曹 紅

中國西南電子技術(shù)研究所，成都，610036

0 引言

航空電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展以及部分平臺的特殊要求，使得人們對航空電子產(chǎn)品的小型化和輕型化的要求越來越高，設(shè)備的質(zhì)量指標已經(jīng)成為其是否具備競爭力的一項至關(guān)重要的指標，在滿足質(zhì)量要求的同時，還應(yīng)具備高可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性，對設(shè)備的研制開發(fā)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，因此需要開展以減重為首要目標，同時兼顧各項性能指標要求的多學科優(yōu)化設(shè)計。在國內(nèi)外電子設(shè)備設(shè)計的減重設(shè)計中，多以新材料應(yīng)用、芯片高度集成為主，多學科優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用較少［1］。

1 設(shè)備的組成、減重指標及減重的幾種重要手段

設(shè)備整體采用穿桿式設(shè)計，由5個模塊組成，分別為發(fā)射模塊、接收模塊、天線信號處理模塊、信號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)電路需要進行設(shè)計，通過長螺桿組裝起來，穿桿形式具有耐振動沖擊好、維修性好等優(yōu)點。

圖1 初樣機的外形和模塊分布示意圖

根據(jù)初樣機的設(shè)計，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、天線信號處理模塊0.68kg、信號處理模塊1.2kg、電源模塊1.3kg、附件 0.48kg。設(shè)備的質(zhì)量分配指標為5.6kg，為了滿足該指標，在正樣設(shè)計時需要在初樣機的基礎(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，在正樣機設(shè)計時從以下多個方面采取措施。

1.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)件

該屏蔽盒類別的模塊中，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)計不改動的情況下，對結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化，是最直接和最簡單的減重手段。

分析5個模塊的特點，其中2個信號處理類模塊主要是數(shù)字電路，可以取消屏蔽蓋板，取消后不影響整個設(shè)備的性能，后續(xù)相關(guān)電磁兼容試驗證明，取消蓋板未影響模塊性能。其余3個模塊可以對盒體壁厚進行進一步優(yōu)化減薄，從平均3.5mm減為平均2.5mm。對薄弱環(huán)節(jié)進行相關(guān)結(jié)構(gòu)強度仿真分析，后續(xù)亦進行了相關(guān)力學試驗，結(jié)果證明，盒體壁厚減為平均2.5mm，未影響模塊力學性能。

從表1中可以得出，通過優(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)無法進一步減重的情況下，電路的優(yōu)化以及減少電路冗余設(shè)計，也是減重設(shè)計中不可缺少的手段之一。經(jīng)過初步核算，優(yōu)化電路部分后可在初樣質(zhì)量基礎(chǔ)上減重4%。

因為電路設(shè)計指標為設(shè)備實現(xiàn)其核心功能的重要指標，為了保證其在初樣機基礎(chǔ)上的設(shè)計延續(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、復合碳纖維等材料也越來越多地應(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、機械加工、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)性要求高的工程項目中的使用更應(yīng)慎重。

1.4 減小模塊截面積

在初樣機的基礎(chǔ)上優(yōu)化了結(jié)構(gòu)件和電路設(shè)計后，依然只能完成減重10%的目標，這必然要求考慮更有效的減重設(shè)計手段。根據(jù)該設(shè)備的特點，并分析初樣機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行設(shè)計。此方法優(yōu)點是減重效果明顯，缺點是設(shè)計繼承性差，初樣機完成的設(shè)計分析和試驗均需重新驗證，并且安裝接口改變，需增加過渡板以保證安裝接口不變。在質(zhì)量指標為首要指標的前提下，需克服其他困難，以保證實現(xiàn)目標。

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

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)計方案中以第四種為主，包含了第一種和第二種方法，最終達到質(zhì)量要求。第三種方法因目前對新材料的工藝方法研究和使用驗證均不充分，暫緩采用。

