王連坡 劉 林

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）（2.91202部隊(duì)司令部 葫蘆島 125004）

1 引言

20世紀(jì)中葉以來，無(wú)線電電子技術(shù)得到迅速發(fā)展，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始引起世界各國(guó)的關(guān)注。隨著電子技術(shù)適用范圍的推廣，設(shè)備的功能、體積、重量、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性以及對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)性等諸多問題被納入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇。

設(shè)備是一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)功能集的載體，設(shè)備的形成就需要依附于結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)是以機(jī)械設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的多目標(biāo)、多方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的思想和方法是隨著科技進(jìn)步而不斷發(fā)展的。20世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及CAD／CAE／CAM軟件［1］的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工設(shè)備及加工手段的發(fā)展，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)產(chǎn)生了飛躍。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)流程

2.1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件和用戶要求，對(duì)整個(gè)設(shè)備的組裝進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)思，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，滿足產(chǎn)品的使用環(huán)境。電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與普通產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一致的，依次是概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、樣機(jī)定型和批生產(chǎn)準(zhǔn)備。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)主要過程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成圖

2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的地位

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，使用環(huán)境特殊，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要性要大于結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)決定結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的難度，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)然，不能強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要性就輕視了結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，兩者是相輔相成的。沒有單個(gè)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性就沒有整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從實(shí)際結(jié)構(gòu)出發(fā)，由虛到實(shí)，由概念到實(shí)體，由整體到局部。

2.3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)流程

早期的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)大多屬于概念性和經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，內(nèi)容簡(jiǎn)單，分析和驗(yàn)證手段復(fù)雜單一，設(shè)計(jì)結(jié)果與分析結(jié)果往往有很大的差異。隨著科技的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，當(dāng)代電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容越來越豐富，設(shè)計(jì)周期短，可靠性高，驗(yàn)證方式簡(jiǎn)單靈活，可大大減低整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成本。

當(dāng)代電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)流程包括了概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備滿足使用環(huán)境和系統(tǒng)電氣性能的要求。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)過程是實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的多目標(biāo)多系列優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、工程心理學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)習(xí)，包含著相當(dāng)廣泛的技術(shù)內(nèi)容，它已經(jīng)形成了一門邊緣學(xué)科，是多門基礎(chǔ)學(xué)科的綜合應(yīng)用。電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大致包括以下內(nèi)容。

3.1 整機(jī)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)組裝設(shè)計(jì)也稱總體設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件和使用的環(huán)境條件，對(duì)整機(jī)的組裝進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)思，并對(duì)各分系統(tǒng)和功能性單元提出設(shè)計(jì)要求和規(guī)劃。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

在滿足用戶要求的前提下，根據(jù)內(nèi)部電子元器件和各種裝置所需的空間來確定設(shè)備的基本尺寸，尺寸系列盡可能的按照國(guó)家通用標(biāo)準(zhǔn)和定型尺寸，并考慮模塊化、組合化、系列化解決安裝的互換性。在使用英制尺寸標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，注意公制和英制尺寸的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照和互換。

3.3 剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的負(fù)荷大小、抗振動(dòng)沖擊要求來進(jìn)行剛、強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)證，使其能經(jīng)受得住正常使用可能出現(xiàn)的物理和化學(xué)作用的影響，必要時(shí)還應(yīng)該進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在進(jìn)行剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)件的連接方式，是銑削加工成形還是采用拼裝或者焊接方式等，有時(shí)還應(yīng)采取防松的保護(hù)措施。同時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，通過增加鈑金件的折彎或肋、筋來增加結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度等。

3.4 防護(hù)設(shè)計(jì)

惡劣的氣候條件會(huì)引起電子設(shè)備中金屬和非金屬材料發(fā)生腐蝕、老化、霉?fàn)€、性能顯著下降等各種損壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境條件的性質(zhì)、影響因素的種類、作用強(qiáng)度的大小來確定相應(yīng)的防護(hù)措施或防護(hù)結(jié)構(gòu)，選擇耐腐蝕材料，研究新的抗腐蝕方法。

4 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

電子設(shè)備是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要包含了抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)

電子設(shè)備在運(yùn)輸和使用過程中會(huì)受到各種機(jī)械力的干擾，這些機(jī)械力的形式包括：振動(dòng)、沖擊、離心力、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力等，其中危害最大的是振動(dòng)和沖擊。它們?cè)斐傻奈：χ饕幸韵聝煞N：

