合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。針對某相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源，結(jié)合其電性能特點(diǎn)，進(jìn)行電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元分析方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性和可行性。

1陣面電源的工作原理

此陣面電源主要由EMI濾波器、整流濾波及防沖擊電路 、ZVS全橋變換器、高頻變壓器、輸出全波整流及LC濾波、驅(qū)動電路、控制保護(hù)及軟件監(jiān)控幾個(gè)部分組成。其原理如圖1所示。先將交流電壓經(jīng)整流濾波，全橋DC-AC變換，開關(guān)變壓器降壓、高頻整流濾波后，輸出直流電壓，通過匯流排并聯(lián)，供給陣面功放組件，同時(shí)將電壓、電流信號送給電源內(nèi)部的監(jiān)控軟件，再通過CAN總線傳送給上位機(jī)。

電源結(jié)構(gòu)作為電源的重要組成部分，不僅可以對電源內(nèi)部器件起到固定、支撐和保護(hù)作用，更是電源高熱耗器件有效散熱和正常工作的保證。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)電源控制、檢測、維修和更換靈活性，提高電源可靠性，為電源的低成本、輕量化奠定基礎(chǔ)。

圖1　陣面電源原理

2概念設(shè)計(jì)

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，陣面電源尺寸越來越小，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，熱流密度不斷提高，而且要求設(shè)計(jì)周期短。因此，在進(jìn)行此陣面電源設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)和優(yōu)化，可有效降低設(shè)計(jì)時(shí)間和因設(shè)計(jì)造成的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，主要關(guān)注電源的外形尺寸、內(nèi)部器件布局及高熱耗器件的散熱等關(guān)鍵問題?？傮w設(shè)計(jì)要求電源外形尺寸為352 mm×230 mm×87 mm，元器件安裝尺寸緊張，而采用風(fēng)冷形式會增加電源尺寸，并且由于該電源的熱耗大(約320 W)，因此陣面電源采用散熱效果更好的液冷冷卻。

電源機(jī)殼主要由冷板、面板、背板和上下蓋板組成。冷板是電源采用液冷冷卻形式最關(guān)鍵部件，按照結(jié)構(gòu)散熱一體化設(shè)計(jì)理念，其不僅是元器件的固定和支撐端，也是元器件的散熱器。將高發(fā)熱器件分布在冷板兩側(cè)安裝，其他小熱耗功能部分采用模塊化處理并利用三維布局形式排布，利用安裝架或者凸臺進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，有效利用有限的空間以滿足小型化和輕量化要求。由于高散熱器件多，布局分散，為便于加工和合理散熱，采用常規(guī)矩形流道形式。流道尺寸對散熱效果影響大(如表1所示)，尺寸過小會使得流阻增加，流速增加，流量降低，散熱能力降低；尺寸過大，流阻降低，流量增加，但流速降低，進(jìn)而影響換熱效率，同樣會使散熱能力降低。因此，綜合各因素，此陣面電源采用截面尺寸為3 mm×7 mm的矩形流道形式。冷板與發(fā)熱器件結(jié)合面要保證較高的表面光潔度，從而減小接觸熱阻，提高傳熱效果。

表1陣面電源流道相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

流量/(L·h-1)流道尺寸(高×寬)/mm溫度/℃流速/(m·s-1)流阻/Bar803×4201.760.49803×5201.200.31803×7200.910.23803×9200.740.20

目前，對于矩形流道的焊接方式主要有釬焊、激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊等。由于釬焊成本低、效率高、易于實(shí)現(xiàn)、變形小，故蛇形板與冷板采用氮?dú)獗Ｗo(hù)鋁釬焊形式焊接。陣面電源工作環(huán)境惡劣，其結(jié)構(gòu)材料最好選擇熱導(dǎo)率高、三防性能(防潮、防霉、防鹽霧)好的防銹鋁，因此冷板和蛇形板分別采用釬焊性能好的6063鋁合金和3A21鋁合金。其他結(jié)構(gòu)件為5A05鋁合金。面板、背板和蓋板等采用螺紋連接形式與冷板連接，便于拆卸和安裝。在滿足陣面電源整體布局和電性能要求的情況下，對電源結(jié)構(gòu)件進(jìn)行初步減重處理，設(shè)計(jì)的電源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　陣面電源概念設(shè)計(jì)(去掉上蓋板)

