某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

何 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

隨著國(guó)防科技工業(yè)的飛速發(fā)展,機(jī)載電子設(shè)備的集成化程度不斷提高,設(shè)備功能也日趨復(fù)雜,這使得設(shè)備熱流密度急劇增加,散熱設(shè)計(jì)成為設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。此外,機(jī)載設(shè)備因其安裝平臺(tái)的特殊性,所承受的振動(dòng)環(huán)境十分嚴(yán)酷;同時(shí)為提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性,對(duì)機(jī)載設(shè)備的重量要求非?？量?小型化成為機(jī)載電子設(shè)備的發(fā)展方向。因此,機(jī)載電子設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中需綜合考慮設(shè)備散熱、振動(dòng)、減重等各方面的要求。本文針對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備適裝平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性要求,首先開展設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),然后采用仿真手段對(duì)設(shè)備的散熱性能和抗振性能進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能否滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于模塊化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想,機(jī)載電子設(shè)備通常由具有通用功能的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合而成。常見機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式有2種:一種是積木拼裝式機(jī)箱結(jié)構(gòu),以現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)為基礎(chǔ),通過(guò)多個(gè)LRU 的拼裝組合實(shí)現(xiàn)指定功能;另一種是以現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)為基礎(chǔ)單元的綜合集成式機(jī)箱結(jié)構(gòu),各LRM 模塊裝入同一機(jī)箱,通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)互聯(lián)和信息傳遞。

本文研究的機(jī)載電子設(shè)備采用前述第1種結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,充分考慮機(jī)載平臺(tái)安裝環(huán)境和空間尺寸要求,開展各功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)設(shè)備功能劃分,該機(jī)載電子設(shè)備由信息處理模塊、收發(fā)處理模塊、射頻處理模塊和安裝托架四部分組成,設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

各功能模塊之間通過(guò)螺釘拼裝而成,便于日常拆裝和維修。其中,信息處理模塊為收發(fā)處理模塊提供機(jī)械安裝接口,二者通過(guò)內(nèi)部自制線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸;信息處理模塊和射頻處理模塊通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)機(jī)械互聯(lián),由尾部混裝連接器(帶導(dǎo)向銷)對(duì)插實(shí)現(xiàn)模塊間的電氣互聯(lián)和拼裝時(shí)的導(dǎo)向定位;設(shè)備對(duì)外接口均位于模塊前側(cè)面板上,實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)平臺(tái)互聯(lián);托架是機(jī)載電子設(shè)備安裝于飛機(jī)平臺(tái)上的重要部件,設(shè)備通過(guò)自身前后緊定裝置與托架相連,進(jìn)而通過(guò)托架實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)的機(jī)械連接。

機(jī)載設(shè)備對(duì)重量有著極為嚴(yán)格的要求,各模塊殼體材料選用6061鋁合金,殼體上設(shè)計(jì)有減重槽和散熱齒,在實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)的同時(shí)增大散熱面積,以提高設(shè)備散熱性能。托架主要選用鋁合金2A12板材加工,采用鈑金折彎方式成型;托板上設(shè)計(jì)有翻邊孔,兩側(cè)設(shè)有減重孔,在提高托架剛度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重。設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,外形尺寸為:寬×高×深=105 mm×130 mm×280 mm(不含連接器等突出物及托架),具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足裝機(jī)空間要求和重量指標(biāo)。

2 熱設(shè)計(jì)與熱仿真

2.1 熱設(shè)計(jì)方案

熱設(shè)計(jì)的目的在于保證電子元器件及設(shè)備在規(guī)定的熱環(huán)境下能夠正常工作,避免設(shè)備因溫度過(guò)高而導(dǎo)致其電氣功能喪失。

設(shè)備各模塊熱耗分布如表1所示,整機(jī)熱耗為98 W,高溫工作溫度為+70℃,要求器件殼溫控制在110℃以內(nèi),即最大允許溫升為40℃。計(jì)算得到設(shè)備表面熱流密度約為0.042 W/cm。由 圖2 所示數(shù)據(jù)分析知:當(dāng)溫升為40℃時(shí),自然冷卻的熱流密度應(yīng)小于0.04 W/cm。

表1 設(shè)備各模塊熱耗分布表

圖2 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法[4]

熱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于該設(shè)備體積小、熱耗大,且受裝機(jī)空間尺寸限制,無(wú)法采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱;此外,由于收發(fā)模塊裝于信息處理殼體內(nèi)部,電子元器件產(chǎn)生的熱量需先傳導(dǎo)至自身殼體后再傳導(dǎo)至信息處理模塊殼體,整個(gè)導(dǎo)熱路徑長(zhǎng)且受殼體間接觸熱阻影響較大,不利于熱量的快速消散。

設(shè)備選用自然冷卻方式散熱,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)熱路徑將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至模塊殼體,進(jìn)而通過(guò)對(duì)流和輻射實(shí)現(xiàn)熱量消散。模塊殼體均采用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的鋁合金材料,并通過(guò)表面噴涂黑色漆提高設(shè)備的輻射換熱能力。

為驗(yàn)證整機(jī)熱設(shè)計(jì)方案是否可行,下面利用專業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件ANSYS Icepak進(jìn)行仿真分析。

2.2 熱仿真分析

2.2.1 熱仿真建模

設(shè)備詳細(xì)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)節(jié)繁多,為提高仿真效率和計(jì)算收斂性,綜合考慮熱仿真和力學(xué)仿真的需要,對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。對(duì)模型中尺寸較小的安裝孔、圓角和倒角,以及對(duì)熱仿真結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu),如緊固螺釘、連接器等均作刪除處理。此外,為節(jié)約計(jì)算成本、減少網(wǎng)格數(shù)量,忽略安裝托架對(duì)設(shè)備散熱的影響。

