韓鐘劍，葉林梅，李兵強(qiáng)，劉文超

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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鎂鋰合金在機(jī)載電子設(shè)備輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韓鐘劍，葉林梅，李兵強(qiáng)，劉文超

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

詳細(xì)闡述了某機(jī)載電子設(shè)備小型化與輕量化設(shè)計(jì)思路與方法，首次對(duì)設(shè)備內(nèi)部模塊采用鎂鋰合金材料，并通過振動(dòng)仿真結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，使該設(shè)備在機(jī)載環(huán)境情況下滿足小型化與輕量化的設(shè)計(jì)要求。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；小型化；輕量化；模塊化；鎂鋰合金；振動(dòng)仿真

0 引 言

由于機(jī)載環(huán)境要求嚴(yán)格，情況復(fù)雜惡劣，載機(jī)的資源有限，故電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)上要求體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、維修方便[1]。機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)有效地保證了減重措施，提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。通過長期的設(shè)計(jì)改進(jìn)及實(shí)踐，在機(jī)載電子設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了小型化與輕量化設(shè)計(jì)，在模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用鎂鋰合金，使整個(gè)結(jié)構(gòu)非常輕巧，操作方便，有效減輕了載機(jī)重量，并且提高了設(shè)備的可靠性及維修性。

1 某機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與方法

1.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

該小型化機(jī)載電子設(shè)備、安裝架及附件參照GJB441-1988《機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱安裝架的安裝形式和基本尺寸》和GJB779-1989《機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱和安裝架通用規(guī)范》的要求設(shè)計(jì)。按照新研航空機(jī)載機(jī)箱(ATR)型設(shè)備電纜插座設(shè)計(jì)在機(jī)箱的后部，設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)托架安裝和前維修方式。

該小型化機(jī)載電子設(shè)備由機(jī)箱、模塊和托架組成，外形尺寸220 mm(寬)×215 mm(高)×370 mm(深)，重量≤18 kg，整機(jī)安裝在托架上，通過定位銷與鎖緊機(jī)構(gòu)固定，托架通過螺釘固定在機(jī)艙機(jī)柜上。設(shè)備外形如圖1所示。

1.2 小型化設(shè)計(jì)

電源模塊小型化設(shè)計(jì)：原機(jī)載電子設(shè)備有2個(gè)電源模塊，分別是安裝在前蓋內(nèi)部的電源模塊1和安裝在主框中的電源模塊2。這2個(gè)模塊體積大，占用地方多，布線雜亂。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局，采用低功耗、高效率的小型化電源模塊，輸入與輸出綜合，將2個(gè)電源模塊合二為一，在功能不變前提下，有效減輕重量與體積。

光端機(jī)小型化設(shè)計(jì)：原光端機(jī)作為一個(gè)可更換單元(LRU)外掛設(shè)備與主機(jī)設(shè)備相連，經(jīng)重新設(shè)計(jì)，將光端機(jī)作為一個(gè)模塊裝在機(jī)箱里；將設(shè)備間互聯(lián)航空插頭改為板間帶屏蔽連接器。難點(diǎn)是光纖具有彎曲半徑要求，而走線板與前面板間距很小，因此從結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為面板航空插頭與光端機(jī)模塊錯(cuò)開一定距離，保證光纖彎曲半徑，并且采用特制的光纖連接器MT頭與母板LRM頭互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)連通。

根據(jù)新研設(shè)備功能要求去掉衛(wèi)導(dǎo)模塊；其他功能模塊沿用原設(shè)計(jì)，通過小型化設(shè)計(jì)，使整機(jī)在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，布局更加合理。該機(jī)載電子設(shè)備體積減小20%，完全滿足了設(shè)計(jì)需求。設(shè)備小型化設(shè)計(jì)變化前后爆炸圖如圖2所示。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)使整機(jī)具有良好的可維護(hù)性、可拆卸性、可更換性,避免了整機(jī)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)雜、亂、散的現(xiàn)象, 同時(shí)對(duì)小型化、輕量化起到作用。