3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和正確性，采用有限元軟件對前述設(shè)計(jì)電源進(jìn)行力學(xué)分析。為簡化計(jì)算，對于電源冷板上通過螺釘固定安裝的電子元器件等效為集中質(zhì)量，在ANSYS模塊中作為質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行處理。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格越多計(jì)算會越精確，但是計(jì)算時(shí)間也會越長。為兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率，采用ANSYS Workbench模塊的網(wǎng)格自動劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型由153 695個(gè)節(jié)點(diǎn)和56 004個(gè)單元組成。此陣面電源主要應(yīng)用于地面相控陣?yán)走_(dá)，但需要車輛的運(yùn)輸，因此，需要考慮車載環(huán)境下的力學(xué)行為。

模態(tài)分析用于確定電源的固有頻率和振型，為防止設(shè)計(jì)電源與安裝載體工作頻率接近而產(chǎn)生共振和噪聲提供參考，同時(shí)為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)和后續(xù)動力學(xué)仿真提供所需頻響特性。根據(jù)振動理論，對振動響應(yīng)影響比較大的主要是低階模態(tài)。因此，對電源進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階頻率如表2所示，可以看出陣面電源的固有頻率在195 Hz以上。據(jù)參考文獻(xiàn)指出一般車載激勵(lì)振動頻率范圍在0～125 Hz，可知電源的固有頻率遠(yuǎn)大于使用和運(yùn)輸時(shí)受到的激勵(lì)頻率，因此，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2陣面電源前6階固有頻率

模態(tài)固有頻率/Hz1197.622204.83312.414319.485474.56494.38

隨機(jī)振動也是力學(xué)仿真的主要組成，同時(shí)也是產(chǎn)品在使用和運(yùn)輸過程常面臨的動力學(xué)問題。發(fā)生隨機(jī)振動時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會造成電子設(shè)備中結(jié)構(gòu)件的疲勞和損壞、運(yùn)動部件的接觸不良、緊固件的松動等。設(shè)計(jì)的陣面電源隨機(jī)振動數(shù)值模擬分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，最大變形位于電源上蓋板中心，為0.23 mm，如圖3所示；應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在上下蓋板與其他結(jié)構(gòu)件的配合部位附近及背板固定導(dǎo)向銷的位置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在背板固定導(dǎo)向銷的開孔附近，為8.2 MPa，如圖4所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限(相應(yīng)結(jié)構(gòu)件材料為5A05鋁合金，MPa)。根據(jù)式(1)可計(jì)算其安全裕度遠(yuǎn)大于0，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

Ms=max-1

(1)

Ms為安全裕度；為材料屈服強(qiáng)度；σmax為結(jié)構(gòu)件受外界載荷作用時(shí)最大應(yīng)力；f為安全系數(shù)，一般取為f=1.5。

表3陣面電源力學(xué)分析結(jié)果

隨機(jī)振動沖擊最大最大安全應(yīng)力變形裕度8.2MPa0.23mm8.3最大最大安全應(yīng)力變形裕度7.4MPa0.21mm9.4

沖擊一般是指設(shè)備在非常短暫的時(shí)間內(nèi)受到瞬態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生的加速度、速度和位移的瞬間變化。軍用電子設(shè)備常有防沖擊設(shè)計(jì)要求，多采用半正弦沖擊形式進(jìn)行仿真驗(yàn)證，此電源沖擊響應(yīng)分析結(jié)果如表3和圖3~圖6所示。結(jié)果表明，沖擊響應(yīng)最大時(shí)域變形出現(xiàn)在Y方向，為0.21mm，同樣位于電源上蓋板；最大應(yīng)力出現(xiàn)在Y方向，為7.4MPa，位于上蓋板與面板配合處，沖擊響應(yīng)下的安全裕度也遠(yuǎn)大于0，滿足強(qiáng)度要求。

