陳 濤，張慶軍，劉德悟

(四川九洲電器集團， 四川 綿陽 621000)

新一代機載電子設備結構設計方法初探*

陳 濤，張慶軍，劉德悟

(四川九洲電器集團， 四川 綿陽 621000)

文中針對傳統(tǒng)機載電子設備研制中，結構性能參數(shù)模糊，產品研發(fā)周期較長，后期排故較難等問題，在產品設計的多個階段，引入數(shù)字仿真工具，進行拓撲結構優(yōu)化設計和熱、力學有限元分析。采用相關測試方法對數(shù)字樣機進行修正，并依據(jù)相關標準進行試驗，使設計方案得到充分驗證，為結構進一步優(yōu)化提供依據(jù)。這些方法的應用使產品存在的一些問題得到快速暴露和解決，有效地提高了產品的可靠性和數(shù)字化程度。

有限元設計方法；測試技術；可靠性強化

引 言

隨著國家信息化建設的逐步深入，不同的技術層面都發(fā)生著巨大的變化。就軍用電子設備結構設計領域而言，新的要求對傳統(tǒng)結構設計的觀點、理念和生產工藝提出了挑戰(zhàn)，需要設計人員相應調整設計思路，不斷更新設計方法和手段。

傳統(tǒng)的軍用電子設備結構設計大多參照老產品和依靠設計人員的個人經驗，以驗證試驗為判據(jù)標準和保障，由于試驗條件有限和產品個體的差異性，這種方式在一定程度上很難在設計階段給出較準確的產品性能參數(shù)，產品質量評價較為模糊，從而，造成產品設計的一些局限性。

鑒于以上原因，本文闡述的某樣機結構設計做了一些新的探索和嘗試。設計人員在產品不同的設計階段對設備進行了系統(tǒng)級綜合分析和元器件級的詳細分析，引薦了一些設計方法和測試手段，建立起較完整的數(shù)字樣機模型，對數(shù)字樣機的力學特性以及熱力場分布等特性進行仿真分析，并通過多種測試對數(shù)字樣機相關參數(shù)進行修正，經過多次設計迭代，較系統(tǒng)地優(yōu)化了樣機結構。

同時，通過各種相關試驗的驗證，獲得了樣機結構系統(tǒng)性能的第一手數(shù)據(jù)，為產品的后續(xù)升級和引用奠定了基礎。通過對樣機的全數(shù)字仿真與測試，以及新的試驗技術的應用，在此領域產品結構設計的數(shù)字化、信息化建設方面，積累了一些經驗。

本文以某樣機的研制為例，簡要介紹了工程應用中機載電子設備結構總體設計的一些新思路、新技術與新方法。

1 有限元設計分析與仿真

在工程技術領域，對于力學問題或其他場問題，已經得到了基本微分方程和相應的邊界條件。但能用解析方法求出精確解的只是方程性質比較簡單且?guī)缀芜吔缦喈斠?guī)則的少數(shù)問題[1]。

有限元法作為一種數(shù)值方法，在工程中的應用越來越普遍，已由求解靜力學問題擴展到求解動力學問題、穩(wěn)定問題；從線性分析擴展到物理、幾何和邊界的非線性分析，分析的對象也從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等其他領域。

有限元設計方法是可靠性仿真試驗的基礎，通過“仿真分析—設計改進—仿真分析”的迭代過程，不斷發(fā)現(xiàn)原設計中存在的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，盡早解決產品中存在的問題，取得最優(yōu)的權衡方案，為提高機載電子設備的性能提供了新的技術途徑。

在某樣機的結構設計中，規(guī)范地應用了有限元設計方法進行分析設計，解決的主要問題有以下幾個方面。

1.1 拓撲優(yōu)化設計

機載電子設備實現(xiàn)的功能越來越全面，性能要求越來越高，設備向小型化、模塊化方向發(fā)展，因此重量的分配與控制顯得尤為重要，機械結構的優(yōu)化設計變得尤為迫切，以最小型化的結構形式滿足設備性能已成為普遍的要求。

機械結構優(yōu)化設計分為尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化、控制結構優(yōu)化等，常用的結構優(yōu)化方法有優(yōu)化準則法、數(shù)學規(guī)劃法、混合法、多級優(yōu)化算法等。一般拓撲優(yōu)化問題屬于非線性優(yōu)化問題，其特點是約束和實際變量多[1]。優(yōu)化過程就是對目標函數(shù)在滿足要求的前提下，尋求其最佳數(shù)值的過程。