1）設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終因振動(dòng)加速度超過設(shè)備所能承受的極限加速度而損壞；或者由于沖擊所產(chǎn)生的沖擊力超過設(shè)備的強(qiáng)度極限而使設(shè)備損壞。

2）振動(dòng)加速度或沖擊引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)低于材料的靜載荷下的強(qiáng)度，但由于長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)或多次沖擊使材料疲勞，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

電子設(shè)備抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)一般采取如下兩種措施：

1）加固設(shè)計(jì)。確定并加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)備固有頻率，使其允許沖擊應(yīng)力和疲勞極限高于其實(shí)際響應(yīng)值。

2）采取隔振緩沖系統(tǒng)。對(duì)電子設(shè)備整機(jī)進(jìn)行隔振緩沖設(shè)計(jì)，使外部激勵(lì)通過隔振緩沖系統(tǒng)減弱后，傳遞給設(shè)備的實(shí)際作用力小于設(shè)備的允許值。

電子設(shè)備的抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)雖然難度較大，但只要根據(jù)設(shè)備所處的機(jī)械環(huán)境，有針對(duì)性的去分析、研究，并嘗試新的設(shè)計(jì)方法、新技術(shù)、新材料（工程塑料、碳纖維等）、新工藝，結(jié)合已有的成熟理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過ANSYS等軟件分析驗(yàn)證，就可以提高設(shè)備的抗振動(dòng)、沖擊性能。

4.2 熱設(shè)計(jì)

熱量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)通常有以下三種形式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射［2］。熱設(shè)計(jì)主要利用上述的三種方式的一種或幾種方式進(jìn)行。

4.2.1 熱傳導(dǎo)

氣體導(dǎo)熱是分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，固體導(dǎo)熱靠自由電子的運(yùn)動(dòng)完成，對(duì)于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律，其計(jì)算公式為

式中：φ為熱流量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；A為導(dǎo)熱方向上的截面積為x方向上的溫度變化率，℃／m。

4.2.2 熱對(duì)流

對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過程。對(duì)流換熱可用牛頓冷卻公式計(jì)算：

式中：φ為熱流量，W；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m·℃）；A為對(duì)流換熱面積，m2；tw為熱表面溫度，℃；tf為冷卻流體溫度，℃。

4.2.3 熱輻射

物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻射。熱輻射是輻射能和熱能的相互轉(zhuǎn)換過程，物體的輻射可用斯蒂芬－波爾茲曼定律表示：

式中：φ為熱流量，W；ε為物體黑度；A為輻射表面積，m2；σ0為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)（5.67×10－8W／（m2·K4））；T為物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

4.2.4 熱設(shè)計(jì)原則

一般電子設(shè)備內(nèi)部存在著大量的發(fā)熱元器件，使得設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度升高。高溫對(duì)大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會(huì)導(dǎo)致元器件的失效，進(jìn)而引起整個(gè)設(shè)備的失效。通過熱控制的設(shè)計(jì)，采取使發(fā)熱元器件散熱冷卻的措施來降低設(shè)備的溫升，從而保證設(shè)備的可靠性。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意考慮以下原則：

1）熱設(shè)計(jì)要滿足元器件降額應(yīng)用對(duì)設(shè)備內(nèi)部溫度的要求。因此，一般電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)溫度應(yīng)設(shè)法控制在45℃～65℃范圍以內(nèi)，對(duì)功率密度大一些的設(shè)備也不應(yīng)超過50℃～70℃范圍；

2）整機(jī)的散熱冷卻方案應(yīng)與設(shè)備的功率密度大小相適應(yīng)。一般原則是當(dāng)功率密度低于12.2kW／m3時(shí)，可選擇自然冷卻方案；當(dāng)功率密度超過12.2kW／m3時(shí)，應(yīng)選擇強(qiáng)迫空氣冷卻技術(shù)；當(dāng)功率密度超過43kW／m3時(shí)，則應(yīng)選擇水冷方案［3］；

3）對(duì)發(fā)熱元器件采取散熱措施時(shí)，要滿足其對(duì)熱阻的要求。一般原則是若發(fā)熱元器件對(duì)熱阻的要求大于30℃／W時(shí)，可不必采取散熱措施；當(dāng)對(duì)熱阻的要求在2℃／W～30℃／W時(shí)，可采取散熱器散熱；當(dāng)對(duì)熱阻的要求在0.05℃／W～2℃／W時(shí)，則應(yīng)采取軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱等；

