新一代機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計方法初探*

陳 濤，張慶軍，劉德悟

(四川九洲電器集團(tuán)， 四川 綿陽 621000)

新一代機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計方法初探*

陳 濤，張慶軍，劉德悟

(四川九洲電器集團(tuán)， 四川 綿陽 621000)

文中針對傳統(tǒng)機(jī)載電子設(shè)備研制中，結(jié)構(gòu)性能參數(shù)模糊，產(chǎn)品研發(fā)周期較長，后期排故較難等問題，在產(chǎn)品設(shè)計的多個階段，引入數(shù)字仿真工具，進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和熱、力學(xué)有限元分析。采用相關(guān)測試方法對數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行修正，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，使設(shè)計方案得到充分驗證，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。這些方法的應(yīng)用使產(chǎn)品存在的一些問題得到快速暴露和解決，有效地提高了產(chǎn)品的可靠性和數(shù)字化程度。

有限元設(shè)計方法；測試技術(shù)；可靠性強(qiáng)化

引 言

隨著國家信息化建設(shè)的逐步深入，不同的技術(shù)層面都發(fā)生著巨大的變化。就軍用電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域而言，新的要求對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的觀點(diǎn)、理念和生產(chǎn)工藝提出了挑戰(zhàn)，需要設(shè)計人員相應(yīng)調(diào)整設(shè)計思路，不斷更新設(shè)計方法和手段。

傳統(tǒng)的軍用電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計大多參照老產(chǎn)品和依靠設(shè)計人員的個人經(jīng)驗，以驗證試驗為判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和保障，由于試驗條件有限和產(chǎn)品個體的差異性，這種方式在一定程度上很難在設(shè)計階段給出較準(zhǔn)確的產(chǎn)品性能參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量評價較為模糊，從而，造成產(chǎn)品設(shè)計的一些局限性。

鑒于以上原因，本文闡述的某樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計做了一些新的探索和嘗試。設(shè)計人員在產(chǎn)品不同的設(shè)計階段對設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)級綜合分析和元器件級的詳細(xì)分析，引薦了一些設(shè)計方法和測試手段，建立起較完整的數(shù)字樣機(jī)模型，對數(shù)字樣機(jī)的力學(xué)特性以及熱力場分布等特性進(jìn)行仿真分析，并通過多種測試對數(shù)字樣機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，經(jīng)過多次設(shè)計迭代，較系統(tǒng)地優(yōu)化了樣機(jī)結(jié)構(gòu)。

同時，通過各種相關(guān)試驗的驗證，獲得了樣機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為產(chǎn)品的后續(xù)升級和引用奠定了基礎(chǔ)。通過對樣機(jī)的全數(shù)字仿真與測試，以及新的試驗技術(shù)的應(yīng)用，在此領(lǐng)域產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字化、信息化建設(shè)方面，積累了一些經(jīng)驗。

本文以某樣機(jī)的研制為例，簡要介紹了工程應(yīng)用中機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的一些新思路、新技術(shù)與新方法。

1 有限元設(shè)計分析與仿真

在工程技術(shù)領(lǐng)域，對于力學(xué)問題或其他場問題，已經(jīng)得到了基本微分方程和相應(yīng)的邊界條件。但能用解析方法求出精確解的只是方程性質(zhì)比較簡單且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的少數(shù)問題[1]。

有限元法作為一種數(shù)值方法，在工程中的應(yīng)用越來越普遍，已由求解靜力學(xué)問題擴(kuò)展到求解動力學(xué)問題、穩(wěn)定問題；從線性分析擴(kuò)展到物理、幾何和邊界的非線性分析，分析的對象也從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等其他領(lǐng)域。

有限元設(shè)計方法是可靠性仿真試驗的基礎(chǔ)，通過“仿真分析—設(shè)計改進(jìn)—仿真分析”的迭代過程，不斷發(fā)現(xiàn)原設(shè)計中存在的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，盡早解決產(chǎn)品中存在的問題，取得最優(yōu)的權(quán)衡方案，為提高機(jī)載電子設(shè)備的性能提供了新的技術(shù)途徑。

在某樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，規(guī)范地應(yīng)用了有限元設(shè)計方法進(jìn)行分析設(shè)計，解決的主要問題有以下幾個方面。