圖3　隨機(jī)振動下Y向3-σ應(yīng)變云圖

圖4　隨機(jī)振動下3-σ應(yīng)力云圖

圖5　Y向沖擊下變形云圖

電源工作時(shí)溫度過高會對電子元器件的可靠性與使用壽命造成嚴(yán)重影響，會導(dǎo)致電子元器件的過早失效，從而造成電源的失效。因此合理有效的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了驗(yàn)證前述設(shè)計(jì)，選擇最為惡劣的工作環(huán)境參數(shù)對電源進(jìn)行了溫度場仿真，即供液溫度為45 ℃，供液流量為80L/h。使用FloEFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。 由仿真結(jié)果可知，電源表面最高溫度為61.7 ℃，殼體冷板表面溫度為55 ℃，所有器件都能夠滿足熱設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了前述冷板設(shè)計(jì)的合理性。

圖6　Y向沖擊下應(yīng)力云圖

圖7　陣面電壓熱仿真

4優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1重量優(yōu)化

相控陣?yán)走_(dá)向著高機(jī)動、輕量化和便于運(yùn)輸方向發(fā)展，對陣面電源的重量提出嚴(yán)格要求。從前面對概念設(shè)計(jì)模型的有限元分析結(jié)果可以看出，安全裕度都在8以上，可在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步減重處理。對不受力和遠(yuǎn)離流道的部位采用銑削凹槽處理，對于有限元分析時(shí)應(yīng)力大的部位進(jìn)行加厚、加筋處理。相對于概念設(shè)計(jì)的電源結(jié)構(gòu)件，優(yōu)化減重后效果如表4所示，整體減重達(dá)28%。對減重后電源進(jìn)行力學(xué)分析(表5)發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力不大于152MPa，安全裕度仍大于5，仍滿足強(qiáng)度要求。

表4優(yōu)化前后重量對比結(jié)果

kg

表5優(yōu)化后陣面電源力學(xué)分析結(jié)果

隨機(jī)振動沖擊最大最大安全應(yīng)力變形裕度9.7MPa0.28mm6.9最大最大安全應(yīng)力變形裕度11.2MPa0.31mm5.8

4.2水接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

之前類似電源水接頭均采用管螺紋形式與冷板連接，由于水接頭(不銹鋼)與冷板(鋁合金)所采用材料的強(qiáng)度不同，會造成裝配時(shí)冷板的變形，使得一些冷板材料變形后在配合處產(chǎn)生縫隙造成漏液現(xiàn)象發(fā)生；還有一部分冷板材料變形后填充到水接頭螺紋處，而造成水接頭和冷板的咬合和卡死，使得水接頭無法更換和再次使用，造成電源冷板報(bào)廢。新電源水接頭采用法蘭式設(shè)計(jì)，避免了之前漏液問題和變形咬合問題，非常便于拆卸和更換，密封性好，而且實(shí)驗(yàn)階段用到接頭在后續(xù)裝機(jī)時(shí)可繼續(xù)使用，有效避免了浪費(fèi)，降低了成本。水接頭優(yōu)化前后裝配對比如圖8所示。

圖8　陣面電源用水接頭安裝示意

4.3密封

GJB150A中指出，軍工產(chǎn)品在批量生產(chǎn)之前都要進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)收，而交變濕熱試驗(yàn)作為其中重要的一項(xiàng)，主要是模擬自然界氣候(溫度、濕度)變化對電子設(shè)備的影響，用以確定武器裝備在此惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性。傳統(tǒng)電源機(jī)殼設(shè)計(jì)時(shí)，配合面基本都是硬配合，縫隙較多，在交變濕熱試驗(yàn)時(shí)電源內(nèi)部會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，從而造成試驗(yàn)難以通過。針對此問題，新設(shè)計(jì)時(shí)首先將結(jié)構(gòu)件配合的縫隙進(jìn)行涂導(dǎo)電膠密封處理，然后在配合面粘貼導(dǎo)電橡膠條，并在最后進(jìn)行元器件安裝時(shí)，要求將元器件與安裝面的配合縫隙也進(jìn)行涂膠處理。此方法可有效消除縫隙，為后續(xù)交變濕熱試驗(yàn)提供了有利條件，縫隙的消除也有利于電磁屏蔽性能的提高。

5結(jié)束語

采用概念設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路,進(jìn)行陣面電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和散熱形式，降低電源結(jié)構(gòu)重量達(dá)28%，成功設(shè)計(jì)了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱要求的相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源。該方法可有效縮短研制周期，降低設(shè)計(jì)差錯(cuò)和研發(fā)成本，取得良好效果。

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