將整機(jī)按功能分為數(shù)據(jù)處理、收發(fā)信道、數(shù)字中頻、電源變換和光端機(jī)等模塊。各模塊均設(shè)計(jì)為密封屏蔽結(jié)構(gòu)，通過接口轉(zhuǎn)接單元進(jìn)行信號(hào)傳輸。模塊之間通過高速混裝連接器連接，實(shí)現(xiàn)了盲插，通過互相插合緊固實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接同步到位，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣、散熱的緊耦合結(jié)構(gòu)。整機(jī)內(nèi)部模塊組成如圖3所示。

1.4 減重設(shè)計(jì)

小型化、模塊化對(duì)整機(jī)輕量化的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，本小節(jié)主要針對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)減重。

在整機(jī)結(jié)構(gòu)件減重過程中，根據(jù)各零件功能原則來對(duì)其進(jìn)行減重[2]。第1類為輔助類零件，包括前蓋、后蓋，主要起封閉機(jī)箱的作用，不承受較大的力。第2類為無法減重類零件，主要為標(biāo)牌、鎖鉤等零件，該類零件本身重量較輕，由于本身大小或功能的限制，無減重余地。第3類為重要類零件，如主框,主要起支撐模塊和其他結(jié)構(gòu)件的作用及散熱作用。第4種為托架、支架等支撐件，該件著重考慮結(jié)構(gòu)的剛性，以防止剛性太差,還要考慮強(qiáng)度和疲勞特性，尤其是連接鎖鉤與定位銷處，以防止在使用過程中強(qiáng)度不足或發(fā)生疲勞破壞。

機(jī)箱、托架等結(jié)構(gòu)件沿用鋁合金5A06材料。機(jī)箱通過將前蓋、主框、后框的非承重部分壁厚削薄處理，從5 mm減少到2 mm；散熱齒減少厚度；用增加減重孔尺寸等方式進(jìn)行減重，并采取在非承重部位挖陣列長圓孔槽的方式進(jìn)行減重。

對(duì)托架進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。由于機(jī)箱的小型化設(shè)計(jì)，使得托架整體尺寸也隨之減小；此外減重部件為托板、定位板、支架等。厚度由3 mm減到2 mm，并進(jìn)行挖孔處理，托架定位板高度由原來的60 mm減到40 mm，中間開對(duì)稱長圓孔?？紤]到主機(jī)處理單元安裝于通信機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜已有減振，因此去掉減振器。

通過小型化與模塊化及結(jié)構(gòu)減重措施，整機(jī)重量由原來24.5 kg減重到19.8 kg，減重4.7 kg；但整機(jī)重量要求不大于18 kg，減重后重量依然超1.8 kg，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步減重。減重前后重量見表1。

表1 結(jié)構(gòu)減重前后重量對(duì)比

2 鎂鋰合金在模塊減重中的應(yīng)用及效果

2.1 鎂鋰合金特性與優(yōu)勢(shì)

Mg是密排六方(hcp)結(jié)構(gòu)金屬,滑移系少,只有(0001)1組滑移面,加工困難,限制了它的應(yīng)用[3]。Mg合金通過Li的合金化,使合金結(jié)構(gòu)由hcp結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐鬃冃蔚腷cc結(jié)構(gòu), 使合金塑性明顯提高[4]。而Mg-Li 合金是迄今最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具備超輕、高比強(qiáng)度、高比模量以及優(yōu)異的剛性等特點(diǎn)，使得該材料成為最具減重潛力的金屬結(jié)構(gòu)材料。

鎂鋰合金LZ91和鋁合金5A06材料物理特性對(duì)比如表2所示。從表2可以看出，鎂鋰合金的密度是鋁合金的1/2～3/5，其比強(qiáng)度大于鋁合金11%，比模量大于鋁合金14%，在相同重量條件下，鎂鋰合金的剛性是鋁的2.76倍，所需的鎂鋰合金材料重量僅為鋁材料的2/3左右，導(dǎo)電性能是鋁合金的22倍，熱導(dǎo)率約為鋁合金的2/3，內(nèi)耗系數(shù)是鋁合金的5～25倍，同時(shí)鎂鋰合金具有優(yōu)異的電磁屏蔽功能；此外，鎂鋰合金可焊接連接，具有良好的機(jī)械加工及冷成型能力。