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

機(jī)載電子設(shè)備實現(xiàn)的功能越來越全面，性能要求越來越高，設(shè)備向小型化、模塊化方向發(fā)展，因此重量的分配與控制顯得尤為重要，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計變得尤為迫切，以最小型化的結(jié)構(gòu)形式滿足設(shè)備性能已成為普遍的要求。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分為尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、布局優(yōu)化、控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有優(yōu)化準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、混合法、多級優(yōu)化算法等。一般拓?fù)鋬?yōu)化問題屬于非線性優(yōu)化問題，其特點(diǎn)是約束和實際變量多[1]。優(yōu)化過程就是對目標(biāo)函數(shù)在滿足要求的前提下，尋求其最佳數(shù)值的過程。

一般而言，廣義結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為

Minf(X)

s.t.gi(X)=0 (i=1,2,…,q)

gi(X)≤0 (i=q+1,q+2,…,p)

式中：目標(biāo)函數(shù)f(X)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量、成本、應(yīng)力甚至多目標(biāo)等；約束函數(shù)gi(X)為變量的上下界、位移、應(yīng)力、頻率、屈曲及瞬態(tài)響應(yīng)約束等[1]。

下面簡要說明拓?fù)鋬?yōu)化在產(chǎn)品重量控制設(shè)計中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)減重設(shè)計是從總體布局、材料、選用重量輕的貨架產(chǎn)品和連接器以及縮短線纜長度等方面著手，大多依靠經(jīng)驗。而整個系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的優(yōu)化是一條趨于問題本源的解決途徑。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前，可以在方案設(shè)計階段應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS中的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化功能，對設(shè)備作減重探索設(shè)計，得到一個指導(dǎo)性的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計并迭代，從而實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目的，并且使得產(chǎn)品整個設(shè)計流程具有可追溯性。

本樣機(jī)優(yōu)化過程中使用了ABAQUS提供的拓?fù)鋬?yōu)化工具，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減重設(shè)計后，使用分析軟件再對產(chǎn)品的重量、重心、自身慣性矩、自身慣性積等參數(shù)進(jìn)行再次分析，并進(jìn)行減重后的剛度強(qiáng)度等考核指標(biāo)的校核。

1.2 隨機(jī)振動的線性動力學(xué)分析

在隨機(jī)振動的線性動力學(xué)分析中，首先，對設(shè)備進(jìn)行有限元數(shù)字樣機(jī)建模，數(shù)字樣機(jī)包括三維模型、組件和元器件體積重量、材料屬性、約束條件等方面的信息。本文討論的數(shù)字樣機(jī)分網(wǎng)到大于1 g重量的重要功能元件。其次，對經(jīng)過前處理的數(shù)字樣機(jī)，通過有限元仿真求解器得到設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)。最后在設(shè)備的相關(guān)位置輸入隨機(jī)振動的激勵譜型，得到設(shè)備隨機(jī)振動頻率響應(yīng)結(jié)果。

在該數(shù)字樣機(jī)分析過程中，根據(jù)工程經(jīng)驗，使用Pro/E對三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕热鐒h除不必要的幾何小特征等，再將模型導(dǎo)入ABAQUS中，進(jìn)行相關(guān)前處理、提交計算等，對數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動仿真分析云圖見圖1，部分分析結(jié)果見表1。

圖1 整機(jī)的位移均方根和加速度均方根最大值云圖

項目部位最大值位置加速度均方根值機(jī)箱8．67g機(jī)箱側(cè)板模塊17．83gPCB板模塊27．67g模塊2下部位移均方根值/mm機(jī)箱0．026機(jī)箱左側(cè)面模塊10．019模塊1下部模塊20．034模塊2下部

通過數(shù)字樣機(jī)的仿真分析，可以得出：本樣機(jī)機(jī)箱側(cè)板的法向加速度均方根值和模塊2下部的位移均方根值相對較大，分別為8.67g和0.034 mm，已經(jīng)明顯低于前一輪仿真得到的最大值。這說明經(jīng)過設(shè)計改進(jìn)，上一輪仿真的薄弱部位的響應(yīng)幅值大大降低。

1.3 沖擊等非線性動力學(xué)分析

對于墜撞、沖擊等高速、瞬時的動力學(xué)問題，在有限元分析中，通常使用顯式有限元程序求解。

以樣機(jī)某一組成單元為例，建立單元的數(shù)字模型，輸入材料屬性，建立零件間接觸對，劃分網(wǎng)格，施加載荷。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，共6 548個節(jié)點(diǎn)，3 252個單元。單元數(shù)字模型如圖2所示。

