曹 紅

中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都，610036

0 引言

航空電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展以及部分平臺(tái)的特殊要求，使得人們對(duì)航空電子產(chǎn)品的小型化和輕型化的要求越來(lái)越高，設(shè)備的質(zhì)量指標(biāo)已經(jīng)成為其是否具備競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo)，在滿(mǎn)足質(zhì)量要求的同時(shí)，還應(yīng)具備高可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此需要開(kāi)展以減重為首要目標(biāo)，同時(shí)兼顧各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)外電子設(shè)備設(shè)計(jì)的減重設(shè)計(jì)中，多以新材料應(yīng)用、芯片高度集成為主，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用較少［1］。

1 設(shè)備的組成、減重指標(biāo)及減重的幾種重要手段

設(shè)備整體采用穿桿式設(shè)計(jì)，由5個(gè)模塊組成，分別為發(fā)射模塊、接收模塊、天線信號(hào)處理模塊、信號(hào)處理模塊和電源模塊(圖1)。模塊采用相同的截面尺寸，厚度根據(jù)電路需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)長(zhǎng)螺桿組裝起來(lái)，穿桿形式具有耐振動(dòng)沖擊好、維修性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 初樣機(jī)的外形和模塊分布示意圖

根據(jù)初樣機(jī)的設(shè)計(jì)，設(shè)備體積為203mm×180mm×164mm(不包括隔振器)，質(zhì)量為7.2kg，其中發(fā)射模塊2.54kg、接收模塊1kg、天線信號(hào)處理模塊0.68kg、信號(hào)處理模塊1.2kg、電源模塊1.3kg、附件 0.48kg。設(shè)備的質(zhì)量分配指標(biāo)為5.6kg，為了滿(mǎn)足該指標(biāo)，在正樣設(shè)計(jì)時(shí)需要在初樣機(jī)的基礎(chǔ)上減重1.6kg，即減重22.2%。

為了完成在初樣基礎(chǔ)上減重22.2%的目標(biāo)，在正樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)從以下多個(gè)方面采取措施。

1.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)件

該屏蔽盒類(lèi)別的模塊中，結(jié)構(gòu)件和印制板(包括元器件)大約各占質(zhì)量的50%。在保證核心電路設(shè)計(jì)不改動(dòng)的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，是最直接和最簡(jiǎn)單的減重手段。

分析5個(gè)模塊的特點(diǎn)，其中2個(gè)信號(hào)處理類(lèi)模塊主要是數(shù)字電路，可以取消屏蔽蓋板，取消后不影響整個(gè)設(shè)備的性能，后續(xù)相關(guān)電磁兼容試驗(yàn)證明，取消蓋板未影響模塊性能。其余3個(gè)模塊可以對(duì)盒體壁厚進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化減薄，從平均3.5mm減為平均2.5mm。對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，后續(xù)亦進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果證明，盒體壁厚減為平均2.5mm，未影響模塊力學(xué)性能。

從表1中可以得出，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的措施，可以減重0.48kg，但是只能在初樣質(zhì)量基礎(chǔ)上減重6%。

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)件后的減重效果

1.2 優(yōu)化電路

模塊電路部分所占質(zhì)量比例也非常大，在外圍結(jié)構(gòu)件已經(jīng)無(wú)法進(jìn)一步減重的情況下，電路的優(yōu)化以及減少電路冗余設(shè)計(jì)，也是減重設(shè)計(jì)中不可缺少的手段之一。經(jīng)過(guò)初步核算，優(yōu)化電路部分后可在初樣質(zhì)量基礎(chǔ)上減重4%。

因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)指標(biāo)為設(shè)備實(shí)現(xiàn)其核心功能的重要指標(biāo)，為了保證其在初樣機(jī)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)延續(xù)性，一般盡量慎重選擇該方法。

1.3 使用新材料

除了上述減重措施外，新材料的應(yīng)用也是減重的重要手段之一。傳統(tǒng)屏蔽盒類(lèi)模塊的材料多選用鋁合金，隨著新型材料的研究和應(yīng)用，鎂合金、復(fù)合碳纖維等材料也越來(lái)越多地應(yīng)用到工程中。鎂合金密度約為鋁合金的2/3［2］，復(fù)合碳纖維密度約為鋁合金的50% ～60%［3］，其減重效果不言而喻。但新材料在表面防護(hù)、機(jī)械加工、成本控制等方面還有待研究，新材料的使用，尤其是在可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求高的工程項(xiàng)目中的使用更應(yīng)慎重。

