張志富

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇連云港 222006）

0 引言

掃海探照燈是一款用于船舶夜間搜索的強(qiáng)光探照燈。在探照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，燈具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散熱及可靠性的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)要解決的問(wèn)題，如何將材料力學(xué)及熱學(xué)的理論知識(shí)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)很好地應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為提升產(chǎn)品技術(shù)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵，本文主要從這兩個(gè)方面對(duì)該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究和探討。

1 計(jì)算機(jī)有限元仿真分析技術(shù)

在對(duì)一些受力零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的就是要通過(guò)材料選擇和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證零件強(qiáng)度能承受其所受外力的作用而不致變形或損壞，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。這一問(wèn)題可以歸結(jié)為材料力學(xué)中的應(yīng)力分析問(wèn)題。應(yīng)力分析主要是研究構(gòu)件在外力作用下的變形、受力與破壞的規(guī)律，為合理設(shè)計(jì)構(gòu)件提供有關(guān)強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性分析的理論方法[1]。應(yīng)力分析通常采用有限元分析的方法，將實(shí)體分解成一定數(shù)量的單元要素，在對(duì)每一個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)方面的計(jì)算，求出總體應(yīng)力分布情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以將應(yīng)力分析問(wèn)題通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法來(lái)解決，通過(guò)應(yīng)力分析輔助軟件，可以在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中直接對(duì)零部件進(jìn)行應(yīng)力分布檢查，可以快速地找出設(shè)計(jì)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)正是基于這一思想，通過(guò)對(duì)零部件進(jìn)行應(yīng)力仿真分析從而判斷設(shè)計(jì)的合理性。本文主要通過(guò)Solidwoks軟件的simulink模塊進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的靜力學(xué)應(yīng)力分析，SolidWorks Simu?lation是一個(gè)與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化[2]。

設(shè)計(jì)的掃海探照燈整體效果如圖1所示。燈體主要由燈體、面罩、光學(xué)裝置、風(fēng)扇、密封墊、前蓋和后蓋七個(gè)主要部分組成。產(chǎn)品的受力零件主要是燈殼和內(nèi)部的支撐托架，為了仿真方便直觀，在建模時(shí)去掉了燈具中其他零部件，只保留燈具外殼和內(nèi)部的支撐架（如圖2所示），主要通過(guò)應(yīng)力分析來(lái)驗(yàn)證這兩個(gè)零件設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否符合要求。

圖1 掃海探照燈燈體組成分解圖

1.1 燈殼應(yīng)力仿真分析

根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，燈具外殼表面要求能承受海水鹽霧腐蝕，且有足夠的強(qiáng)度承受外界的沖擊，同時(shí)滿足重量設(shè)計(jì)及美觀的要求，鑒于以上考慮，選擇1.5 mm厚度的不銹鋼鋼板，通過(guò)折彎和焊接成型。此不銹鋼牌號(hào)為0Cr17Ni12Mo2的不銹鋼，具有較強(qiáng)的耐海水腐蝕性能，材料的密度為7.78 g/cm3，屈服強(qiáng)度為206 MPa。下面對(duì)燈殼進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)有限元分析特點(diǎn)，首先對(duì)建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖3所示。

圖2 燈具外殼簡(jiǎn)化模型

圖3 網(wǎng)格化的燈具外殼模型

為了使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，選擇網(wǎng)格單元大小為0.2 mm。根據(jù)燈具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，燈具將作為負(fù)載通過(guò)兩側(cè)安裝孔固定在承載體上，因此燈具的主要受力點(diǎn)為兩側(cè)安裝孔處，按設(shè)計(jì)重量為30 kg估算，由于兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，每邊受力點(diǎn)承受的力約為30*9.8/2=147 N。在確定好受力位置和受力大小后，開(kāi)始對(duì)燈殼進(jìn)行應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 燈殼應(yīng)力及變形分布圖解

圖5 燈殼安全系數(shù)分布圖解

根據(jù)以上圖解可以得知，零件所受最大應(yīng)力為11.35 MPa，最大變形位移為2.15×10-4mm，最小安全系數(shù)為18.21。由于材料的屈服強(qiáng)度為206 MPa，且最大變形位移很小可以忽略，最小安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，可以得出結(jié)論：該零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，零件受力點(diǎn)在承受147 N的情況下是安全的。

1.2 支架應(yīng)力分析

支架為燈具內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)件，主要起支撐內(nèi)部構(gòu)件的作用，考慮燈具總體重量的限制，設(shè)計(jì)原則是內(nèi)部構(gòu)件在滿足安裝的前提下盡量輕便且加工簡(jiǎn)單，為此選用輕質(zhì)鋁合金2A12作為支架材料，采用折彎成型。其材料屈服強(qiáng)度為125 MPa，密度為2.7 g/cm3。支架受力面為其水平面，按內(nèi)部零件重量為15 kg估算，由于兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，每邊承受的力約為15*9.8/2=73.5 N。同樣，對(duì)支架進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 支架應(yīng)力及變形分布圖解

圖7 支架安全系數(shù)分布圖解

根據(jù)以上圖解可以得知，零件所受最大應(yīng)力為6.9 MPa，最大變形位移為2.47×10-2mm，最小安全系數(shù)為18.08。由于材料的屈服強(qiáng)度為125 MPa，且最大變形位移很小在允許誤差范圍內(nèi)，最小安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，可以得出結(jié)論：該零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，零件受力點(diǎn)在承受73.5 N的情況下是安全的。