表2 鎂鋰合金與其他結(jié)構(gòu)材料性能比較

2.2 不利因素的克服及減重效果

鎂和鋰都是活潑性很強(qiáng)的元素，因此，鎂鋰合金具有較強(qiáng)的活潑型，在潮濕或者腐蝕性的環(huán)境中容易產(chǎn)生氧化，耐腐性較差，必須經(jīng)過表面處理才能投入使用。目前，常用的表面處理方法有陽極電鍍、微弧氧化、熱噴涂、化學(xué)鍍等，經(jīng)過表面處理的鎂鋰合金具有較好的耐腐蝕性能[5]。

雖然鎂鋰合金采用成熟的表面處理技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了鹽霧、霉菌等環(huán)境適應(yīng)性要求，采用加裝鋼絲螺套與涂抹密封膠的防護(hù)方式提高螺釘孔表面抗腐蝕能力；但是由于機(jī)箱、托架裝機(jī)環(huán)境惡劣，機(jī)箱經(jīng)常拆卸、搬運(yùn)、維修、磕碰等因素非常容易破壞表面鍍層因而造成殼體腐蝕，所以鎂鋰合金不宜使用在機(jī)箱、托架等暴露結(jié)構(gòu)件上。而對(duì)于密閉機(jī)箱內(nèi)部模塊就可以大膽選用鎂鋰合金，不但有效克服了不利因素，而且達(dá)到了減重目的。如數(shù)據(jù)處理、數(shù)字中頻、收發(fā)信道、光端機(jī)模塊、模塊殼體與蓋板均采用鎂鋰合金材料進(jìn)行減重；對(duì)于散熱要求比較高的電源模塊散熱面采用鋁合金，蓋板采用鎂鋰合金結(jié)合方式進(jìn)行減重。內(nèi)部模塊采用新材料總計(jì)減重27% 左右。減重前后對(duì)比見表3。

表3 鎂鋰合金與其他材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性能比較

通過整機(jī)減重與模塊采用鎂鋰合金等一系列減重手段，該機(jī)載電子設(shè)備最終重量減到17.4 kg，累計(jì)減重約22%，優(yōu)于總體要求，不大于18 kg。與原機(jī)載電子設(shè)備相比，重量減輕7.1 kg左右，減重效果明顯。

3 振動(dòng)應(yīng)力仿真

3.1 機(jī)載環(huán)境條件

耐振動(dòng)要求：頻率范圍15～2 000 Hz；設(shè)備功能試驗(yàn)譜密度量值見圖4，耐久試驗(yàn)的功率譜密度量值為功能試驗(yàn)功率譜密度量值的1.6倍；在X、Y、Z3個(gè)軸向的功能試驗(yàn)時(shí)間1 h，耐久試驗(yàn)時(shí)間1 h；艙內(nèi)整機(jī)設(shè)備水平方向的功率譜密度值為垂直方向功率譜密度值的50%。 耐沖擊要求：峰值加速度20g；持續(xù)時(shí)間11 ms；沖擊試驗(yàn)波形為后峰鋸齒波，沖擊脈沖波形見圖5。沖擊方向：±X、±Y、±Z方向。沖擊次數(shù)：每個(gè)方向3次，3個(gè)軸線6個(gè)方向共18次。

3.2 有限元建模

對(duì)三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化之后在UG高級(jí)仿真中建立有限元模型，采用掃掠、單元大小控制及多區(qū)域劃分法，分別對(duì)機(jī)箱殼體、各模塊殼體以及電路板組件進(jìn)行單獨(dú)劃分，以保證網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足要求。最終計(jì)算得到的網(wǎng)格數(shù)量為167 512。簡(jiǎn)化后的機(jī)箱模型如圖6所示。網(wǎng)格劃分后機(jī)箱有限元模型如圖7所示。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)[6]。