1.4 減小模塊截面積

在初樣機(jī)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了結(jié)構(gòu)件和電路設(shè)計(jì)后，依然只能完成減重10%的目標(biāo)，這必然要求考慮更有效的減重設(shè)計(jì)手段。根據(jù)該設(shè)備的特點(diǎn)，并分析初樣機(jī)電路板上的器件密度，最終考慮將模塊截面積減小20%(圖2)，結(jié)構(gòu)和電路部分都重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。此方法優(yōu)點(diǎn)是減重效果明顯，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)繼承性差，初樣機(jī)完成的設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)均需重新驗(yàn)證，并且安裝接口改變，需增加過(guò)渡板以保證安裝接口不變。在質(zhì)量指標(biāo)為首要指標(biāo)的前提下，需克服其他困難，以保證實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

從表2中可以計(jì)算得出，通過(guò)縮小截面積的措施，可以減重1.65kg，能在初樣質(zhì)量基礎(chǔ)上減重23%，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了減重目標(biāo)。

圖2 減小模塊截面積后設(shè)備的外形示意圖

表2 截面積減小20%后的減重效果

綜合以上四種減重方法，在該設(shè)備的減重設(shè)計(jì)方案中以第四種為主，包含了第一種和第二種方法，最終達(dá)到質(zhì)量要求。第三種方法因目前對(duì)新材料的工藝方法研究和使用驗(yàn)證均不充分，暫緩采用。

2 多學(xué)科優(yōu)化及仿真設(shè)計(jì)

對(duì)于本研究的目標(biāo)設(shè)備，選用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一致性約束優(yōu)化算法(CCO)進(jìn)行優(yōu)化分析。圖3為一致性約束優(yōu)化法的算法結(jié)構(gòu)圖，該方法又稱(chēng)為IDF法。IDF法將耦合狀態(tài)變量作為輔助設(shè)計(jì)變量，使得各子系統(tǒng)能夠獨(dú)立地進(jìn)行分析，從而避免了優(yōu)化過(guò)程中各子系統(tǒng)分析之間的直接耦合關(guān)系。IDF法的優(yōu)化過(guò)程不再調(diào)用系統(tǒng)分析，而直接調(diào)用學(xué)科分析。優(yōu)化過(guò)程的中間點(diǎn)不一定滿(mǎn)足系統(tǒng)方程組，只有當(dāng)算法漸進(jìn)收斂后，隨著一致性約束的滿(mǎn)足，各學(xué)科狀態(tài)變量的兼容性才得到保證。該算法的分析過(guò)程和優(yōu)化過(guò)程同時(shí)完成，因此又稱(chēng)為同時(shí)分析和設(shè)計(jì)算法(SAND)。IDF適用于耦合變量較少、耦合關(guān)系較簡(jiǎn)單的多學(xué)科設(shè)計(jì)問(wèn)題［4］。

本設(shè)備的減重設(shè)計(jì)中，質(zhì)量為一致性約束，目標(biāo)為滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱要求，設(shè)計(jì)變量主要為結(jié)構(gòu)件形狀。學(xué)科分析主要為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析(力學(xué)性能分析)和熱分析。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱均與質(zhì)量有密不可分的聯(lián)系。在正樣機(jī)分析設(shè)計(jì)中，主要考慮在初樣機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改動(dòng)較大的部分。通過(guò)簡(jiǎn)化，建立一個(gè)典型的三學(xué)科分析模型，見(jiàn)圖4。其中，Xs為各學(xué)科共享的設(shè)計(jì)變量，如結(jié)構(gòu)件厚度、外形尺寸等;Xi(i=1，2，3)為各學(xué)科單獨(dú)需要的設(shè)計(jì)變量。

圖3 一致性約束優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)圖

圖4 典型的多學(xué)科耦合模型

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體減重后，將模塊部分與初樣機(jī)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)剛度和強(qiáng)度差不多，但是新增加的過(guò)渡底板需要進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。第一次底板設(shè)計(jì)如圖5所示，底板為一塊227mm×194mm×4mm的鋁板，為了減小質(zhì)量，盡可能地加工去掉了多余部分。