4）對(duì)設(shè)備內(nèi)部的部件應(yīng)合理布局：一般原則是發(fā)熱量小或無(wú)源器件應(yīng)放在設(shè)備的底部；發(fā)熱量大、寬溫的部件應(yīng)放在設(shè)備的頂部，元器件與設(shè)備之間的距離最好大于35mm～40mm，以利于空氣自然對(duì)流來散熱。另外，對(duì)一些熱敏感器件應(yīng)該盡量避開熱源，必要時(shí)可增加熱屏蔽罩。

4.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運(yùn)行，并且不對(duì)其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力。

4.3.1 屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料的。在設(shè)備的元器件和布局一定的前提下，屏蔽在電磁兼容性設(shè)計(jì)中就成為一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾項(xiàng)措施：

1）屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種，在電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料

2）縫隙的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，當(dāng)縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ／100波長(zhǎng)，至少不大于λ／10波長(zhǎng)［4］。

3）孔洞的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。電子設(shè)備因通風(fēng)散熱、調(diào)控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會(huì)開制一些孔洞，電磁能量經(jīng)孔洞泄漏，是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會(huì)隨著孔洞的增大而變小，一般來說，孔洞的尺寸應(yīng)小于λ／50，且不得大于λ／20［5］。

4.3.2 接地技術(shù)

在電子設(shè)備中，接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段，其中包括接地點(diǎn)的選擇，電路組合接地的設(shè)計(jì)和抑制接地干擾措施的應(yīng)用等方面都應(yīng)全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設(shè)計(jì)。

1）減少接地點(diǎn)之間電位差。

2）管形接地線。

3）保證接地線的電氣連接可靠性。

4）接地方式的選擇。在電子設(shè)備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地適用于低頻，多點(diǎn)接地適用于高頻。一般來說，頻率在1MHz以下可采用單點(diǎn)接地方式，頻率高于10MHz應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式，頻率在1MHz～10MHz之間，可以采用混合接地［6］。

4.3.3 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的主要手段之一，也是提高電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著的減小傳導(dǎo)干擾電平，利用阻抗失配原理，使電磁干擾信號(hào)受到衰減。濾波器的安裝對(duì)其性能影響非常大，在使用濾波器時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）濾波器金屬殼與機(jī)箱殼必須保證良好的面接觸，并將地線接好［7］；

2）濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免濾波器效能降低；

3）濾波器的連接線以選用雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號(hào)；

4）濾波器的安裝位置應(yīng)選在電源入口處，以縮短輸入線在機(jī)箱內(nèi)的長(zhǎng)度，減少輻射干擾。

4.3.4 合理布局

合理布局包括系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的相對(duì)位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠(yuǎn)離，輸出與輸入端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費(fèi)用又不多。

5 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的輔助設(shè)計(jì)工具

建模與仿真是分析、設(shè)計(jì)和研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種基本的理論方法和重要的技術(shù)手段。在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中常用的CAD／CAE／CAM建模與仿真軟件［8］有：

1）I－DEAS：I－DEAS軟件是CAD／CAE／CAM一體化的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控加工、注塑模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品性能仿真、樣機(jī)測(cè)試和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能為一體。它貫穿了從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的產(chǎn)品開發(fā)全過程；

2）Flotherm與FloEMC：Flotherm與FloEMC軟件是目前電子行業(yè)內(nèi)唯一專業(yè)針對(duì)電子設(shè)備系統(tǒng)級(jí)散熱和電磁兼容性協(xié)同設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)；

3）Icepak：Icepak軟件是專業(yè)的面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件。

計(jì)算機(jī)仿真軟件還有很多，比如ANSYS在力學(xué)與電磁場(chǎng)有限元分析方面，UG、Pro／Engineer在模具與機(jī)構(gòu)仿真方面，3DSMAX、Solidworks在工業(yè)造型設(shè)計(jì)方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中，總體設(shè)計(jì)師通過計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)現(xiàn)三維建模、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、力、熱、電磁兼容性分析與仿真，可以減少設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)備第一次成功率，改善電子設(shè)備的性能、提高設(shè)備的可靠性、所得設(shè)計(jì)的研制周期等。

6 結(jié)語(yǔ)

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作除了是一種技術(shù)工作，它還是一項(xiàng)管理工作。它要求結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)師具備一定的總體協(xié)調(diào)能力，任務(wù)分解能力，這一點(diǎn)在系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)總體設(shè)備中表現(xiàn)的尤為突出。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)成功了，一個(gè)設(shè)備、分系統(tǒng)、甚至一個(gè)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作都將事半功倍。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

［2］丁連芬，等譯.電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1989.

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