龍湛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

力學(xué)設(shè)計(jì)是單機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的方面。航天單機(jī)必須在滿足重量的前提下具有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度，以便在經(jīng)受環(huán)境試驗(yàn)、地面操作和飛行載荷作用時(shí)不發(fā)生破壞及有害變形，至少應(yīng)具有規(guī)定的安全裕度。

1 概述

本文以某航天項(xiàng)目中某單機(jī)為分析對(duì)象，通過(guò)力學(xué)仿真分析，對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，結(jié)果表明該單機(jī)設(shè)計(jì)方案合理可行，并有一定的設(shè)計(jì)余量，可以滿足航天產(chǎn)品長(zhǎng)壽命、高可靠的使用要求。

1.1 功能任務(wù)

本單機(jī)是電性能具體功能的執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)部分。

1.2 組成

單機(jī)采樣模塊化設(shè)計(jì)，由模塊1、2、3、4、5組成，其外形簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 外形簡(jiǎn)圖

1.3 工作環(huán)境

單機(jī)工作于條件惡劣的航天使用環(huán)境，除火箭發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊外，衛(wèi)星飛行時(shí)的外部宇宙射線、太陽(yáng)輻射等都是其他工作平臺(tái)不會(huì)遇到的惡劣環(huán)境；另外航天設(shè)備不可維修的特殊性等諸多因素，都對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了極高的要求。

1.4 工作模式

工作模式指系統(tǒng)按照一定的工作流程，執(zhí)行一系列指令，完成特定的功能，按要求輸出處理結(jié)果。

1.5 工作時(shí)間

在軌測(cè)試和運(yùn)行階段，單機(jī)工作。其中在軌測(cè)試時(shí)間為XX小時(shí)，累計(jì)工作時(shí)間為XX小時(shí)。

2 設(shè)計(jì)要求

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)兼顧熱設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、輻射環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)等要求，為元器件創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境。

在對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量做到體積小、重量輕，且有足夠的安全裕度，在滿足使用要求情況下，結(jié)構(gòu)材料應(yīng)選用輕質(zhì)材料加工制造。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)過(guò)充分的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足力學(xué)環(huán)境條件和接口要求。

2.1 產(chǎn)品機(jī)械特性

重量：≤12kg。

外形尺寸：320mm×203mm×205mm（本體尺寸，不包括支耳、電連接器）。

2.2 設(shè)計(jì)輸入條件

產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境條件：隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2.3 抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求

抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)目的如下：

（1）合理布局和安裝元器件，改善元器件的力學(xué)環(huán)境；（2）通過(guò)力學(xué)分析，合理選擇印制電路板組裝件結(jié)構(gòu)，滿足剛度與強(qiáng)度要求；（3）合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)，在滿足剛度與強(qiáng)度要求下盡可能減輕重量；（4）設(shè)計(jì)與分析校核設(shè)備的連接強(qiáng)度，確保設(shè)備的可靠連接。

為滿足航天器電子設(shè)備抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求，保證產(chǎn)品在航天力學(xué)環(huán)境下的可靠性，避免該產(chǎn)品發(fā)生與力學(xué)相關(guān)的質(zhì)量問(wèn)題，在抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須使產(chǎn)品滿足下述設(shè)計(jì)要求：（1）設(shè)備應(yīng)做到體積小、重量輕，盡可能提高結(jié)構(gòu)剛度、增大結(jié)構(gòu)阻尼，設(shè)備的強(qiáng)度和剛度滿足抗力學(xué)的設(shè)計(jì)評(píng)估準(zhǔn)則；（2）在滿足設(shè)備剛度要求的前提下，設(shè)備的PCB基頻盡可能與機(jī)箱的基頻錯(cuò)開(kāi)，錯(cuò)開(kāi)頻率一般應(yīng)滿足倍頻律的要求，以避免動(dòng)力耦合；（3）設(shè)備應(yīng)盡可能做到通用化、模塊化、系列化；（4）結(jié)構(gòu)材料應(yīng)不影響電性能，真空放氣少，無(wú)污染或少污染，并且應(yīng)無(wú)毒和不易燃。

因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要從部件的強(qiáng)度、剛度、關(guān)鍵元器件振動(dòng)加速度、可靠性要求、壽命要求以及可維修性要求分別加以考慮。