一般而言，廣義結構優(yōu)化數(shù)學模型可表達為

Minf(X)

s.t.gi(X)=0 (i=1,2,…,q)

gi(X)≤0 (i=q+1,q+2,…,p)

式中：目標函數(shù)f(X)為結構質量、成本、應力甚至多目標等；約束函數(shù)gi(X)為變量的上下界、位移、應力、頻率、屈曲及瞬態(tài)響應約束等[1]。

下面簡要說明拓撲優(yōu)化在產品重量控制設計中的應用。

傳統(tǒng)的結構減重設計是從總體布局、材料、選用重量輕的貨架產品和連接器以及縮短線纜長度等方面著手，大多依靠經驗。而整個系統(tǒng)拓撲架構的優(yōu)化是一條趨于問題本源的解決途徑。

隨著計算機技術的發(fā)展，目前，可以在方案設計階段應用有限元分析軟件ABAQUS中的結構拓撲優(yōu)化功能，對設備作減重探索設計，得到一個指導性的結構拓撲形式。在此基礎上，進行詳細設計并迭代，從而實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目的，并且使得產品整個設計流程具有可追溯性。

本樣機優(yōu)化過程中使用了ABAQUS提供的拓撲優(yōu)化工具，在進行拓撲優(yōu)化減重設計后，使用分析軟件再對產品的重量、重心、自身慣性矩、自身慣性積等參數(shù)進行再次分析，并進行減重后的剛度強度等考核指標的校核。

1.2 隨機振動的線性動力學分析

在隨機振動的線性動力學分析中，首先，對設備進行有限元數(shù)字樣機建模，數(shù)字樣機包括三維模型、組件和元器件體積重量、材料屬性、約束條件等方面的信息。本文討論的數(shù)字樣機分網(wǎng)到大于1 g重量的重要功能元件。其次，對經過前處理的數(shù)字樣機，通過有限元仿真求解器得到設備結構的振動模態(tài)。最后在設備的相關位置輸入隨機振動的激勵譜型，得到設備隨機振動頻率響應結果。

在該數(shù)字樣機分析過程中，根據(jù)工程經驗，使用Pro/E對三維模型進行適當?shù)暮喕?，比如刪除不必要的幾何小特征等，再將模型導入ABAQUS中，進行相關前處理、提交計算等，對數(shù)字樣機進行模態(tài)及隨機振動仿真分析云圖見圖1，部分分析結果見表1。

圖1 整機的位移均方根和加速度均方根最大值云圖

項目部位最大值位置加速度均方根值機箱8．67g機箱側板模塊17．83gPCB板模塊27．67g模塊2下部位移均方根值/mm機箱0．026機箱左側面模塊10．019模塊1下部模塊20．034模塊2下部

通過數(shù)字樣機的仿真分析，可以得出：本樣機機箱側板的法向加速度均方根值和模塊2下部的位移均方根值相對較大，分別為8.67g和0.034 mm，已經明顯低于前一輪仿真得到的最大值。這說明經過設計改進，上一輪仿真的薄弱部位的響應幅值大大降低。

1.3 沖擊等非線性動力學分析

對于墜撞、沖擊等高速、瞬時的動力學問題，在有限元分析中，通常使用顯式有限元程序求解。

以樣機某一組成單元為例，建立單元的數(shù)字模型，輸入材料屬性，建立零件間接觸對，劃分網(wǎng)格，施加載荷。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，共6 548個節(jié)點，3 252個單元。單元數(shù)字模型如圖2所示。

圖2 單元數(shù)字模型

經過分析，單元各個方向的強度結果見表2。單元應力最大處位于4個安裝孔周圍，此面板材料為2A12-T4，其力學性能δb=420 MPa。

表2 單元強度結果(處理后數(shù)據(jù))

由以上分析結果可知，在后鋸齒波沖擊下，11 ms瞬態(tài)，此種結構形式的局部應力峰值最大為89.5 MPa，小于材料的拉伸強度。因此，墜撞、沖擊條件下，單元符合強度安全要求。

1.4 各種邊界條件下的溫度場耦合分析

有限元方法是求解熱設計問題的有效數(shù)值方法，能適用于復雜形狀結構、各種材料和邊界條件。通過熱傳導分析，可以得到溫度場分布，找出各個組成模塊中的高溫器件，求解由熱應力引起的振動、疲勞等一系列工程技術問題。