圖2 單元數(shù)字模型

經(jīng)過分析，單元各個方向的強(qiáng)度結(jié)果見表2。單元應(yīng)力最大處位于4個安裝孔周圍，此面板材料為2A12-T4，其力學(xué)性能δb=420 MPa。

表2 單元強(qiáng)度結(jié)果(處理后數(shù)據(jù))

由以上分析結(jié)果可知，在后鋸齒波沖擊下，11 ms瞬態(tài)，此種結(jié)構(gòu)形式的局部應(yīng)力峰值最大為89.5 MPa，小于材料的拉伸強(qiáng)度。因此，墜撞、沖擊條件下，單元符合強(qiáng)度安全要求。

1.4 各種邊界條件下的溫度場耦合分析

有限元方法是求解熱設(shè)計問題的有效數(shù)值方法，能適用于復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)、各種材料和邊界條件。通過熱傳導(dǎo)分析，可以得到溫度場分布，找出各個組成模塊中的高溫器件，求解由熱應(yīng)力引起的振動、疲勞等一系列工程技術(shù)問題。

應(yīng)用CFD軟件ICEPAK進(jìn)行仿真分析，得到樣機(jī)中某組成模塊在環(huán)境溫度70 ℃條件下的溫度場分布，見圖3。

圖3 模塊1溫度場分布

2 測試分析技術(shù)

可靠性仿真試驗已經(jīng)逐步得到應(yīng)用。在仿真試驗過程中，設(shè)備的溫度測試和模態(tài)測試是仿真驗證的重要組成部分，利用測試結(jié)果對可靠性仿真試驗的數(shù)字模型進(jìn)行修正并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義。

2.1 溫度測試

在溫度測試中，應(yīng)用紅外成像儀得到本樣機(jī)的溫度場分布，根據(jù)溫度場分布情況，采用接觸式方法對主要發(fā)熱器件進(jìn)行準(zhǔn)確的熱電偶測量試驗。熱測量試驗分4個層次進(jìn)行，包括整機(jī)、模塊、電路板及元器件的熱測試，具體如下：

在常溫環(huán)境下，將溫度傳感器一端連接溫度巡檢儀，另一端貼于機(jī)箱和模塊外表面中心、電路板和各主要發(fā)熱器件上，將樣機(jī)整機(jī)通電，以最大功耗運(yùn)行，等待熱平衡后，通過溫度巡檢儀采集溫度數(shù)據(jù)。布置溫度傳感器時要進(jìn)行傳感器檢驗，可以使用熱水作為熱源檢測。粘貼測溫點(diǎn)時，要準(zhǔn)確并緊密地貼合，盡可能減小測量誤差。

表3為樣機(jī)中部分模塊的溫度測試結(jié)果，圖4是用紅外成像儀拍攝的部分模塊溫度場分布。

圖4 模塊2和模塊3的溫度場分布

模塊名稱對應(yīng)器件熱測量結(jié)果/℃環(huán)境28℃環(huán)境70℃模塊2A1#47．878．3A2#47．177．7A3#50．380．8A4#49．180．6A5#47．178．2模塊3B1#54．284．4B2#54．581．2B3#53．384．1B4#59．393．8B5#59．089．3

根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，模塊2作為主要的發(fā)熱模塊，一般緊靠機(jī)箱的外壁。但是，從溫度場分布以及多次熱測量得到的大量數(shù)據(jù)可以看到：模塊2溫度整體低于模塊3，其中的關(guān)鍵器件溫度遠(yuǎn)低于模塊3中某些主要器件的溫度。模塊3中的DSP等器件一直處于工作狀態(tài)，成為主要熱源。這從根本上糾正了我們認(rèn)識的局限性和偏差，為以后產(chǎn)品的合理設(shè)計提供了依據(jù)。

在測試中還發(fā)現(xiàn)，器件表面三防漆的鍍層厚度對器件散熱效果有較大影響。因此在選擇器件表面保護(hù)層時，應(yīng)適當(dāng)考慮散熱性能。