2.3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度

設(shè)備結(jié)構(gòu)部件在經(jīng)受準(zhǔn)靜態(tài)載荷、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊中不發(fā)生破壞，其安全裕度至少大于0，如公式(1)所示。

式中，M為安全裕度；sf為安全系數(shù)，視不同的材料選取合理的量值；fσ圍毆許用破壞應(yīng)力，MPa；SGEσ為等效使用應(yīng)力，MPa。

2.3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)部件剛度

（1）設(shè)備（含PCB）基頻。以航天器結(jié)構(gòu)基頻的分配指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行PCB的剛度設(shè)計(jì)。通常在航天器上電子設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)（板）的局部一階頻率0f為一般不大于100Hz，為避免動(dòng)力響應(yīng)的耦合效應(yīng)引起設(shè)備動(dòng)力響應(yīng)的疊加放大，通常要求設(shè)備（含PCB）基頻高于安裝結(jié)構(gòu)的局部一階頻率，以倍頻律錯(cuò)開(kāi)。設(shè)備（含PCB）基頻一般應(yīng)大于 02f，并應(yīng)與元器件的關(guān)鍵諧振頻率錯(cuò)開(kāi)。

（2）PCB的變形。在承受力學(xué)載荷時(shí)，PCB的過(guò)分彎曲變形會(huì)造成元器件、引腳及其焊點(diǎn)的損傷與破壞。在設(shè)計(jì)中，在經(jīng)受準(zhǔn)靜態(tài)、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊載荷時(shí)，應(yīng)限制PCB 的變形量。

2.3.3 振動(dòng)加速度

在動(dòng)力載荷環(huán)境作用下關(guān)鍵元器件（如繼電器等）處的響應(yīng)加速度應(yīng)小于該元器件許用的加速度量值。

2.3.4 可靠性一體化設(shè)計(jì)要求

應(yīng)以滿足電子設(shè)備的功能、性能、可靠性、耐環(huán)境適應(yīng)能力等為目標(biāo)，進(jìn)行機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)。電子設(shè)備抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)做到：滿足電子設(shè)備電性能對(duì)抗力學(xué)環(huán)境的要求；滿足熱設(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)的要求；滿足設(shè)備的抗輻照設(shè)計(jì)要求。

2.3.5 壽命要求

電子設(shè)備抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)中所采用的（含固封、阻尼等）材料其壽命應(yīng)不低于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命。

2.3.6 設(shè)備維修性要求

電子設(shè)備抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到設(shè)備調(diào)試及交付后的維修，應(yīng)具有可維修性。

3 抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)作為電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，與電性能及功能設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等并行或交叉進(jìn)行。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括元器件布局、器件安裝與固定、PCB的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固封、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)分析。

下面將結(jié)合數(shù)字接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

單機(jī)采取模塊化設(shè)計(jì)，由6個(gè)模塊疊加組成，各模塊間通過(guò)螺釘連接，整個(gè)單機(jī)通過(guò)螺釘安裝到外部結(jié)構(gòu)上。其基本組成如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)構(gòu)型

3.2 PCB的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

印制電路板基材采用的是玻璃鋼。其物理性能參數(shù)如表2。

表2 印制板基材物理屬性

在滿足空間布局要求的前提下印制電路板的形狀力求簡(jiǎn)單，優(yōu)選了長(zhǎng)寬比例不大的長(zhǎng)方形，印制電路板長(zhǎng)寬尺寸越小則板的剛度越大。該結(jié)構(gòu)中印制板均采用規(guī)則的長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬比為1.58。印制電路板的厚度設(shè)計(jì)考慮了所安裝元器件的重量、印制電路板外形尺寸，以及承受的力學(xué)載荷，此結(jié)構(gòu)中印制板的厚度選為2mm。

為滿足與機(jī)箱連接的剛度、強(qiáng)度、阻尼和導(dǎo)熱要求，便于設(shè)備的電性能調(diào)試、測(cè)試和地面維修，PCB 與結(jié)構(gòu)的安裝連接是利用螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在整機(jī)裝配時(shí)，對(duì)螺釘進(jìn)行固封。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)基材選用的是鋁合金2A12，該種基材具有質(zhì)輕、極限強(qiáng)度高、易加工的特點(diǎn)。其典型的物理屬性如表3。