2 散熱機(jī)理研究

2.1 散熱方式分類(lèi)及選擇

實(shí)踐表明，電子元件的故障隨元件溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增加。為了提高電子設(shè)備的工作性能和可靠性，必須進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)。要研究散熱設(shè)計(jì)，首先應(yīng)了解散熱的方式和類(lèi)型。根據(jù)熱量的傳遞方式及機(jī)理不同，可以分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種主要方式。導(dǎo)熱是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞[3]。通常發(fā)生在相互接觸的固體之間，固體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的與之接觸的另一固體。對(duì)流是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷熱流體相互滲透所引起的熱量傳遞的過(guò)程。就引起流動(dòng)的原因而論，對(duì)流換熱可區(qū)分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩類(lèi)。自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部各部分溫度的不均勻而引起的自然流動(dòng)，強(qiáng)制對(duì)流是由于流體的流動(dòng)是靠外部動(dòng)力源產(chǎn)生壓差（泵和風(fēng)扇）而形成的。對(duì)于本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)而言，由于燈體為完全密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)外流體不直接接觸，無(wú)法形成自然對(duì)流，燈體表面輻射散熱由于其量綱為10-5相比燈具功率來(lái)說(shuō)很小可以忽略，這里主要研究燈體內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流散熱設(shè)計(jì)過(guò)程及原理。

2.2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)扇選型原理

本產(chǎn)品選用氙氣燈作為光源，由于熱源為氙氣燈光源，不與燈體外壁直接接觸，且燈體為完全密封結(jié)構(gòu)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，選擇在燈體內(nèi)部安裝風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流散熱方式。通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流加速空氣流動(dòng)，使熱量盡快地傳遞到壁上從而散發(fā)到外部。本文主要從風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)扇選型兩個(gè)方面來(lái)研究對(duì)流散熱問(wèn)題。

風(fēng)道設(shè)計(jì)的主要原則是盡可能減少空氣沿途阻力，且保證有足夠空間循環(huán)通道使空氣在通道內(nèi)不斷循環(huán)流動(dòng)。這里綜合考慮燈具整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證有足夠空間來(lái)形成空氣對(duì)流且不致造成空間和材料的浪費(fèi)，如圖8所示，殼體外壁和反光罩外沿之間的空白部分為氣流循環(huán)通道，風(fēng)扇安裝殼體背部且軸心與反光罩重合，當(dāng)風(fēng)扇加速空氣流動(dòng)時(shí)，氣流在燈具內(nèi)部密閉空間中會(huì)沿通道流動(dòng)形成循環(huán)氣流。

圖8 風(fēng)道空間結(jié)構(gòu)示意圖

強(qiáng)制對(duì)流研究風(fēng)扇的主要參數(shù)是風(fēng)速和風(fēng)量。因此怎樣對(duì)氣體循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行選擇和控制，使其在經(jīng)濟(jì)、適宜的風(fēng)速范圍保證溫度場(chǎng)均勻，就顯得至關(guān)重要。要確定風(fēng)扇的風(fēng)速和風(fēng)量，要借助傳熱學(xué)知識(shí)建立對(duì)流換熱方程來(lái)求解。

根據(jù)牛頓冷卻公式有：

式（1）中：Q—元件的損耗功率（W），這里主要是氙氣燈的消耗功率；

h—流體對(duì)流換熱表面換熱系數(shù)（W/m2K）；

S—散熱面積，這里指空氣通道的截面積；

tw—元件表面溫度（℃）流體溫度；

tа—環(huán)境溫度（℃）。

將燈體中流體通道近似為環(huán)形管道，則有：

式（2）中，D為燈外壁直徑（這里近似為圓形），d為反光罩直徑。

表面換熱系數(shù)的影響因數(shù)較多，理論研究及數(shù)學(xué)解析比較復(fù)雜，從實(shí)際工程應(yīng)用的角度考慮，按照傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)分析法將模型及流體狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將流體流動(dòng)近似等效為強(qiáng)制對(duì)流中內(nèi)部流動(dòng)紊流情況，同時(shí)將流體流速與溫度及表面換熱系數(shù)建立關(guān)系式，有如下對(duì)流換熱的特征數(shù)方程（也稱(chēng)準(zhǔn)則方程），具體推導(dǎo)過(guò)程比較復(fù)雜，這里僅給出表達(dá)式：

（3）式也稱(chēng)為迪貝斯-貝爾特修正公式，是為簡(jiǎn)化求解散熱方程步驟方便通過(guò)實(shí)驗(yàn)法得到的經(jīng)驗(yàn)公式。其中，Nu稱(chēng)為努塞爾數(shù)，是表征流體無(wú)量綱溫度梯度的物理量；Re稱(chēng)為雷諾數(shù)，是決定流體流動(dòng)狀態(tài)的一種度量；Pr稱(chēng)為普朗特?cái)?shù)，是熱量擴(kuò)散能力的一種度量。l是流體界面高度，ω是流體的流速（m/s），λ是流體的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K），v是流體的運(yùn)動(dòng)粘度，是在相同溫度下動(dòng)力粘度與密度的比值，單位為m2/s。

綜合以上四式，其中，λ、Pr、v可由流體的物理特性表查得。溫度根據(jù)使用環(huán)境要求也為已知量，只有流體的流速為未知量，通過(guò)以上經(jīng)驗(yàn)公式可以求出流體流速，具體求解過(guò)程這里不再累述。這里近似認(rèn)為流體流速等于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，至此風(fēng)扇的參數(shù)可以確定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)掃海探照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的理論依據(jù)。首先采用計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，為結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)提供了可視化的數(shù)據(jù)分析，使各部分強(qiáng)度達(dá)到合理的匹配，有效地提高了設(shè)計(jì)效率，保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。借助傳熱學(xué)的基本原理和經(jīng)驗(yàn)公式，為散熱方式和散熱裝置的設(shè)計(jì)選擇提供了充分的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］任亞洲，張蕾.基于Solidworks Simulation刮板輸送機(jī)軌座結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2017（1）：152-153.

［3］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2010.