何 超

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著國防科技工業(yè)的飛速發(fā)展，機載電子設備的集成化程度不斷提高，設備功能也日趨復雜，這使得設備熱流密度急劇增加，散熱設計成為設備結構設計中一個非常重要的環(huán)節(jié)。此外，機載設備因其安裝平臺的特殊性，所承受的振動環(huán)境十分嚴酷；同時為提高飛機的機動性，對機載設備的重量要求非?？量蹋⌒突蔀闄C載電子設備的發(fā)展方向。因此，機載電子設備在設計過程中需綜合考慮設備散熱、振動、減重等各方面的要求。本文針對某機載電子設備適裝平臺的環(huán)境適應性要求，首先開展設備結構設計，然后采用仿真手段對設備的散熱性能和抗振性能進行仿真分析，以驗證設備結構設計方案能否滿足機載環(huán)境適應性要求。

1 結構設計

基于模塊化、系列化和標準化的設計思想，機載電子設備通常由具有通用功能的標準模塊組合而成。常見機載電子設備結構形式有2種：一種是積木拼裝式機箱結構，以現(xiàn)場可更換單元(LRU)為基礎，通過多個LRU的拼裝組合實現(xiàn)指定功能；另一種是以現(xiàn)場可更換模塊(LRM)為基礎單元的綜合集成式機箱結構，各LRM模塊裝入同一機箱，通過背板實現(xiàn)各類信號互聯(lián)和信息傳遞。

本文研究的機載電子設備采用前述第1種結構形式，應用模塊化結構設計理念，充分考慮機載平臺安裝環(huán)境和空間尺寸要求，開展各功能模塊的結構設計。

根據(jù)設備功能劃分，該機載電子設備由信息處理模塊、收發(fā)處理模塊、射頻處理模塊和安裝托架四部分組成，設備結構如圖1所示。

圖1 設備結構示意圖

各功能模塊之間通過螺釘拼裝而成，便于日常拆裝和維修。其中，信息處理模塊為收發(fā)處理模塊提供機械安裝接口，二者通過內部自制線纜進行信號傳輸；信息處理模塊和射頻處理模塊通過螺釘實現(xiàn)機械互聯(lián)，由尾部混裝連接器(帶導向銷)對插實現(xiàn)模塊間的電氣互聯(lián)和拼裝時的導向定位；設備對外接口均位于模塊前側面板上，實現(xiàn)與飛機平臺互聯(lián)；托架是機載電子設備安裝于飛機平臺上的重要部件，設備通過自身前后緊定裝置與托架相連，進而通過托架實現(xiàn)與飛機的機械連接。

機載設備對重量有著極為嚴格的要求，各模塊殼體材料選用6061鋁合金，殼體上設計有減重槽和散熱齒，在實現(xiàn)減重設計的同時增大散熱面積,以提高設備散熱性能。托架主要選用鋁合金2A12板材加工，采用鈑金折彎方式成型；托板上設計有翻邊孔，兩側設有減重孔，在提高托架剛度的同時實現(xiàn)減重。設備整機結構緊湊，外形尺寸為：寬×高×深=105 mm×130 mm×280 mm(不含連接器等突出物及托架)，具有體積小、重量輕等優(yōu)點，能夠滿足裝機空間要求和重量指標。

2 熱設計與熱仿真

2.1 熱設計方案

熱設計的目的在于保證電子元器件及設備在規(guī)定的熱環(huán)境下能夠正常工作，避免設備因溫度過高而導致其電氣功能喪失。

設備各模塊熱耗分布如表1所示，整機熱耗為98 W，高溫工作溫度為+70 ℃，要求器件殼溫控制在110 ℃以內，即最大允許溫升為40 ℃。計算得到設備表面熱流密度約為0.042 W/cm。由圖2所示數(shù)據(jù)分析知：當溫升為40 ℃時，自然冷卻的熱流密度應小于0.04 W/cm。

表1 設備各模塊熱耗分布表

圖2 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法[4]

熱設計的難點在于該設備體積小、熱耗大，且受裝機空間尺寸限制，無法采用強迫風冷散熱；此外，由于收發(fā)模塊裝于信息處理殼體內部，電子元器件產(chǎn)生的熱量需先傳導至自身殼體后再傳導至信息處理模塊殼體，整個導熱路徑長且受殼體間接觸熱阻影響較大，不利于熱量的快速消散。

設備選用自然冷卻方式散熱，通過設計合理的導熱路徑將芯片產(chǎn)生的熱量傳導至模塊殼體，進而通過對流和輻射實現(xiàn)熱量消散。模塊殼體均采用導熱性能優(yōu)異的鋁合金材料，并通過表面噴涂黑色漆提高設備的輻射換熱能力。

為驗證整機熱設計方案是否可行，下面利用專業(yè)的電子設備熱分析軟件ANSYS Icepak進行仿真分析。

2.2 熱仿真分析

2.2.1 熱仿真建模

設備詳細模型結構復雜、細節(jié)繁多，為提高仿真效率和計算收斂性，綜合考慮熱仿真和力學仿真的需要，對設備模型進行必要的簡化。對模型中尺寸較小的安裝孔、圓角和倒角，以及對熱仿真結果影響不大的結構，如緊固螺釘、連接器等均作刪除處理。此外，為節(jié)約計算成本、減少網(wǎng)格數(shù)量，忽略安裝托架對設備散熱的影響。

