解曉龍 何明珠

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所 天津市 300384）

近年來(lái)，隨著我國(guó)商業(yè)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，低軌微小衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用，電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的“心臟”，為衛(wèi)星平臺(tái)和載荷提供能源，電源控制器作為電源分系統(tǒng)中重要的單機(jī)，起到能量管理、變換和分配的功能。比功率作為電源控制器的重要性能指標(biāo)，是指整機(jī)功率與整機(jī)重量的比值，在整機(jī)功率不變的前提下，電源控制器的輕量化設(shè)計(jì)能夠提升比功率，有效的降低發(fā)射成本，符合商業(yè)航天領(lǐng)域低成本的需求。本文結(jié)合高比功率微小衛(wèi)星電源控制器項(xiàng)目的研制，在滿(mǎn)足可靠性要求的前提下，應(yīng)用鎂鋁合金作為電源控制器的主體結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用軟件仿真分析和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證其工程實(shí)用性，為高比功率微小衛(wèi)星電源控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 電源控制器結(jié)構(gòu)材料的選取

為有效降低衛(wèi)星的發(fā)射成本，密度小的輕金屬是目前航天領(lǐng)域主要采用的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主體金屬材料。其中鋁合金密度低，具有較高的比強(qiáng)度和比模量，工藝性能良好，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，且價(jià)格低廉，是衛(wèi)星電源控制器主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的材料。相較于鋁合金，鎂鋁合金是目前輕金屬材料中密度最小的材料，其密度更小，比強(qiáng)度和比模量均比較高，減振性能好，可承受較大的沖擊載荷，同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性[1]。

鋁合金和鎂鋁合金物理性能對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可知，鎂鋁合金材料的密度約為鋁合金的2/3，可大大減輕電源控制器結(jié)構(gòu)主體重量，有效提高電源控制器比功率，且其實(shí)際的剛度性能指數(shù)一般高于鋁合金。雖然鎂鋁合金抗拉強(qiáng)度、延伸率及熱導(dǎo)率低于鋁合金，但可通過(guò)電源控制器主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理布局和發(fā)熱量大的元器件的布置，滿(mǎn)足整機(jī)抗力學(xué)環(huán)境及熱設(shè)計(jì)，具備一定的設(shè)計(jì)裕度，滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。

表1：鋁合金和鎂鋁合金物理性能對(duì)比

圖5：Y 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

本電源控制器結(jié)構(gòu)選取鎂鋁合金作為主體材料。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電源控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在給定的各類(lèi)載荷條件下通過(guò)選擇構(gòu)型，確定印制板的結(jié)構(gòu)尺寸、印制板上元器件布局、印制板的邊緣固定，調(diào)整電路板組件的安放位置以及通過(guò)改變結(jié)構(gòu)阻尼等一系列措施達(dá)到滿(mǎn)足設(shè)備的強(qiáng)度和剛度的要求，并改善元器件的力學(xué)環(huán)境條件，保證電源控制器能正常工作。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分級(jí)進(jìn)行分析，除對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析外，還需對(duì)電路板內(nèi)部組件進(jìn)行模態(tài)和動(dòng)力響應(yīng)分析，電路板上的元器件是電源控制器的關(guān)鍵部分，其性能直接影響整機(jī)的性能。另外，也需對(duì)產(chǎn)品熱環(huán)境進(jìn)行分析，具體分析元器件的溫度滿(mǎn)足降額設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目電源控制器結(jié)構(gòu)由4 類(lèi)共6 個(gè)模塊組成，按功能分為分流模塊、充放電模塊、濾波模塊以及配電模塊，均采用鎂鋁合金材料作為主體材料，總體結(jié)構(gòu)重量相較鋁合金結(jié)構(gòu)減重1kg。根據(jù)各功能模塊內(nèi)部元器件種類(lèi)及PCB 板的布置，綜合考慮力、熱和工藝性等設(shè)計(jì)要求，合理布局，優(yōu)化整機(jī)外形尺寸及單模塊壁厚，以減輕重量，提高機(jī)箱整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，保證單機(jī)的熱特性。

采用鎂鋁合金優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電源控制器三維結(jié)構(gòu)外形圖如圖1所示。

圖1：電源控制器三維結(jié)構(gòu)外形圖

3 結(jié)構(gòu)抗力學(xué)環(huán)境仿真分析

電源控制器結(jié)構(gòu)抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)校核主要有兩部分工作，分別為強(qiáng)度校核和剛度校核。其中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是指結(jié)構(gòu)抵抗破壞或者塑性變形的能力，強(qiáng)度分析主要包括電源控制器的結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)載荷條件下的應(yīng)力分析，使其應(yīng)力安全裕度大于零。安全裕度是表示結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度的剩余系數(shù)，其計(jì)算方法如下所示：

表 3：高溫工況整機(jī)主要功率元器件溫度

其中：MS——安全裕度；

fs——安全系數(shù)，一般取為1.35；

σf——許用破壞應(yīng)力，MPa，脆性材料取強(qiáng)度極限σb，其它材料取彈性極限 σ0.2；

σmax——計(jì)算應(yīng)力，在各種載荷作用下計(jì)算得到結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力值，MPa，在各種載荷（各種振動(dòng)，最大準(zhǔn)靜態(tài)載荷）作用下計(jì)算得到結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力值。