2 多學科優(yōu)化及仿真設(shè)計

對于本研究的目標設(shè)備，選用多學科優(yōu)化設(shè)計中的一致性約束優(yōu)化算法(CCO)進行優(yōu)化分析。圖3為一致性約束優(yōu)化法的算法結(jié)構(gòu)圖，該方法又稱為IDF法。IDF法將耦合狀態(tài)變量作為輔助設(shè)計變量，使得各子系統(tǒng)能夠獨立地進行分析，從而避免了優(yōu)化過程中各子系統(tǒng)分析之間的直接耦合關(guān)系。IDF法的優(yōu)化過程不再調(diào)用系統(tǒng)分析，而直接調(diào)用學科分析。優(yōu)化過程的中間點不一定滿足系統(tǒng)方程組，只有當算法漸進收斂后，隨著一致性約束的滿足，各學科狀態(tài)變量的兼容性才得到保證。該算法的分析過程和優(yōu)化過程同時完成，因此又稱為同時分析和設(shè)計算法(SAND)。IDF適用于耦合變量較少、耦合關(guān)系較簡單的多學科設(shè)計問題［4］。

本設(shè)備的減重設(shè)計中，質(zhì)量為一致性約束，目標為滿足環(huán)境適應(yīng)性中的結(jié)構(gòu)強度和散熱要求，設(shè)計變量主要為結(jié)構(gòu)件形狀。學科分析主要為結(jié)構(gòu)強度分析(力學性能分析)和熱分析。結(jié)構(gòu)強度和散熱均與質(zhì)量有密不可分的聯(lián)系。在正樣機分析設(shè)計中，主要考慮在初樣機設(shè)計基礎(chǔ)上改動較大的部分。通過簡化，建立一個典型的三學科分析模型，見圖4。其中，Xs為各學科共享的設(shè)計變量，如結(jié)構(gòu)件厚度、外形尺寸等;Xi(i=1，2，3)為各學科單獨需要的設(shè)計變量。

圖3 一致性約束優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)圖

圖4 典型的多學科耦合模型

2.1 結(jié)構(gòu)強度分析

對設(shè)備進行整體減重后，將模塊部分與初樣機對比分析后發(fā)現(xiàn)剛度和強度差不多，但是新增加的過渡底板需要進行設(shè)計驗證。第一次底板設(shè)計如圖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對底板在給定隨機振動條件下的強度進行評估

模型中零件的材料為鋁合金，具體力學性能參數(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)計底板后重新進行評估

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

圖6 振動條件及各方向的標準差應(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 改進后的底板及各方向的標準差應(yīng)力結(jié)果

2.2 電源模塊熱分析

與初樣機相比，其余幾個模塊的散熱設(shè)計方案均無大的變化，而電源模塊由于面積縮小后取消了風機，由強迫風冷散熱改為自然散熱，因此，必須對散熱設(shè)計進行仔細的計算復核。

由初樣機熱測試結(jié)果可知，當電源內(nèi)部主要散熱器件安裝底面溫度不超過110℃時，該模塊可以正常工作。因此，熱設(shè)計的目標是優(yōu)化散熱齒，讓器件安裝底面溫度不超過110℃，同時質(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在滿足安裝底面溫度不超過110℃的同時，質(zhì)量最小，在電路設(shè)計時將熱耗最大器件分布在邊緣位置，可進一步降低溫度0.5℃左右。

表3 各種散熱齒對比分析結(jié)果

圖9 各種形狀散熱齒熱分析溫度云圖

3 驗證結(jié)果

3.1 質(zhì)量驗證

從表4中數(shù)據(jù)可知，該減重方案取得預(yù)期效果，達到設(shè)計指標。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性試驗

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

表4 各階段質(zhì)量數(shù)據(jù)對比 kg

4 結(jié)束語

本文結(jié)合傳統(tǒng)的減重設(shè)計方法并在設(shè)計過程中結(jié)合結(jié)構(gòu)強度、散熱等多個學科的優(yōu)化設(shè)計以達到整體最優(yōu)解，最終成功使設(shè)備減重23%。本文只運用了多學科綜合優(yōu)化的設(shè)計手段中的其中一種，隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的日趨精密復雜，其他更為先進和復雜的多學科綜合優(yōu)化設(shè)計方法將得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］盧涼，馮剛英，方偉.多學科優(yōu)化技術(shù)在航空電子設(shè)備設(shè)計中的應(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.

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