黃文強(qiáng)

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

引言

隨著綜合模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的逐步成熟，具有維護(hù)性更好的現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)LRM，Line Replaceable Module）越來(lái)越多的應(yīng)用各種電子設(shè)備當(dāng)中。穿通風(fēng)冷模塊作為L(zhǎng)RM 模塊中最常見(jiàn)的冷卻方式之一，其散熱效果既優(yōu)于自然傳導(dǎo)散熱，又相對(duì)于穿通液冷模塊可靠性更高、故障率更低[1]，已經(jīng)在我單位各個(gè)工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。特別是航空機(jī)載產(chǎn)品平臺(tái)，每一套設(shè)備會(huì)配置多達(dá)10 余塊相同的LRM 模塊，而每一模塊在完成設(shè)計(jì)交付前都需要單獨(dú)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，因此每一個(gè)模塊都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)加工一個(gè)配套的專(zhuān)用環(huán)境工裝，導(dǎo)致這種環(huán)境試驗(yàn)工裝的需求量也非常大。

本文以厚度24 mm 的標(biāo)準(zhǔn)ASAAC 模塊為典型對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種穿通風(fēng)冷LRM 模塊環(huán)境試驗(yàn)工裝，具備標(biāo)準(zhǔn)ASAAC 模塊的裝夾接口，滿足模塊溫度、振動(dòng)等試驗(yàn)的環(huán)境界面控制要求，對(duì)模塊進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。研究了外接風(fēng)冷源的供風(fēng)量與模塊兩側(cè)風(fēng)速的關(guān)系，模擬模塊在真實(shí)機(jī)架上的工作環(huán)境，輔助其完成環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

該穿通風(fēng)冷LRM 模塊環(huán)境試驗(yàn)工裝能同時(shí)滿足4個(gè)以上厚度24 mm 的標(biāo)準(zhǔn)ASAAC 模塊同時(shí)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)；采用外接風(fēng)冷源的形式，實(shí)現(xiàn)模塊兩側(cè)風(fēng)速在（2~10）m/s 之間可調(diào)；夾具振動(dòng)響應(yīng)特性滿足GJB 150.16A 的要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于模塊的環(huán)境試驗(yàn)要求及上述技術(shù)指標(biāo)，該穿通風(fēng)冷LRM 模塊環(huán)境試驗(yàn)工裝由夾具（配重模塊）、風(fēng)冷源和管路組件三部分組成如圖 1 所示，各部分之間設(shè)計(jì)為直徑為50 mm 可拆裝的標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)該工裝系統(tǒng)的系列擴(kuò)展，具備較高的通用性[2]。按照模塊的實(shí)際安裝情況，該夾具設(shè)計(jì)為組合形式，模塊布局和熱流通道如圖 2 所示，主要由上端風(fēng)口組件的導(dǎo)風(fēng)區(qū)、前端的ASAAC 標(biāo)準(zhǔn)模塊承載區(qū)和后端背板安裝接線的電氣互聯(lián)區(qū)構(gòu)成，各部分采用銷(xiāo)釘孔定位后通過(guò)螺紋連接的方式進(jìn)行組合[3]，更換電氣互聯(lián)區(qū)的背板便可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模塊承載區(qū)上下冷板的相鄰模塊插槽間距28 mm，能同時(shí)支撐6 個(gè)24 mm 厚度的標(biāo)準(zhǔn)ASAAC 模塊，相鄰模塊之間形成了寬度為4 mm 的熱流通道。

夾具的散熱形式為冷卻空氣從下冷板底部進(jìn)入，流經(jīng)被測(cè)模塊之間形成的風(fēng)道，與模塊表面進(jìn)行熱交換后到達(dá)風(fēng)口組件，再由外置風(fēng)冷源進(jìn)行抽風(fēng)將其帶走。通過(guò)調(diào)節(jié)外置風(fēng)冷源抽風(fēng)量對(duì)模塊間風(fēng)道的風(fēng)速進(jìn)行控制。

3 熱設(shè)計(jì)及分析

3.1 仿真分析

為了滿足模塊間最大風(fēng)速要求，根據(jù)風(fēng)道之間截面積通過(guò)計(jì)算，外置風(fēng)冷源選擇了型號(hào)為GCFZ-200A，最大循環(huán)風(fēng)量270 m3/h，輸出流量可調(diào)的高溫抽風(fēng)裝置。為了解風(fēng)冷源供風(fēng)流量與模塊間流速的情況，在供風(fēng)量設(shè)置為220 m3/h 的工作狀態(tài)下，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)最初設(shè)計(jì)的夾具，模塊之間各風(fēng)道的風(fēng)速大小相差較大，呈現(xiàn)出正對(duì)管口的風(fēng)道流速大，靠近兩側(cè)的風(fēng)道流速小的情況。通過(guò)分析夾具風(fēng)速的仿真界面云圖發(fā)現(xiàn)，是由于各風(fēng)道的路徑不同導(dǎo)致了風(fēng)道了流阻不同進(jìn)而影響了各風(fēng)道的風(fēng)速。故在夾具的導(dǎo)風(fēng)區(qū)內(nèi)設(shè)置了分風(fēng)板，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終分風(fēng)板設(shè)計(jì)為兩側(cè)開(kāi)口大，中間開(kāi)口小的結(jié)構(gòu)形式來(lái)改變流阻，解決了夾具各流道風(fēng)速不均勻的情況，如圖 3 所示。

