周海亮

（洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)471000）

1 概述

對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)而言，輕量化已成為整機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)，貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中。產(chǎn)品重量已成為與對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的重要致勝指標(biāo)。機(jī)載電子設(shè)備包含電路部分和結(jié)構(gòu)部分，其輕量化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，需要基于產(chǎn)品功能和性能進(jìn)行整體布局緊湊型設(shè)計(jì)、模塊輕量化設(shè)計(jì)、線束輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了多輪反復(fù)迭代，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)。

2 主要應(yīng)用技術(shù)

機(jī)載電子設(shè)備性能主要包括電氣性能和結(jié)構(gòu)性能兩方面，輕量化作為機(jī)載電子設(shè)備性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也應(yīng)從電氣和結(jié)構(gòu)兩方面開(kāi)展相關(guān)工作。

下文主要闡述機(jī)載電子設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用技術(shù)。

2.1 整體布局緊湊性設(shè)計(jì)

機(jī)載電子設(shè)備包含電路部分和結(jié)構(gòu)部分，電路部分一般包括功能模塊、母板、航空連接器等；結(jié)構(gòu)部分一般包含機(jī)箱和安裝支架，作為電路部分的固定和支撐平臺(tái),。機(jī)載電子設(shè)備整體布局設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：

首先結(jié)合產(chǎn)品的功能需求進(jìn)行合理的功能模塊劃分，在產(chǎn)品有限空間內(nèi)進(jìn)行整體布局緊湊型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各功能模塊、母板、航空連接器等信號(hào)交聯(lián)；保證各功能模塊在產(chǎn)品內(nèi)的布局緊湊、功能齊全和維修方便。

其次綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性，包括高低溫、振動(dòng)、電源特性和電磁兼容性等，對(duì)產(chǎn)品的散熱方式、模塊安裝和排布進(jìn)行綜合評(píng)估設(shè)計(jì)。

常見(jiàn)的機(jī)載電子設(shè)備布局如圖1 所示。

產(chǎn)品在整體布局緊湊性設(shè)計(jì)時(shí)，要逐項(xiàng)檢查各項(xiàng)結(jié)構(gòu)需求，保證結(jié)構(gòu)滿足緊湊性設(shè)計(jì)需求。

2.2 功能模塊輕量化設(shè)計(jì)

各功能模塊作為機(jī)載電子設(shè)備電路部分的重要組成部分，主要由印制板、冷板、元器件和鎖緊裝置等組成，如圖2 所示。目前機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)功能模塊優(yōu)先考慮成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊（寬度和高度方向尺寸標(biāo)準(zhǔn)），隨著產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)要求的提出，越來(lái)越多的功能模塊需要進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。

圖1 機(jī)載電子設(shè)備常見(jiàn)布局

圖2 功能模塊組成示意圖

圖3 有限元分析步驟

功能模塊的輕量化設(shè)計(jì)主要包括以下方面：

a.根據(jù)產(chǎn)品功能需求，合理分配功能模塊組成，盡量減少功能模塊數(shù)量；

b.根據(jù)模塊功能需求，選用體積小重量輕的元器件，合理布局電路板空間，設(shè)計(jì)出集成度高、功能強(qiáng)大的模塊；

c.根據(jù)模塊散熱需求，對(duì)模塊冷板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，降低冷板重量在功能模塊總重中的比例。

2.3 線束輕量化設(shè)計(jì)

線束設(shè)計(jì)作為機(jī)載電子設(shè)備的重要設(shè)計(jì)部分，在輕量化設(shè)計(jì)時(shí)由于此部分復(fù)雜且不易直接測(cè)量，往往被忽略，同一批次產(chǎn)品在交付過(guò)程中個(gè)別產(chǎn)品出現(xiàn)超重現(xiàn)象，其主要原因就歸結(jié)于線束走線問(wèn)題，隨著產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越強(qiáng)烈，線束輕量化設(shè)計(jì)也逐漸提上日程。

線束重量主要包括以下幾個(gè)方面：

a.線纜自身重量；

b.線束結(jié)構(gòu)件（主要為壓線夾）重量；

c.其他輔料（捆扎線、熱縮套管和黃蠟綢）重量。

因此，線束輕量化設(shè)計(jì)時(shí)可采取以下設(shè)計(jì)措施：

線束結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì):

線束結(jié)構(gòu)件主要是壓線夾，在強(qiáng)度允許的情況下，壓線夾設(shè)計(jì)選用鋁材，同時(shí)在滿足使用要求的情況下，可以適量開(kāi)一些工藝減重孔，以減少零部件的重量。

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì):

狹義的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)象專(zhuān)指結(jié)構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)件在滿足使用要求的情況下，結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度好、體積小、質(zhì)量輕為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中,有限元分析法（FEA）是不可或缺的(有限元分析法的產(chǎn)生得益于飛機(jī)制造的輕量化)。有限元分析法近年來(lái)已應(yīng)用的非常廣泛，現(xiàn)已成為創(chuàng)收達(dá)數(shù)十億美元的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，即使是很復(fù)雜的應(yīng)力問(wèn)題的數(shù)值解，現(xiàn)在用有限元分析的常規(guī)方法就能達(dá)到。聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋?zhuān)河邢拊ㄗ罱K導(dǎo)致聯(lián)立方程組。在實(shí)踐中，有限元分析大致可分成三個(gè)步驟，前處理、分析和后處理。如圖3 所示。

前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。設(shè)計(jì)者總是通過(guò)有限元分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)有限元法對(duì)工程的求解，程序性工作都變成由CAE 軟件來(lái)完成。建立正確的有限元模型、制定合理的網(wǎng)格劃分方式、施加與實(shí)際相符的激勵(lì)、根據(jù)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就構(gòu)成了設(shè)計(jì)師的主要工作。

機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)一般包括機(jī)箱和安裝支架，二者的組成均為板類(lèi)零部件，對(duì)于板類(lèi)零部件，開(kāi)孔與開(kāi)槽是最常用的結(jié)構(gòu)減重方式。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常根據(jù)設(shè)計(jì)要求，依靠自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參考其他類(lèi)似的結(jié)構(gòu)粗略地設(shè)定減重孔與減重槽的初始構(gòu)型，從而去除結(jié)構(gòu)中對(duì)傳力影響較小的材料，然后基于形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對(duì)減重孔的形狀尺寸及深度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；盡管應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，但這種設(shè)計(jì)方法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果往往不是“最輕的”，仍有巨大的提升空間，且難以得到輕量化的設(shè)計(jì)結(jié)果。

因此需結(jié)合有限元分析法，通過(guò)設(shè)定了一定的約束條件（如材料和最大應(yīng)力等）和目標(biāo)（如質(zhì)量最小等）下，在設(shè)定的可行域內(nèi)，尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式和減重方案。有限元分析法克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)的依賴性，從根本上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化減重，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)。

總結(jié)與展望:

本文以機(jī)載電子設(shè)備為研究對(duì)象，展開(kāi)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。結(jié)合整體布局輕量化設(shè)計(jì)、功能模塊輕量化設(shè)計(jì)、線束輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的有限元分析手段，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，無(wú)法準(zhǔn)確分析細(xì)節(jié)特征對(duì)分析結(jié)果的影響，導(dǎo)致分析結(jié)果存在偏離情況，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)及客戶使用情況，進(jìn)一步修正輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)。