陳旭

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

ASAAC 標(biāo)準(zhǔn)模塊是歐洲參照美國(guó)相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的一種LRM模塊標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于軍品和民用電子產(chǎn)品[1]。常用的電子設(shè)備冷卻方式有風(fēng)冷、液冷等，對(duì)于一些熱流密度不高的場(chǎng)合，風(fēng)冷仍是電子設(shè)備散熱中常用的散熱方式之一。另一方面，如何兼顧減重的同時(shí)，保證電子設(shè)備的力學(xué)強(qiáng)度，也是設(shè)計(jì)師需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。

1 機(jī)架的主要技術(shù)指標(biāo)

采用風(fēng)冷的散熱方式：總功耗≤ 970 W，并滿足散熱要求；總重量≤33.5 kg，并滿足力學(xué)要求。

2 機(jī)架的結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)架的主要組成

機(jī)架在結(jié)構(gòu)上主要由：風(fēng)機(jī)罩、前蓋板、后蓋板、頂板、底板、盒體、左圍框、左側(cè)板、右側(cè)板組成。模塊總計(jì)18個(gè)，文中用模塊1～模塊18表示。另外，機(jī)架還包括1個(gè)母板、1個(gè)濾波器、1個(gè)電池、5個(gè)風(fēng)機(jī)等，如圖1所示為機(jī)架爆炸圖。

頂板、底板，左、右側(cè)板、隔板和盒體為L(zhǎng)RM提供起拔、鎖緊和傳熱通路的機(jī)械、環(huán)境接口；風(fēng)機(jī)罩通過(guò)螺釘安裝在頂板和左圍框上，風(fēng)機(jī)罩為中空結(jié)構(gòu)，提供5個(gè)風(fēng)機(jī)的安裝接口。并且提供外部把手結(jié)構(gòu)，局部倒圓角處理，方便機(jī)箱的搬運(yùn)；而頂板、底板、左、右側(cè)板、隔板以及盒體均采用螺釘連接，可以完全拆分；另外，頂板、底板和隔板局部設(shè)計(jì)通腔，與風(fēng)機(jī)罩的開(kāi)孔一并形成風(fēng)道。

2.2 機(jī)架的模塊結(jié)構(gòu)形式

機(jī)架LRM按照ASAAC封裝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，截面尺寸為：233.4 mm×160 mm，厚度尺寸有24 mm、30 mm、20 mm共3個(gè)尺寸系列。

LRM模塊的結(jié)構(gòu)形式包括結(jié)構(gòu)件、連接器、鎖緊裝置及起拔裝置。模塊兩端肋片作為模塊在機(jī)架上安裝時(shí)的初步導(dǎo)向和模塊傳熱的作用。模塊盒體是承載模塊電氣功能單元的部件，有安裝、傳熱和電磁屏蔽等功能[2]。模塊鎖緊條用于實(shí)現(xiàn)模塊在機(jī)架上的緊固，同時(shí)提供模塊導(dǎo)向肋與機(jī)架構(gòu)件之間的接觸壓力，滿足模塊向機(jī)架傳熱的要求。

3 機(jī)架的重量及輕量化設(shè)計(jì)

由于機(jī)架為機(jī)載設(shè)備，為了使用方便，從設(shè)計(jì)之初就考慮進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)工作，即在不影響使用的情況下對(duì)機(jī)架進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。低頻機(jī)架的頂板、底板、風(fēng)機(jī)罩、盒體、左圍框等結(jié)構(gòu)件都采用防銹鋁5A06材料，并通過(guò)機(jī)加工工藝，將局部的厚度銑薄，零件局部厚度1 mm左右。減重后機(jī)架各組成部分的重量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所示，總重量滿足機(jī)架重量要求。

表1 機(jī)架各部分重量統(tǒng)計(jì)

4 散熱設(shè)計(jì)

機(jī)架中的主要熱源為9種共計(jì)18個(gè)模塊。機(jī)箱擬采用風(fēng)冷進(jìn)行散熱，使用五個(gè)某型號(hào)風(fēng)機(jī)抽風(fēng)散熱，模塊具體功耗見(jiàn)表2 。

根據(jù)裝機(jī)要求，機(jī)架采用自帶風(fēng)機(jī)散熱方式。由設(shè)備頂部風(fēng)機(jī)提供LRM冷卻介質(zhì)，通過(guò)LRM之間的風(fēng)道帶走熱量。

圖1 機(jī)架爆炸圖

表2 機(jī)架各模塊功耗

4.1 機(jī)架熱仿真

仿真計(jì)算的環(huán)境溫度為70 ℃，風(fēng)機(jī)采用某型號(hào)直流無(wú)刷風(fēng)機(jī)（額定電壓DC+28 V，轉(zhuǎn)速22 000 rpm，風(fēng)量大于105 CFM），總共5臺(tái)風(fēng)機(jī)。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，低頻機(jī)架上溫度分布情況見(jiàn)圖2所示。

