汪 洋 黃東籬

（中船黃埔文沖船舶有限公司 廣州 510715）

1 引言

隨著現(xiàn)代船舶電子設(shè)備不斷的更新與升級，設(shè)備計算能力呈現(xiàn)集成化、密集化發(fā)展趨勢[1]。這就對于設(shè)備的基礎(chǔ)模塊功能需求不斷提升，單個6U規(guī)格母板的表面已經(jīng)無法容納更多的元器件進行布線，不能夠滿足功能計算需求，在這種趨勢下，越來越多的船用模塊開始使用功能拓展子卡[2]。

XMC類型子卡是目前使用較多的子卡類型之一，其通過一個垂直于母板TOP面的對插連接器直接與母板通信連接，布置于母板TOP面的正上方，形成了一種空間疊層結(jié)構(gòu)[3]。該種類型的子卡在長度方向與6U母板幾乎持平，在寬度方向尺寸約為母板的一半，能夠極大地拓展模塊元器件的有效布線空間，適應(yīng)目前船用電子設(shè)備計算環(huán)境對模塊的要求。

隨著新型拓展子卡引入的同時，也給船用模塊的工程化帶來了一些亟需解決的實際問題[4]。模塊的元器件布線有效面積增大，高功耗的元器件增加，整個模塊的熱功耗呈線性增加，在傳統(tǒng)6U模塊有限狹窄的空間內(nèi)，要求模塊的導(dǎo)熱盒能夠同時滿足整體結(jié)構(gòu)強度和散熱需求，要求模塊能夠適應(yīng)船用振動和沖擊環(huán)境[5]。如此嚴苛的外部限制條件約束，給模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。

綜合考慮船用模塊的結(jié)構(gòu)特點[6]，為了能夠在距離6U模塊母板TOP面單個槽位間隔的高度空間內(nèi)對XMC拓展子卡的BOT面元器件和母板TOP面元器件導(dǎo)熱，本文在已知各印制板具體元器件布局的前提下，設(shè)計出了一種夾層導(dǎo)熱方式的新型導(dǎo)熱盒結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真技術(shù)建立模擬出該結(jié)構(gòu)的裝配模型[7]，對模塊在船用振動和沖擊的工況下進行了仿真計算分析，通過計算分析發(fā)現(xiàn)，該模塊形變應(yīng)力指標能較好地滿足設(shè)計要求，耐振抗沖性能良好[8]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所述新型模塊的6U母板和XMC拓展子卡的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 母板與XMC子卡對插結(jié)構(gòu)

上圖展示了該新型模塊的母板和XMC子卡的相對位置關(guān)系，拓展子卡直接通過兩個連接器與母板進行信號傳遞通訊，為保證信號強度，一般使連接器盡可能地接近母板主連接器。子卡的上下表面均布有GPU等核心元器件，具有較高的功耗，有散熱的需求。為充分利用印制板母板空間，于子卡的正下方的母板上也布置有一些功耗較低的元器件。因此，在子卡和母板之間需要有一層金屬隔板，將上下兩側(cè)的元器件熱量傳導(dǎo)至模塊的傳熱面上進行散熱。

圖2 模塊縱剖結(jié)構(gòu)示意

XMC子卡通過連接器與母板對插，需要有額外加固方式使子卡相對母板固定且符合船用振動沖擊環(huán)境?？紤]到母板通過螺釘固定于導(dǎo)熱盒上，本結(jié)構(gòu)方案使子卡通過位于四角的螺釘最終固定于導(dǎo)熱盒上。

XMC凹槽的存在使得導(dǎo)熱盒剛度大打折扣，在導(dǎo)熱盒中部位置必然產(chǎn)生應(yīng)力集中且變得極易發(fā)生形變，需要專門設(shè)計沿凹槽邊緣的縱向加強筋，和在凹槽接近中部的橫向加強筋，對整個導(dǎo)熱盒零件進行加固設(shè)計。

圖3 導(dǎo)熱盒結(jié)構(gòu)示意

隔板的厚度越厚，導(dǎo)熱盒的剛度越好，子卡附近元器件散熱熱阻越低，整個模塊的使用性能越高。結(jié)合實際工程化的生產(chǎn)加工工藝，本方案的隔板設(shè)計厚度定為2mm。