圖5 底板示意圖

2.1.1對(duì)底板在給定隨機(jī)振動(dòng)條件下的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估

模型中零件的材料為鋁合金，具體力學(xué)性能參數(shù)如下:彈性模量為71GPa，泊松比為0.33，密度為2770kg/m3，疲勞極限約為80MPa。根據(jù)分析結(jié)果:X、Y、Z方向的應(yīng)力值分別達(dá)到了118MPa、103MPa、134MPa，大于鋁合金的疲勞極限，因此，底板損壞的可能性較大。

2.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)底板后重新進(jìn)行評(píng)估

從圖6中應(yīng)力圖來(lái)看，底板中部承受的應(yīng)力較小，材料在此處比較浪費(fèi)，螺桿材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，強(qiáng)度足夠，所以考慮將底板一分為二(圖7a)，并重點(diǎn)加強(qiáng)底板與隔振器、底板與設(shè)備連接位置剛度。

圖6 振動(dòng)條件及各方向的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后分析結(jié)果(圖7b～圖7d)，X、Y、Z方向的應(yīng)力值達(dá)到了 58MPa、60MPa、73MPa，小于鋁合金的疲勞極限，因此底板損壞的可能性不大。

圖7 改進(jìn)后的底板及各方向的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)力結(jié)果

2.2 電源模塊熱分析

與初樣機(jī)相比，其余幾個(gè)模塊的散熱設(shè)計(jì)方案均無(wú)大的變化，而電源模塊由于面積縮小后取消了風(fēng)機(jī)，由強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱改為自然散熱，因此，必須對(duì)散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算復(fù)核。

由初樣機(jī)熱測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)電源內(nèi)部主要散熱器件安裝底面溫度不超過(guò)110℃時(shí)，該模塊可以正常工作。因此，熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是優(yōu)化散熱齒，讓器件安裝底面溫度不超過(guò)110℃，同時(shí)質(zhì)量最小。電源模塊原始模型如圖8所示(圖中數(shù)值表示熱產(chǎn)生率)。

圖8 電源模塊原始模型

由表3中5種方案的分析云圖(圖9)可知，方案5在滿(mǎn)足安裝底面溫度不超過(guò)110℃的同時(shí)，質(zhì)量最小，在電路設(shè)計(jì)時(shí)將熱耗最大器件分布在邊緣位置，可進(jìn)一步降低溫度0.5℃左右。

表3 各種散熱齒對(duì)比分析結(jié)果

圖9 各種形狀散熱齒熱分析溫度云圖

3 驗(yàn)證結(jié)果

3.1 質(zhì)量驗(yàn)證

從表4中數(shù)據(jù)可知，該減重方案取得預(yù)期效果，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

該設(shè)備順利通過(guò)高低溫、振動(dòng)、沖擊和溫度高度試驗(yàn)，證明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和熱分析結(jié)論正確。

表4 各階段質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)比 kg

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合傳統(tǒng)的減重設(shè)計(jì)方法并在設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散熱等多個(gè)學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到整體最優(yōu)解，最終成功使設(shè)備減重23%。本文只運(yùn)用了多學(xué)科綜合優(yōu)化的設(shè)計(jì)手段中的其中一種，隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的日趨精密復(fù)雜，其他更為先進(jìn)和復(fù)雜的多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］盧涼，馮剛英，方偉.多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)在航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2009，49(4):20-23.Lu Liang，F(xiàn)eng Gangying，F(xiàn)ang Wei.Application of MultidisciplinaryDesign Optimization(MDO)in Avionics Equipment Design［J］.Telecommunication Engineering，2009，49(4):20-23.

［2］侯彬.鎂合金防腐蝕表面處理研究進(jìn)展［J］.電子機(jī)械工程，2008，24(4):42-44.Hou Bin.Research Development of Anti－corrosion Surface Treatment for Magnesium Alloys［J］.Electro－Mechanical Engineering，2008，24(4):42-44.

［3］王春凈，代云霏.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(2):14-15.Wang Chunjing，Dai Yunfei.Application of Carbon Fiber Composite in Aerospace，Development＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2010，23(2):14-15.

［4］程輝明.先進(jìn)電子制造技術(shù)［M］.2版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.