對(duì)減重后的每個(gè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析，比較了減重前后和一階固有頻率的變化。零件經(jīng)過減重和加強(qiáng)筋優(yōu)化后，在重量大幅減輕的同時(shí)，一階固有頻率明顯提高，例如前蓋的重量減輕了20%，而一階固有頻率上升了22.6%，有力驗(yàn)證了減重措施的合理性。

整機(jī)的前6階模態(tài)固有頻率和振動(dòng)位置各不相同，一階固有頻率一般在300 Hz左右，而本文中的機(jī)載電子設(shè)備一階固有頻率為398.74 Hz，說明該機(jī)箱比一般機(jī)載電子設(shè)備剛性強(qiáng)。同時(shí)，有4階振動(dòng)位置都出現(xiàn)在前蓋，所以前蓋對(duì)應(yīng)于整機(jī)是薄弱之處，應(yīng)做加強(qiáng)處理。此外機(jī)箱整體振型比較均勻，整體剛度比較好。整機(jī)前3階模態(tài)如圖8所示。前6階模態(tài)分析結(jié)果見表4。

表4 前6階模態(tài)分析結(jié)果

3.4 隨機(jī)響應(yīng)分析

該機(jī)載電子設(shè)備整機(jī)采用前鎖鉤、后定位銷方式固定。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，整機(jī)隨機(jī)響應(yīng)應(yīng)力薄弱點(diǎn)發(fā)生在Z方向。Z方向隨機(jī)響應(yīng)應(yīng)力如圖9所示。從圖中可以看出，機(jī)箱上最大應(yīng)力為88.3 MPa，位于鎖鉤處。鎖鉤材料為45#鋼，在常溫下的屈服強(qiáng)度355 MPa。鎖鉤的最大應(yīng)力小于材料的疲勞極限，因此，在耐久振動(dòng)條件下鎖鉤不會(huì)發(fā)生破壞，設(shè)備強(qiáng)度滿足振動(dòng)要求。該電子設(shè)備的最大加速度為15.5g，位于前蓋下部。由于前蓋板為薄板而非承力件，其加速度不影響電子設(shè)備整體的加速度，可以滿足要求。

3.5 沖擊分析

為了評(píng)估機(jī)箱在給定輸入沖擊作用下的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)整機(jī)進(jìn)行沖擊分析。用瞬態(tài)響應(yīng)方法模擬安全沖擊圖譜。對(duì)機(jī)載電子設(shè)備3個(gè)方向加載沖擊譜進(jìn)行比較，得到機(jī)載電子設(shè)備Y向沖擊的應(yīng)力最大。最大沖擊應(yīng)力圖譜如圖10所示。最大沖擊應(yīng)力為174.6 MPa，位于鎖鉤處。因此該機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱能滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文詳述了小型化、模塊化、輕量化等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及鎂鋰合金在模塊殼體上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及效果，通過振動(dòng)應(yīng)力仿真手段，確保設(shè)備強(qiáng)度的同時(shí)使得設(shè)備體積減小20%，設(shè)備重量減小29%，小型化與輕量化效果非常明顯。后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該新研設(shè)備滿足機(jī)載環(huán)境試驗(yàn)要求。

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ApplicationofMg-LiAlloytoLightweightStructureDesignofAirborneElectronicEquipment

HAN Zhong-jian,YE Lin-mei，LI Bing-qiang,LIU Wen-chao
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

This article detailedly expatiates the design idea and method of miniaturization and lightweight for a certain airborne electronic equipment,and Mg-Li alloy is used as internal module material for the first time.By the method combining vibration simulation with test verification,the equipment can meet the requirements of miniaturization and lightweight design under the condition of airborne environment.

structural design；miniaturization;lightweight;modularization；Mg-Li alloy;vibration simulation

2017-05-12

V433;TN04

：A

：CN32-1413(2017)03-0104-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.025