模塊的母板一般厚度[9]為1.6mm，子卡板厚與母板保持一致，子卡連接器通過凹槽上的通道，實現(xiàn)子卡與母板的安裝與對插[10]。結(jié)合圖2，子卡與導(dǎo)熱盒于四角安裝固定后，再加裝蓋板以形成子卡上下表面元器件的散熱通道。整個模塊結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)裝配

本方案所述模塊的結(jié)構(gòu)裝配形式能夠完成對整個模塊的加固、保護和散熱需求。

3 有限元仿真分析

為進一步驗證本文所述設(shè)計的新型隔振器方案能否滿足船用工況[11]下的技術(shù)指標要求，在有限元分析軟件Abaqus中建立了其有限元仿真模型如下圖，該有限元網(wǎng)格模型共由15304個單元，8329個結(jié)點組成，如圖5所示。

圖5 模塊網(wǎng)格模型

在仿真軟件中模擬模塊在電子機箱中的安裝狀態(tài)添加相關(guān)約束。模塊的傳熱面和鎖緊條緊固在機箱的卡槽中，設(shè)定為固定約束，模塊母板的連接器與機箱的印制底板對插后同樣簡化為固定約束。模塊中相關(guān)零件和母板子卡相對固定。

約束設(shè)定好后計算模塊的整體振動模態(tài)，模態(tài)分析主要通過頻率和陣型來展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動特性，以此進行合理的振動評價。模態(tài)基本理論為

其中K為系統(tǒng)的剛度矩陣，ωi為第i階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率[12]。設(shè)定模塊的導(dǎo)熱盒、盒蓋、蓋板等零件材料為鋁合金牌號為6A02，對應(yīng)的材料密度為2870 kg/m3，印制板材料密度約為1100 kg/m3，在軟件材料庫中選擇相關(guān)類似材料賦予網(wǎng)格模型[10]。仿真計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 模塊前18階模態(tài)結(jié)果

通過分析仿真結(jié)果，模塊的一階固有頻率為78.6Hz。依據(jù)國軍標GJB 150.16A-2009中表C.9《安裝在艦船上設(shè)備的振動試驗量值》，水面艦船掃頻試驗頻段為0～60Hz。模塊的模態(tài)仿真結(jié)果高于60Hz，所以在艦載掃頻試驗中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，滿足基本振動試驗要求。

圖7 模塊一階模態(tài)仿真結(jié)果

模塊安裝于機箱中，機箱設(shè)備一般由自身單獨安裝或由機柜總體配置減振器。本文所述模塊沖擊仿真方案中設(shè)定減振器平均傳遞率為0.6。依據(jù)國軍標GJB 150.18中對于沖擊試驗的描述模擬船用電子設(shè)備的沖擊試驗，取試驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)，最大加速度峰值為300g，減振器衰減40%后作用到模塊上為180g，三角波，作用時間為20ms。依據(jù)以上數(shù)據(jù)設(shè)定模塊的邊界條件[13]，仿真計算模塊在沖擊條件下的狀態(tài)，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 模塊沖擊應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果可知，整個模塊殼體的最大應(yīng)力集中位于蓋板螺釘?shù)陌惭b處，仿真結(jié)果約為100MPa，一般硬鋁的抗拉強度約為370Mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。單獨提取PCB印制板的仿真結(jié)果，如圖9所示。

圖9 印制板應(yīng)力云圖

通過上圖可知，仿真計算印制板應(yīng)力主要集中于子卡的四個安裝螺釘處，遠小于導(dǎo)熱盒和蓋板應(yīng)力，滿足使用加固需求。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)6U模塊在常規(guī)尺寸下布線空間不足，功能受限，達不到電子設(shè)備需求性能指標的現(xiàn)狀，本文根據(jù)工程實際中模塊增加拓展XMC子卡的要求，對該新型模塊進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了導(dǎo)熱盒具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案和整體裝配方案。本文在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件Abaqus建立了該新型隔振器的三維仿真模型，綜合考慮約束、邊界條件和不同的振動沖擊工況，分析計算出了仿真模型的振動和抗沖性能，通過與設(shè)計指標和材料相關(guān)應(yīng)力指標進行對比，得出了該模塊振動沖擊性能均能滿足設(shè)計要求。本文所述該新型模塊結(jié)構(gòu)方案可進一步在其它船用電子設(shè)備模塊上推廣和參考。