結(jié)構(gòu)剛度在靜態(tài)時(shí)是指結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，在動(dòng)態(tài)時(shí)指結(jié)構(gòu)的固有頻率高低，結(jié)構(gòu)需具備足夠的剛度，以便在經(jīng)受環(huán)境載荷作用下不回產(chǎn)生超額的彈、塑變形，并具有足夠高的結(jié)構(gòu)固有頻率，不致產(chǎn)生動(dòng)力耦合現(xiàn)象和過(guò)大的動(dòng)力響應(yīng)載荷。一般情況下，往往用固有頻率值作為剛度的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)應(yīng)確保結(jié)構(gòu)基頻大于規(guī)定的值，按要求電源控制器結(jié)構(gòu)基頻應(yīng)大于100Hz。

本項(xiàng)目中，利用CATIA 軟件對(duì)應(yīng)用鎂鋁合金材料的結(jié)構(gòu)三維實(shí)體進(jìn)行建模，并進(jìn)行仿真分析前的模型簡(jiǎn)化。后將簡(jiǎn)化后的模型轉(zhuǎn)換格式，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 軟件中進(jìn)行有限元分析，通過(guò)模型預(yù)處理、網(wǎng)格劃分等設(shè)置，在給定的抗力學(xué)環(huán)境輸入條件下進(jìn)行模態(tài)分析及隨機(jī)響應(yīng)分析[2]計(jì)算，以進(jìn)行電源控制器結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度校核，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

利用ANSYS WORKBENCH 軟件中特定功能模塊在給定的輸入條件下分別對(duì)簡(jiǎn)化的電源控制器模型進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析。

3.1 模態(tài)分析

利用Modal 模塊對(duì)前處理后的模型進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

電源控制器結(jié)構(gòu)基頻為221.63Hz，大于100Hz，其頻率特性滿(mǎn)足總體對(duì)電源控制器提出的設(shè)計(jì)要求。其第一階模態(tài)振型和第二階模態(tài)振型如圖2 和圖3所示。

圖2：結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型

圖3：結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)振型

3.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

利用Response Vibration 模塊對(duì)電源控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，以進(jìn)行強(qiáng)度校核，給定的隨機(jī)振動(dòng)輸入條件如表2所示。

表2：隨機(jī)振動(dòng)條件

隨機(jī)響應(yīng)分析可以得出結(jié)構(gòu)在X、Y、Z 三方向輸入條件下的應(yīng)力響應(yīng)，如圖4-圖6所示，選取安全系數(shù)f=1.35，計(jì)算可得各方向安全裕度Ms>0，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，可以在星上安全可靠的使用。

圖4：X 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖6：Z 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

通過(guò)以上抗力學(xué)環(huán)境分析仿真分析可知，在衛(wèi)星總體給定的輸入條件下，采用鋁鎂合金的電源控制器結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足星上使用要求。

4 結(jié)構(gòu)熱分析

結(jié)合電源控制器所處艙內(nèi)熱環(huán)境和本身的結(jié)構(gòu)布局，合理組織元器件散熱通道以及整機(jī)的散熱途徑，使元器件溫度（結(jié)溫）滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的I 級(jí)降額溫度指標(biāo)要求。

利用I-DEAS 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體進(jìn)行建模及模型簡(jiǎn)化進(jìn)行有限元分析，依據(jù)以下條件進(jìn)行熱分析。

（1）邊界條件：為了計(jì)算高溫工況下電源控制器內(nèi)部各個(gè)元器件的溫度，將艙板設(shè)為定溫邊界50℃。

（2）熱耦合條件：根據(jù)元器件的安裝方式計(jì)算元器件與安裝板之間的熱阻 ，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。

在高溫工況下計(jì)算出電源控制器整機(jī)溫度分布如圖7所示。

圖7：高溫工況整機(jī)溫度分布

高溫工況下各主要功率元器件的溫度如表3所示。

通過(guò)表3 分析可知，采用鎂鋁合金材料的電源控制器結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)合理，在設(shè)定的邊界條件下各元器件均工作在正常溫度范圍內(nèi)，溫度指標(biāo)滿(mǎn)足降額設(shè)計(jì)要求。

5 環(huán)境試驗(yàn)

結(jié)合仿真分析的結(jié)果，對(duì)本項(xiàng)目電源控制器依照總體提供的試驗(yàn)大綱進(jìn)行驗(yàn)收級(jí)力、熱環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖8所示。試驗(yàn)過(guò)程中電性能穩(wěn)定正常，結(jié)構(gòu)完整性良好，溫度在要求范圍內(nèi)，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，證明采用鎂鋁合金材料的電源控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。

圖8：環(huán)境試驗(yàn)

6 結(jié)論

采用鎂鋁合金作為主體材料的電源控制器結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)重量相較鋁合金主體材料減重1kg，在整機(jī)功率不變的情況下，比功率提高約40W/kg，且通過(guò)仿真分析及環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，合理可行，可以直接面向商業(yè)航天空間工程進(jìn)行應(yīng)用。