表3 結(jié)構(gòu)基材物理屬性

在設(shè)備結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇上，由于模塊電源本身的外形尺寸和安裝屬性的要求，采用盒體式作為其結(jié)構(gòu)形式。電源主結(jié)構(gòu)包括底座、蓋板，印制板的固定用底座和連接柱實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，以及結(jié)構(gòu)件之間的連接剛度和強(qiáng)度；同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)件之間有良好的導(dǎo)熱路徑，并滿足防輻射與電磁兼容性（EMC）的設(shè)計(jì)要求的前提下，充分考慮結(jié)構(gòu)的輕量化和工藝性；另外，表面粗糙度、平面度和接地等要求也滿足建造規(guī)范的要求。

根據(jù)相關(guān)要求，機(jī)箱底座設(shè)有10個(gè) 5.4Φ 安裝孔，在底面上4個(gè)安裝孔距離為160mm和338mm；另外，根據(jù)建造規(guī)范的要求，在底座上有6個(gè)搭接孔，其距離為310mm×68mm。由于接收機(jī)二次電源屬于星上的發(fā)熱設(shè)備，為了滿足熱設(shè)計(jì)的要求，將機(jī)箱底座的底平面作為機(jī)箱的安裝面，機(jī)箱底面平面度要求不大于0.1mm/100mm×100mm。

3.4 固封

主結(jié)構(gòu)件與PCB之間的連接螺釘用硅橡膠固封。機(jī)箱內(nèi)電纜在綁扎結(jié)節(jié)處用硅橡膠逐段固封，使其與壁板或支撐板粘牢。

3.5 可靠性、安全性、可維修性、互換性設(shè)計(jì)的落實(shí)情況

單機(jī)結(jié)構(gòu)采用底座和上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電路采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)具有可維修性好，電裝容易、方便，結(jié)構(gòu)抗振性以及電磁兼容性好的特點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證是為了對(duì)機(jī)、電、熱一體化協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行抗力學(xué)分析，以達(dá)到分析驗(yàn)證設(shè)備結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度；分析預(yù)估關(guān)鍵元器件的動(dòng)力響應(yīng)；按試驗(yàn)條件進(jìn)行預(yù)分析，指導(dǎo)試驗(yàn)的合理進(jìn)行。進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要通過(guò)有限元分析的方法實(shí)現(xiàn)。其步驟是：建立分析模型；進(jìn)行模態(tài)分析； 進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析；判斷分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 分析模型的建立

電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定后，應(yīng)進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，根據(jù)其結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的分析評(píng)價(jià)，改進(jìn)設(shè)計(jì)。目前使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析工作，下面是以SCX數(shù)字接收機(jī)B箱結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，利用ANSYS軟件計(jì)算其在振動(dòng)條件下的響應(yīng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證SCX數(shù)字接收機(jī)B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以滿足型號(hào)長(zhǎng)壽命、高可靠的使用要求。

4.1.1 有限元模型的建立

機(jī)箱外本體尺寸320mm×203mm×205mm，重量為13kg。根據(jù)航天建造規(guī)范要求，在建立有限元模型時(shí)，機(jī)箱的邊界條件與其在整星中的安裝和搭接位置保持一致。機(jī)箱整體外觀呈六面方箱體，各部分通過(guò)螺釘緊密連接，在分析時(shí)被作為剛性連接，為運(yùn)算方便和減少計(jì)算時(shí)間建立模型時(shí)做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則如下：去掉殼體上尺寸較小的安裝孔、螺孔；忽略較小倒角，按照直角進(jìn)行計(jì)算；對(duì)印制板和結(jié)構(gòu)件根據(jù)輪廓尺寸和質(zhì)量將其等效為密度均勻的質(zhì)量塊處理。

在不影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性的前提下盡量減少分析的單元數(shù)量，整個(gè)模型建立的基本要求是有限元模型和原產(chǎn)品在總質(zhì)量大小和總質(zhì)心位置一致。

按照試驗(yàn)約束條件，對(duì)機(jī)箱固定安裝孔進(jìn)行約束。

4.1.2 有限元數(shù)學(xué)模型

本文采用的分析坐標(biāo)系定義：分機(jī)安裝面作為XY平面，其中Y方向垂直于模塊平面，有限元數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 有限元數(shù)學(xué)模型