將設(shè)備簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入Icepak進(jìn)行熱仿真建模。采用非連續(xù)性網(wǎng)格劃分,對(duì)小尺寸結(jié)構(gòu)如散熱齒、芯片、導(dǎo)熱墊等作網(wǎng)格加密處理,其余部分可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸。熱仿真模型共包含504.7 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)、406.2萬(wàn)個(gè)單元,主要部件材料參數(shù)如表2所示。設(shè)定仿真溫度為+70℃,默認(rèn)流體為空氣,流態(tài)設(shè)置為湍流,打開輻射換熱選項(xiàng),進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。

表2 材料參數(shù)表

2.2.2 仿真結(jié)果分析

初步仿真結(jié)果表明:信息處理模塊印制板上器件現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)(熱耗11 W)溫度最高,為118.3℃。查器件手冊(cè)知其許用結(jié)溫為125℃,結(jié)殼熱阻0.18℃/W,經(jīng)核算,其許用殼溫約123℃,因此該器件可能存在熱失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)一步降低器件殼溫,對(duì)信息處理模塊蓋板上散熱齒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化蓋板厚度、散熱齒高度及間距,改善信息處理模塊的散熱性能。優(yōu)化后設(shè)備整體及模塊溫度分布如圖3～圖6所示,分析可知:

圖3 設(shè)備整體溫度分布云圖

圖4 信息處理模塊印制板溫度分布云圖

圖5 收發(fā)處理模塊溫度分布云圖

圖6 射頻處理模塊器件溫度分布云圖

(1) 當(dāng)環(huán)境溫度為+70℃時(shí),設(shè)備整體最高溫度為108.5℃,整機(jī)溫升約為38.5℃;

(2) 信息處理模塊中FPGA 溫度最高,為105.5℃,低于其許用殼溫;

(3) 收發(fā)處理模塊器件最高溫度108.5℃,低于器件的許用殼溫,滿足設(shè)計(jì)要求;

(4) 射頻處理模塊中功率管(熱耗20 W)溫度最高,為105.4℃,遠(yuǎn)低于功率管的許用殼溫;

(5) 各模塊器件最高溫度均未超過(guò)其許用殼溫,仿真結(jié)果表明設(shè)備在高溫環(huán)境下可正常工作,這也說(shuō)明設(shè)備熱設(shè)計(jì)方案合理有效。

3 振動(dòng)仿真分析

3.1 振動(dòng)條件

設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)按GJB150.16-1986 中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行,耐久試驗(yàn)量值為功能試驗(yàn)的1.6倍,時(shí)間為每軸向12.5 h,試驗(yàn)條件如圖7所示。

圖7 耐久振動(dòng)試驗(yàn)條件

與沖擊、加速度、功能振動(dòng)等力學(xué)試驗(yàn)條件相比,耐久振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),量值大,試驗(yàn)中最易出現(xiàn)設(shè)備損壞等故障,故本文只進(jìn)行耐久振動(dòng)仿真。采用隨機(jī)振動(dòng)條件下的設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行校核,其計(jì)算公式如下:

式中:為剩余強(qiáng)度系數(shù),當(dāng)其值大于1時(shí)表明強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;為材料屈服極限;為均方根應(yīng)力值。

3.2 仿真模型建立

對(duì)安裝托架進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,之后導(dǎo)入ANSYS Workbench中,建立力學(xué)仿真模型。對(duì)托架底部支架上用于和飛機(jī)平臺(tái)固定的螺釘孔施加固定邊界約束,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部位如鎖鉤、鎖緊裝置等主要承力部件進(jìn)行網(wǎng)格局部加密,建立仿真模型如圖8所示,模型中主要零部件材料屬性參數(shù)如表3所示。

表3 主要部件材料屬性參數(shù)表

圖8 設(shè)備力學(xué)仿真模型

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),用于確定設(shè)備的固有頻率和模態(tài)振型。在ANSYS Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析,仿真結(jié)果如表4所示,對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖9所示。

表4 模態(tài)分析結(jié)果

由圖9分析可知:設(shè)備前3階振型均表現(xiàn)為整體模態(tài),第4階振型表現(xiàn)為信號(hào)處理模塊印制板的局部振動(dòng)模態(tài);設(shè)備1階固有頻率281.65 Hz,表明設(shè)備整體剛度較好。

圖9 設(shè)備前四階模態(tài)振型云圖

3.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,以圖7所示試驗(yàn)條件為載荷輸入,采用功率譜密度(PSD)法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真,分析設(shè)備在、、向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng),分別提取3個(gè)方向上的1應(yīng)力和1變形,結(jié)果如圖10和表5所示。

表5 隨機(jī)振動(dòng)載荷下最大1σ 最大應(yīng)力和1σ 最大變形

圖10 隨機(jī)振動(dòng)載荷下設(shè)備應(yīng)力和變形云圖

分析可知:在、、向隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下,由式(1)計(jì)算得到的設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度系數(shù)均大于1,其余部位的應(yīng)力和變形值均較小,這表明設(shè)備強(qiáng)度足夠,能滿足機(jī)載平臺(tái)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備安裝平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性要求,在產(chǎn)品研制階段即采用數(shù)值仿真軟件,對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了散熱和振動(dòng)仿真驗(yàn)證,分析結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案有效可行,能夠滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。此外,文中采用的模塊化設(shè)計(jì)思想和仿真分析方法,以及利用仿真手段識(shí)別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并進(jìn)行修正和優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路,對(duì)其他類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。