應用CFD軟件ICEPAK進行仿真分析，得到樣機中某組成模塊在環(huán)境溫度70 ℃條件下的溫度場分布，見圖3。

圖3 模塊1溫度場分布

2 測試分析技術

可靠性仿真試驗已經逐步得到應用。在仿真試驗過程中，設備的溫度測試和模態(tài)測試是仿真驗證的重要組成部分，利用測試結果對可靠性仿真試驗的數(shù)字模型進行修正并優(yōu)化結構設計具有重要的意義。

2.1 溫度測試

在溫度測試中，應用紅外成像儀得到本樣機的溫度場分布，根據(jù)溫度場分布情況，采用接觸式方法對主要發(fā)熱器件進行準確的熱電偶測量試驗。熱測量試驗分4個層次進行，包括整機、模塊、電路板及元器件的熱測試，具體如下：

在常溫環(huán)境下，將溫度傳感器一端連接溫度巡檢儀，另一端貼于機箱和模塊外表面中心、電路板和各主要發(fā)熱器件上，將樣機整機通電，以最大功耗運行，等待熱平衡后，通過溫度巡檢儀采集溫度數(shù)據(jù)。布置溫度傳感器時要進行傳感器檢驗，可以使用熱水作為熱源檢測。粘貼測溫點時，要準確并緊密地貼合，盡可能減小測量誤差。

表3為樣機中部分模塊的溫度測試結果，圖4是用紅外成像儀拍攝的部分模塊溫度場分布。

圖4 模塊2和模塊3的溫度場分布

模塊名稱對應器件熱測量結果/℃環(huán)境28℃環(huán)境70℃模塊2A1#47．878．3A2#47．177．7A3#50．380．8A4#49．180．6A5#47．178．2模塊3B1#54．284．4B2#54．581．2B3#53．384．1B4#59．393．8B5#59．089．3

根據(jù)以往的設計經驗，模塊2作為主要的發(fā)熱模塊，一般緊靠機箱的外壁。但是，從溫度場分布以及多次熱測量得到的大量數(shù)據(jù)可以看到：模塊2溫度整體低于模塊3，其中的關鍵器件溫度遠低于模塊3中某些主要器件的溫度。模塊3中的DSP等器件一直處于工作狀態(tài)，成為主要熱源。這從根本上糾正了我們認識的局限性和偏差，為以后產品的合理設計提供了依據(jù)。

在測試中還發(fā)現(xiàn)，器件表面三防漆的鍍層厚度對器件散熱效果有較大影響。因此在選擇器件表面保護層時，應適當考慮散熱性能。

2.2 模態(tài)測試

模態(tài)分析是研究結構動力學特性的一種方法，它和有限元技術一起成為結構動力學的兩大支柱。要提高產品可靠性，在產品的研制階段了解結構的動態(tài)特性，并能夠根據(jù)動態(tài)特性對結構進行優(yōu)化、快速改進尤為重要。對機載電子設備進行模態(tài)測試分析是識別結構固有特性的一種較為經濟、快捷、有效的試驗方法[2]。

由于機載電子設備結構的復雜性和非線性等原因，建立有限元模型時會進行一系列簡化和假設，而且在進行動力學計算時，阻尼參數(shù)往往是經驗值，這些都會影響分析結果。使用模態(tài)測試分析結果來檢查、補充和修正原始有限元模型，應用修正后的有限元模型及模態(tài)阻尼參數(shù)計算結構的動力學特性和響應，進一步指導結構優(yōu)化改進。本文模態(tài)測試分析系統(tǒng)采用東方所的INV3020系列采集儀和信號處理軟件。以下簡要說明應用錘擊法進行模態(tài)試驗的方案。

首先，采用力錘對樣機結構提供激振力，激振信號和響應信號經電荷放大器放大后送到信號采集儀，然后傳輸?shù)接嬎銠C，最后由信號分析軟件進行信號分析和處理，以獲取所需的模態(tài)參數(shù)。

具體試驗方法有單點激勵多點響應、多點激勵單點響應和多點激勵多點響應。目前，應用最廣泛的是單點激勵多點響應和多點激勵單點響應。本樣機采用單點激勵多點響應方法，用壓電傳感器測量設備的多點響應。邊界條件以模態(tài)實際工作狀態(tài)為原則。

采樣時，要求選取足夠高的采樣頻率fs。一般地，要求fs高出信號成分中最高頻率fm的2倍，即fs>2fm。本系統(tǒng)采用2.56倍，既可以降低硬件要求，又保證了采集信號的完整性。傳感器的布點位置一般為樣機的特征幾何位置，測點布置采用網(wǎng)格化密集布點方式，以采集到樣機的主要響應量值。樣機模態(tài)的仿真和測試結果見表4。

