朱光輝，劉 超，劉謙文，王 朝

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

引言

機(jī)載設(shè)備使用著大量的電子元器件，隨著電子元器件的集成度逐漸提高，各種元器件的功耗也隨之變大，為了保證各元器件的正常使用壽命，機(jī)載產(chǎn)品的散熱要求逐步提高。

液冷殼體作為機(jī)載功能模塊的重要組成部分，可以通過冷卻液在殼體內(nèi)部流道的循環(huán)實(shí)現(xiàn)快速降溫，然而由于液冷殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，生產(chǎn)嚴(yán)重受限。其中液冷殼體真空釬焊工序由于焊接工裝的質(zhì)量大，真空釬焊時(shí)吸熱較多，嚴(yán)重影響釬焊爐的升溫，致使殼體真空釬焊的裝爐量較低。為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)其真空釬焊工裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，為提高模塊的真空釬焊的裝爐量等做理論支撐。

1 模型建立

某液冷殼體由蓋板和框體通過真空釬焊焊接而成，框體和蓋板零件均為6061 鋁合金材料，分布在框體上的流道在零件加工時(shí)已完成，然后將框體流道面和蓋板通過真空釬焊焊接連接，焊接完成后再對(duì)蓋板和框體進(jìn)行精加工，通過去除多余材料達(dá)到減重的目的，液冷殼體見圖1。

圖1 液冷殼體圖

由于機(jī)載設(shè)備對(duì)質(zhì)量要求較高，為了減輕模塊質(zhì)量，蓋板需精加工至0.8 mm±0.05 mm，這對(duì)焊接后蓋板和框體接觸面的平面度要求較高，為了保證后續(xù)精加工，進(jìn)入數(shù)控精加工的液冷殼體蓋板面平面度要求不大于0.1 mm。

由于真空焊接時(shí)需要工裝對(duì)模塊進(jìn)行充分夾緊，且均勻受力。工裝的夾緊力不足，會(huì)出現(xiàn)局部焊接不緊密等質(zhì)量問題；若夾緊力過大，焊接過程會(huì)產(chǎn)生較大變形，后續(xù)精加工前需要通過熱校平進(jìn)行修復(fù)，部分模塊無法實(shí)現(xiàn)校平。通過多次試驗(yàn)，新設(shè)計(jì)的工裝，如圖2 所示為液冷殼體釬焊裝夾圖。

圖2 液冷殼體釬焊裝夾圖

蓋板貼合在底座上，框體貼合在蓋板上，中間放置焊料，框體通過均勻分布的壓頭，使框體和蓋板貼實(shí)，各壓頭使用旋合預(yù)緊的方式，擰緊力矩一定。由于焊接時(shí)工裝會(huì)吸熱，保證真空釬焊爐正常的溫度變化，工裝的質(zhì)量減少，模塊的裝爐量將提高，設(shè)計(jì)的該工裝其底板為不銹鋼板，在三維軟件建立模型輸入密度，測(cè)量其質(zhì)量為3.443 kg。

2 仿真分析

由于對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行分析比較復(fù)雜，且部分模型不是分析重點(diǎn)，可以進(jìn)行簡化，不影響分析結(jié)果。

對(duì)模型進(jìn)行簡化，液冷殼體由底板和均勻分布的壓頭進(jìn)行夾緊，將液冷殼體和底板進(jìn)行單獨(dú)分離，假設(shè)其余結(jié)構(gòu)作用在液冷殼體和底座接觸面上的力均勻分布在接觸面上，建立三維模型并導(dǎo)入Ansys中，在DesingnModeler 中設(shè)置受力面，模型受到的力為C 型夾的支撐力和旋轉(zhuǎn)壓頭的壓緊力及重力，重力可忽略不計(jì)，螺釘?shù)念A(yù)緊力F0計(jì)算公式為：

選用的為M8 螺釘，擰緊力矩T 為3.28 N·m，扭矩系數(shù)K 取0.2，壓頭數(shù)量d 為24 個(gè)，壓頭作用在液冷殼體上的總壓力為4 920 N，液冷殼體和底板的受力面積為36 718.16 mm2，受力面上的壓強(qiáng)為0.128 MPa，添加到受力面上，底板C 型夾接觸部位添加固定約束，底板和C 型夾接觸面積為2 813.02 mm2。分別設(shè)置鋁合金和不銹鋼的材料屬性。

由于模塊具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過對(duì)模塊和底板整體進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析更能接近實(shí)際情況，C 型夾及壓頭作用在模塊及底板上的力采用均勻載荷進(jìn)行分析。通過對(duì)模型進(jìn)行分析，對(duì)導(dǎo)入的模型添加受力面，劃分網(wǎng)格，添加約束并求解，得到最大變形量圖，如圖3，可以看出最大總變形量為0.022 193 mm，由于總變形量遠(yuǎn)小于加工要求的平面度0.1 mm，底板模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裕度為4.5，設(shè)計(jì)裕度較大，存在較大的優(yōu)化空間，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減輕底板質(zhì)量。

圖3 優(yōu)化前最大變形量圖

通過Inventor 對(duì)底板三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加減重槽。增加減重槽后，底板質(zhì)量為1.954 kg，對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，采用同樣的分析步驟依次對(duì)模型添加受力面、劃分網(wǎng)格、添加約束并求解，得到優(yōu)化后最大變形量圖，如圖4 可以看出，最大總變形量為0.032 66 mm，底板模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裕度為3。通過對(duì)底板的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后底板質(zhì)量減輕了43.2%，優(yōu)化效果較為明顯[1-3]。

圖4 優(yōu)化后最大變形量圖

3 結(jié)論

1）通過三維仿真軟件進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)件的靜力學(xué)分析，可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性，保證設(shè)計(jì)可靠；

2）通過仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比，計(jì)算出安全裕度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)并仿真分析，適當(dāng)降低安全裕度，在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下，極大地減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；

3）結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要進(jìn)行模型的整體分析然手進(jìn)行簡化，本結(jié)構(gòu)由于模塊具有一定的強(qiáng)度，不考慮模塊剛度單獨(dú)進(jìn)行工裝變形分析與實(shí)際結(jié)果偏差較大。