由于模塊間風(fēng)道空間有限，無(wú)法通過(guò)設(shè)置風(fēng)速傳感器來(lái)獲取風(fēng)道的準(zhǔn)確風(fēng)速，因此本文采用了仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，如圖 4 和圖 5 所示，通過(guò)調(diào)整風(fēng)冷源的供風(fēng)量，測(cè)試單個(gè)模塊在36 W 相同熱耗條件下其溫度的變化情況來(lái)探究風(fēng)冷源設(shè)定風(fēng)量與模塊間風(fēng)道風(fēng)速關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

如圖 6 所示，將4 個(gè)25 Ω 的發(fā)熱電阻并聯(lián)粘貼在單個(gè)模塊內(nèi)部，通過(guò)發(fā)熱電阻模擬模塊的工作發(fā)熱情況，輸入電壓設(shè)為15 V，單個(gè)模塊36 W，滿裝6 個(gè)模塊總熱耗216 W，溫箱溫度設(shè)置為65 ℃，然后調(diào)節(jié)風(fēng)冷源的抽風(fēng)風(fēng)量，記錄模塊穩(wěn)定工作狀態(tài)的各測(cè)試點(diǎn)的穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)如表 2 所示。

圖1 設(shè)備組成

圖2 夾具組成及模塊布局和熱流通道示意圖

圖3 有無(wú)分風(fēng)板夾具流道風(fēng)速對(duì)比示意圖

圖4 不同風(fēng)量下模塊溫度云圖

表1 風(fēng)冷源設(shè)定風(fēng)量與模塊界面溫度和風(fēng)速仿真結(jié)果

表2 風(fēng)冷源設(shè)定風(fēng)量與模塊界面溫度

表3 模態(tài)分析結(jié)果

表4 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果（3σ 值)

圖6 溫度實(shí)測(cè)狀態(tài)

圖8 Z 向振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

圖9 響應(yīng)測(cè)試安裝圖

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試響應(yīng)結(jié)果

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試響應(yīng)結(jié)果

如圖 5 和表 1 所示，當(dāng)風(fēng)冷源風(fēng)量設(shè)置大于230 m3/h 時(shí)，模塊間的所有風(fēng)速均能大于10 m/s，且各流道風(fēng)速差異較小，滿足指標(biāo)要求。從圖 7 風(fēng)冷源設(shè)定風(fēng)量與模塊界面溫度仿真模擬分析與實(shí)物測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)風(fēng)冷源向夾具提供一定風(fēng)量時(shí)，模塊的溫度就能得到快速下降，但是并沒(méi)有隨著提供的風(fēng)量增大而繼續(xù)大幅度降低，而是隨著風(fēng)量的增加緩慢的降低，下降趨勢(shì)較為平緩，因此使用時(shí)推薦將風(fēng)冷源風(fēng)量設(shè)置在（80~180） m3/h 區(qū)間內(nèi)，既能達(dá)到很好的散熱效果，又能風(fēng)冷源的降低噪聲和能耗。

4 振動(dòng)設(shè)計(jì)及分析

4.1 仿真分析

夾具主體采用（20~100）mm 的鋁合金板材銑削加工成型，各零件之間的連接采用M8 內(nèi)六角螺釘，采用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行模態(tài)分析以及隨機(jī)振動(dòng)分析[4]。利用SOLID187 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到分析結(jié)果表明，夾具前六階模態(tài)主要表現(xiàn)為頂端導(dǎo)風(fēng)區(qū)管口處的晃動(dòng)，整體剛度較高，頻率如表 3 所示。

振動(dòng)載荷作用下，夾具各方向隨機(jī)振動(dòng)分析響應(yīng)結(jié)果如表 4 所示，夾具的X、Y、Z 向最大變形（3σ 值）為0.25 mm、0.32 mm、0.61 mm；如圖 8 所示，分析對(duì)象承載結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力（3σ 值）為82.65 Mpa，該應(yīng)力小于鋁合金5A06 的屈服極限（約160 MPa），滿足使用要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

在模塊獨(dú)立振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，專(zhuān)用夾具是一個(gè)非常重要的傳遞環(huán)節(jié)，為了保障模塊單獨(dú)振動(dòng)試驗(yàn)的可靠性和有效性，避免出現(xiàn)過(guò)試驗(yàn)和欠試驗(yàn)，需要對(duì)夾具本身的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試[5]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安裝情況如圖 9 所示，在現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)三個(gè)方向的控制點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在測(cè)試過(guò)程中根據(jù)情況對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行合理布置，測(cè)試各方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖 10 所示，滿足GJB 150.16A 的規(guī)定，在（300 ～1 000）Hz范圍內(nèi)其不平坦允差不超過(guò)±6 dB ，且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)超過(guò)±3 dB 差的帶寬累積應(yīng)小于300 Hz。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種穿通風(fēng)冷LRM 模塊環(huán)境工裝，通過(guò)數(shù)字樣機(jī)模擬仿真和實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，探究了風(fēng)冷源供風(fēng)量與各風(fēng)道風(fēng)速的關(guān)系，提高各流道風(fēng)速的均勻性；并驗(yàn)證了夾具的力學(xué)性能，最終滿足該工裝的各項(xiàng)指標(biāo)要求，最多可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)24 mm 厚度的標(biāo)準(zhǔn)ASCCA 模塊進(jìn)行獨(dú)立環(huán)境試驗(yàn)的需求。目前該穿通風(fēng)冷LRM 模塊通用環(huán)境試驗(yàn)工裝系統(tǒng)已拓展出滿足不同厚度模塊的系列，用于不同項(xiàng)目模塊獨(dú)立試驗(yàn)中，具備較好的經(jīng)濟(jì)性。