模塊間的風(fēng)道流場(chǎng)分布如圖3所示，流動(dòng)跡線如圖所示。從圖3可以看到，各風(fēng)道的流速較為一致，且風(fēng)道間的溫度均勻性較好，各風(fēng)機(jī)均能有效地捕捉強(qiáng)迫空氣穿通流過(guò)模塊表面，從而實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)架的高效冷卻。

4.2 典型發(fā)熱模塊熱仿真

選取一種典型模塊發(fā)熱模塊（模塊15/模塊16）進(jìn)行熱仿真分析，相關(guān)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

根據(jù)公式TJ（結(jié)溫）=Tc（殼溫）+Q（熱耗）×θJc（結(jié)殼熱阻）[3]，模塊的結(jié)溫分析如表3所示，所有主要器件的計(jì)算結(jié)溫均未超過(guò)許用結(jié)溫。

通過(guò)以上分析可知，機(jī)架中典型模塊的主要器件溫度均未超過(guò)其許用值，在給定工況下可正常工作。

5 力學(xué)仿真

5.1 試驗(yàn)條件

功能振動(dòng)試驗(yàn)量值見(jiàn)圖 5曲線B。

圖2 機(jī)架溫度云圖分布

圖3 風(fēng)道流場(chǎng)分布

圖4 模塊15/模塊16主要器件溫度分布情況

表3 模塊15/模塊16器件結(jié)溫分析

圖 5 功能振動(dòng)試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)方向?yàn)閄軸、Y軸和Z軸；試驗(yàn)時(shí)間（單軸向）為：按照5 Hz—2 000 Hz—5 Hz進(jìn)行掃頻，一次循環(huán)為15 min，掃描3次，共45 min。

耐久試驗(yàn)量值和試驗(yàn)方向同功能試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將頻率范圍離散成多個(gè)單頻（具體取5～2 000 Hz之間共27個(gè)值），每個(gè)單頻率值對(duì)應(yīng)不同試驗(yàn)時(shí)間（具體為5～500 Hz對(duì)應(yīng)試驗(yàn)分別為24 min，其余頻率分別對(duì)應(yīng)6 min）。試驗(yàn)時(shí)間為單軸方向試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)分別在三個(gè)軸向進(jìn)行試驗(yàn)。若功能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)諧振頻率，用前三階諧振頻率代替以上所取的27個(gè)數(shù)值中相近的頻率值，試驗(yàn)時(shí)間不變。

5.2 力學(xué)仿真

機(jī)架采用板狀零件螺裝拼裝形式，通過(guò)底部6個(gè)安裝孔用M6規(guī)格螺栓跟平臺(tái)連接。機(jī)架的模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)圖 6所示。

圖6 低頻機(jī)架模態(tài)振型圖

仿真分析結(jié)果表明，設(shè)備整體前6階模態(tài)主要表現(xiàn)為設(shè)備作為整體圍繞前后安裝點(diǎn)的晃動(dòng)，以及內(nèi)部電路板的局部變形。設(shè)備模態(tài)頻率見(jiàn)表4。

根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)果對(duì)低頻機(jī)架進(jìn)行正弦振動(dòng)分析。激勵(lì)按圖 5所示振動(dòng)量值，因?yàn)橐浑A模態(tài)已超過(guò)54 Hz，正弦振動(dòng)仿真時(shí)，從54 Hz開(kāi)始到2 000 Hz進(jìn)行計(jì)算。加速按3 g大小施加在六個(gè)約束點(diǎn)處。振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如圖 7。

表4 設(shè)備模態(tài)頻率

圖7 機(jī)架振動(dòng)響應(yīng)分析響應(yīng)云圖

通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨機(jī)振動(dòng)仿真試驗(yàn)分析可知，振動(dòng)響應(yīng)中，殼體和印制板上的應(yīng)力均很小，可以避免在振動(dòng)中出現(xiàn)破壞問(wèn)題。設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差等效應(yīng)力最大值為120.82 MPa，Z方向（安裝孔位置），最大位移為1.6 mm，Y方向（寬邊方向），設(shè)備最大等效應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差120.82 MPa小于防銹鋁270 MPa的強(qiáng)度極限，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)冷冷卻的方式，可以有效解決一定功耗綜合化機(jī)架的散熱問(wèn)題，本文通過(guò)設(shè)計(jì)和仿真，對(duì)基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)冷機(jī)架的散熱和力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證。但穿通風(fēng)冷這種散熱形式，并不適合高集成度高功耗的一些設(shè)備散熱，并且在一些密封性要求高的設(shè)備，也存在較多局限，有待進(jìn)一步研究和提升。