將設備簡化模型導入Icepak進行熱仿真建模。采用非連續(xù)性網(wǎng)格劃分，對小尺寸結構如散熱齒、芯片、導熱墊等作網(wǎng)格加密處理，其余部分可適當增大網(wǎng)格尺寸。熱仿真模型共包含504.7萬個節(jié)點、406.2萬個單元，主要部件材料參數(shù)如表2所示。設定仿真溫度為+70 ℃，默認流體為空氣，流態(tài)設置為湍流，打開輻射換熱選項，進行穩(wěn)態(tài)模擬計算。

表2 材料參數(shù)表

2.2.2 仿真結果分析

初步仿真結果表明：信息處理模塊印制板上器件現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(熱耗11 W)溫度最高，為118.3 ℃。查器件手冊知其許用結溫為125 ℃，結殼熱阻0.18 ℃/W，經(jīng)核算,其許用殼溫約123 ℃，因此該器件可能存在熱失效的風險。

為進一步降低器件殼溫，對信息處理模塊蓋板上散熱齒參數(shù)進行優(yōu)化，通過優(yōu)化蓋板厚度、散熱齒高度及間距，改善信息處理模塊的散熱性能。優(yōu)化后設備整體及模塊溫度分布如圖3～圖6所示，分析可知：

圖3 設備整體溫度分布云圖

圖4 信息處理模塊印制板溫度分布云圖

圖5 收發(fā)處理模塊溫度分布云圖

圖6 射頻處理模塊器件溫度分布云圖

(1) 當環(huán)境溫度為+70 ℃時，設備整體最高溫度為108.5 ℃，整機溫升約為38.5 ℃；

(2) 信息處理模塊中FPGA溫度最高，為105.5 ℃，低于其許用殼溫；

(3) 收發(fā)處理模塊器件最高溫度108.5 ℃，低于器件的許用殼溫，滿足設計要求；

(4) 射頻處理模塊中功率管(熱耗20 W)溫度最高，為105.4 ℃，遠低于功率管的許用殼溫；

(5) 各模塊器件最高溫度均未超過其許用殼溫，仿真結果表明設備在高溫環(huán)境下可正常工作，這也說明設備熱設計方案合理有效。

3 振動仿真分析

3.1 振動條件

設備隨機振動試驗按GJB150.16-1986中有關規(guī)定進行，耐久試驗量值為功能試驗的1.6倍，時間為每軸向12.5 h，試驗條件如圖7所示。

圖7 耐久振動試驗條件

與沖擊、加速度、功能振動等力學試驗條件相比，耐久振動時間長，量值大，試驗中最易出現(xiàn)設備損壞等故障，故本文只進行耐久振動仿真。采用隨機振動條件下的設備結構剩余強度系數(shù)進行校核，其計算公式如下：

(1)

式中：

η

為剩余強度系數(shù)，當其值大于1時表明強度滿足設計要求；

σ

為材料屈服極限；

σ

為均方根應力值。

3.2 仿真模型建立

對安裝托架進行適當簡化，之后導入ANSYS Workbench中，建立力學仿真模型。對托架底部支架上用于和飛機平臺固定的螺釘孔施加固定邊界約束，采用自適應網(wǎng)格劃分，對重點關注部位如鎖鉤、鎖緊裝置等主要承力部件進行網(wǎng)格局部加密，建立仿真模型如圖8所示，模型中主要零部件材料屬性參數(shù)如表3所示。

表3 主要部件材料屬性參數(shù)表

圖8 設備力學仿真模型

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結構動力學分析的基礎，用于確定設備的固有頻率和模態(tài)振型。在ANSYS Workbench中進行模態(tài)分析，仿真結果如表4所示，對應的模態(tài)振型如圖9所示。

表4 模態(tài)分析結果

由圖9分析可知：設備前3階振型均表現(xiàn)為整體模態(tài)，第4階振型表現(xiàn)為信號處理模塊印制板的局部振動模態(tài)；設備1階固有頻率281.65 Hz，表明設備整體剛度較好。

圖9 設備前四階模態(tài)振型云圖

3.4 隨機振動分析

在模態(tài)分析的基礎上，以圖7所示試驗條件為載荷輸入，采用功率譜密度(PSD)法進行隨機振動仿真，分析設備在

X

、

Y

、

Z

向隨機振動激勵下的響應，分別提取3個方向上的1

σ

應力和1

σ

變形，結果如圖10和表5所示。

圖10 隨機振動載荷下設備應力和變形云圖

表5 隨機振動載荷下最大1σ最大應力和1σ最大變形

分析可知：在

X

、

Y

、

Z

向隨機振動載荷作用下，由式(1)計算得到的設備結構剩余強度系數(shù)均大于1，其余部位的應力和變形值均較小，這表明設備強度足夠，能滿足機載平臺振動環(huán)境適應性要求。

4 結束語

本文針對某機載電子設備安裝平臺的環(huán)境適應性要求，在產(chǎn)品研制階段即采用數(shù)值仿真軟件，對設備結構設計方案進行了散熱和振動仿真驗證，分析結果表明該設計方案有效可行，能夠滿足機載環(huán)境適應性要求。此外，文中采用的模塊化設計思想和仿真分析方法，以及利用仿真手段識別結構設計中存在的風險點并進行修正和優(yōu)化的設計思路，對其他類似產(chǎn)品的結構設計具有一定的參考價值和借鑒意義。