某機載電子設備結構設計與仿真分析

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

隨著國防科技工業的飛速發展，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節。此外，機載設備因其安裝平臺的特殊性，所承受的振動環境十分嚴酷；同時為提高飛機的機動性，對機載設備的重量要求非?？量?，小型化成為機載電子設備的發展方向。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，以現場可更換單元(LRU)為基礎，通過多個LRU的拼裝組合實現指定功能；另一種是以現場可更換模塊(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，通過背板實現各類信號互聯和信息傳遞。

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境和空間尺寸要求，開展各功能模塊的結構設計。

根據設備功能劃分，該機載電子設備由信息處理模塊、收發處理模塊、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機械互聯，由尾部混裝連接器(帶導向銷)對插實現模塊間的電氣互聯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，實現與飛機平臺互聯；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定的熱環境下能夠正常工作，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所示數據分析知：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，由于收發模塊裝于信息處理殼體內部，電子元器件產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生的熱量傳導至模塊殼體，進而通過對流和輻射實現熱量消散。模塊殼體均采用導熱性能優異的鋁合金材料，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，為節約計算成本、減少網格數量，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。采用非連續性網格劃分，對小尺寸結構如散熱齒、芯片、導熱墊等作網格加密處理，其余部分可適當增大網格尺寸。熱仿真模型共包含504.7萬個節點、406.2萬個單元，主要部件材料參數如表2所示。設定仿真溫度為+70 ℃，默認流體為空氣，流態設置為湍流，打開輻射換熱選項，進行穩態模擬計算。

表2 材料參數表

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進行優化，通過優化蓋板厚度、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進行校核，其計算公式如下：

(1)

式中：

η

為剩余強度系數，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如表3所示。

表3 主要部件材料屬性參數表

圖8 設備力學仿真模型

3.3 模態分析

模態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振型。在ANSYS Workbench中進行模態分析，仿真結果如表4所示，對應的模態振型如圖9所示。

表4 模態分析結果

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

圖9 設備前四階模態振型云圖

3.4 隨機振動分析

在模態分析的基礎上，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境適應性要求，在產品研制階段即采用數值仿真軟件，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化的設計思路，對其他類似產品的結構設計具有一定的參考價值和借鑒意義。