表4 樣機模態(tài)的仿真和測試結果(處理后數(shù)據(jù))

3 可靠性強化試驗技術

從產品發(fā)展的角度來看，“研制的快速、精度的提高、使用的高可靠和長壽命”始終是機載設備發(fā)展的核心。要在這些方面取得突破，新技術的引入和使用是必不可少的。

為了適應產品這種不斷發(fā)展的需求，國外一些企業(yè)在產品的研制和生產過程中逐步發(fā)展起來了相關的先進試驗技術，用于產品的快速研發(fā)?？煽啃詮娀囼灳褪沁@些先進試驗方法的代表之一。目前，可靠性強化試驗在國外已獲得較為廣泛的應用，國內也陸續(xù)展開工作，并逐步在型號工程中應用。

可靠性強化試驗是一種采用加速應力的可靠性研制試驗，目的是使產品設計得更為“健壯”?；痉椒ㄊ峭ㄟ^施加步進應力，不斷加速激發(fā)產品的潛在缺陷，并進行改進和驗證，使產品的可靠性不斷提高，并使產品的耐環(huán)境能力達到最高，直到現(xiàn)有材料、工藝、技術和費用支撐能力無法做進一步改進為止[3]。

可靠性強化試驗具有以下技術特點：

1)傳統(tǒng)的環(huán)境和可靠性試驗是一種“模擬”試驗，主要是在試驗室內模擬產品可能的實際使用環(huán)境，用以激發(fā)產品故障，判斷產品是否能夠滿足未來使用的要求。可靠性強化試驗不要求模擬環(huán)境的真實性，而是強調環(huán)境應力的激發(fā)效應，快速尋找產品缺陷，從而實現(xiàn)研制階段產品可靠性的快速增長，進而縮短研制周期，降低研制成本。

2)可靠性強化試驗是一種加速應力試驗，采用步進應力方法，施加的環(huán)境應力是逐步遞增的，如圖5所示。

圖5 步進應力示意圖

3)可靠性強化試驗對產品施加三軸六自由度振動和高溫變率[3]。

本樣機可靠性強化試驗的流程為：低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫度循環(huán)試驗、振動步進應力試驗和綜合環(huán)境應力試驗5個階段。在試驗過程中，結合仿真和測試的結果，對關鍵器件和重點部位進行實時監(jiān)控，以獲得產品的耐環(huán)境應力參數(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對樣機進一步優(yōu)化，有效提高了產品的可靠性。

4 結束語

某工程樣機的研制中，結構總體運用當今先進的設計工具，較系統(tǒng)地實踐了規(guī)范性、科學性和先進性的設計思路，整個設計過程貫穿有限元設計與仿真、測試與可靠性強化試驗等方法與手段，提高了機載電子設備的性能水平和數(shù)字化程度。

[1] 中國機械設計大典編委會. 中國機械設計大典：現(xiàn)代機械設計方法[M]. 南昌: 江西科學技術出版社, 2002.

[2] 應懷樵. 現(xiàn)代振動與噪聲技術[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2010.

[3] 龔慶祥, 趙宇, 顧長鴻. 型號可靠性工程手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[4] 莊茁, 張帆, 岑松, 等. ABAQUS非線性有限元分析與實例[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

[5] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄. 雷達結構與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

陳 濤(1969-)，女，高級工程師，主要從事電子設備結構總體設計工作。

張慶軍(1973-)，男，工程師，主要從事電子設備結構總體設計工作。

劉德悟(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設備結構總體設計工作。

Pilot Study on Structural Design of New Airborne Electronic Equipment

CHEN Tao，ZHANG Qing-jun，LIU De-wu

(SichuanJiuzhouElectricGroup，Mianyang621000,China)

Aiming at the problems in traditional development of airborne electronic equipment such as ambiguous structure parameters, long product development cycle, and difficult failure recovery in later use. This paper incorporates the digital simulation tools to perform topology optimization design and dynamical and thermal finite element analysis in multiple stages of structural design. The digital prototype is modified by relevant test method, and the experiment is carried out according to relevant standards to verify the design scheme which provides the basis for further structure optimization. By these methods, some problems in the product are rapidly exposed and solved, and the reliability and digitalization level of the product are effectively improved.

finite element method; test technology; reliability reinforcement

2013-06-04

V241.03

A

1008-5300(2013)05-0029-05