4.1.3 材料性能參數(shù)。

機(jī)箱結(jié)構(gòu)部分金屬材料采用鋁合金2A12，印制板選用材料為環(huán)氧玻璃布板，其典型的材料特性見(jiàn)表4。

表4 材料特性

4.2 模態(tài)分析

根據(jù)振動(dòng)理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)比較大，高階模態(tài)可以忽略不計(jì)。下面是在分析中提取的前6階的頻率，在ANSYS中設(shè)定約束后進(jìn)行分析可得模態(tài)振型結(jié)果如表5所示。

由表5可知，機(jī)箱基頻為295Hz，滿足航天建造規(guī)范中對(duì)設(shè)備基頻的要求。

表5 模態(tài)振型結(jié)果

4.3 隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

按照表1中列出的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件，利用ANSYS WORKBENCH的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊對(duì)機(jī)箱在隨機(jī)環(huán)境下的響應(yīng)進(jìn)行了分析。

（1）應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。機(jī)箱結(jié)構(gòu)支撐件的應(yīng)力響應(yīng)。

①垂直安裝面方向（Z方向）。在Z方向加載時(shí)，分機(jī)結(jié)構(gòu)支撐件的最大應(yīng)力為104MPa，主要發(fā)生于底部安裝孔附近區(qū)域，如圖4所示。需要指出的是，應(yīng)力云圖中顯示的最大應(yīng)力僅分布于孔內(nèi)一點(diǎn)，周?chē)噜弳卧植驾^小，應(yīng)力過(guò)渡很快，可以判斷，此處為數(shù)值計(jì)算所帶來(lái)的奇異點(diǎn)，其顯示的應(yīng)力分布可予以忽略，因此本文選取了較大區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力數(shù)值作為最大應(yīng)力。以下其他兩個(gè)方向的應(yīng)力結(jié)果分析也進(jìn)行了同樣的處理。

圖4 應(yīng)力響應(yīng)云圖（Z方向加載）

②平行安裝面方向（X方向）。在X方向加載時(shí)，結(jié)構(gòu)支撐件上的應(yīng)力如圖5所示，最大應(yīng)力為106MPa，仍然發(fā)生在底部安裝孔附近區(qū)域。

圖5 應(yīng)力響應(yīng)云圖（X方向加載）

③平行安裝面方向（Y方向）。在Y方向加載時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)支撐件上的最大應(yīng)力達(dá)到了123MPa，大于其他兩個(gè)方向加載時(shí)的應(yīng)力，最大應(yīng)力仍處于底部安裝孔附近區(qū)域，如圖6所示。

圖6 應(yīng)力響應(yīng)云圖（Y方向加載）

（2）加速度響應(yīng)。為了觀測(cè)機(jī)箱在隨機(jī)激勵(lì)下的加速度響應(yīng)，我們選取了兩點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖7、圖8所示。

圖7 觀測(cè)點(diǎn)（加載點(diǎn)）

圖8 觀測(cè)點(diǎn)（遠(yuǎn)端點(diǎn)）

加速度PSD曲線及其均方根值如表5所示。

4.4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析及結(jié)論

隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估見(jiàn)表6所示。

表6 觀測(cè)點(diǎn)PSD曲線

表7 分機(jī)結(jié)構(gòu)支撐件隨機(jī)振動(dòng)評(píng)估

由表6可知，分機(jī)結(jié)構(gòu)滿足航天建造規(guī)范中對(duì)安全裕度（金屬材料穩(wěn)定性安全裕度不低于0.25）的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)航天單機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)環(huán)境及其評(píng)估準(zhǔn)則、可靠性要求、壽命要求、維修性要求，詳細(xì)闡述了數(shù)字接收機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)、PCB布局設(shè)計(jì)、PCB安裝連接設(shè)計(jì)、機(jī)箱內(nèi)部固封設(shè)計(jì)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性評(píng)估；為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性，進(jìn)行了力學(xué)分析，其中包括模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，依據(jù)結(jié)果計(jì)算了機(jī)箱和印制板組件的安全裕度。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案制定、有限元分析模型的詳細(xì)的力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理可行，并有一定的設(shè)計(jì)余量，可以滿足型號(hào)長(zhǎng)壽命、高可靠的使用要求。