2.2 模態(tài)測試

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的一種方法，它和有限元技術(shù)一起成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)的兩大支柱。要提高產(chǎn)品可靠性，在產(chǎn)品的研制階段了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，并能夠根據(jù)動態(tài)特性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、快速改進(jìn)尤為重要。對機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行模態(tài)測試分析是識別結(jié)構(gòu)固有特性的一種較為經(jīng)濟(jì)、快捷、有效的試驗方法[2]。

由于機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非線性等原因，建立有限元模型時會進(jìn)行一系列簡化和假設(shè)，而且在進(jìn)行動力學(xué)計算時，阻尼參數(shù)往往是經(jīng)驗值，這些都會影響分析結(jié)果。使用模態(tài)測試分析結(jié)果來檢查、補(bǔ)充和修正原始有限元模型，應(yīng)用修正后的有限元模型及模態(tài)阻尼參數(shù)計算結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性和響應(yīng)，進(jìn)一步指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。本文模態(tài)測試分析系統(tǒng)采用東方所的INV3020系列采集儀和信號處理軟件。以下簡要說明應(yīng)用錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗的方案。

首先，采用力錘對樣機(jī)結(jié)構(gòu)提供激振力，激振信號和響應(yīng)信號經(jīng)電荷放大器放大后送到信號采集儀，然后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，最后由信號分析軟件進(jìn)行信號分析和處理，以獲取所需的模態(tài)參數(shù)。

具體試驗方法有單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)、多點(diǎn)激勵單點(diǎn)響應(yīng)和多點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)。目前，應(yīng)用最廣泛的是單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)和多點(diǎn)激勵單點(diǎn)響應(yīng)。本樣機(jī)采用單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)方法，用壓電傳感器測量設(shè)備的多點(diǎn)響應(yīng)。邊界條件以模態(tài)實際工作狀態(tài)為原則。

采樣時，要求選取足夠高的采樣頻率fs。一般地，要求fs高出信號成分中最高頻率fm的2倍，即fs>2fm。本系統(tǒng)采用2.56倍，既可以降低硬件要求，又保證了采集信號的完整性。傳感器的布點(diǎn)位置一般為樣機(jī)的特征幾何位置，測點(diǎn)布置采用網(wǎng)格化密集布點(diǎn)方式，以采集到樣機(jī)的主要響應(yīng)量值。樣機(jī)模態(tài)的仿真和測試結(jié)果見表4。

表4 樣機(jī)模態(tài)的仿真和測試結(jié)果(處理后數(shù)據(jù))

3 可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)

從產(chǎn)品發(fā)展的角度來看，“研制的快速、精度的提高、使用的高可靠和長壽命”始終是機(jī)載設(shè)備發(fā)展的核心。要在這些方面取得突破，新技術(shù)的引入和使用是必不可少的。

為了適應(yīng)產(chǎn)品這種不斷發(fā)展的需求，國外一些企業(yè)在產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)過程中逐步發(fā)展起來了相關(guān)的先進(jìn)試驗技術(shù)，用于產(chǎn)品的快速研發(fā)?？煽啃詮?qiáng)化試驗就是這些先進(jìn)試驗方法的代表之一。目前，可靠性強(qiáng)化試驗在國外已獲得較為廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)也陸續(xù)展開工作，并逐步在型號工程中應(yīng)用。

可靠性強(qiáng)化試驗是一種采用加速應(yīng)力的可靠性研制試驗，目的是使產(chǎn)品設(shè)計得更為“健壯”?；痉椒ㄊ峭ㄟ^施加步進(jìn)應(yīng)力，不斷加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)和驗證，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，并使產(chǎn)品的耐環(huán)境能力達(dá)到最高，直到現(xiàn)有材料、工藝、技術(shù)和費(fèi)用支撐能力無法做進(jìn)一步改進(jìn)為止[3]。

可靠性強(qiáng)化試驗具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)傳統(tǒng)的環(huán)境和可靠性試驗是一種“模擬”試驗，主要是在試驗室內(nèi)模擬產(chǎn)品可能的實際使用環(huán)境，用以激發(fā)產(chǎn)品故障，判斷產(chǎn)品是否能夠滿足未來使用的要求?？煽啃詮?qiáng)化試驗不要求模擬環(huán)境的真實性，而是強(qiáng)調(diào)環(huán)境應(yīng)力的激發(fā)效應(yīng)，快速尋找產(chǎn)品缺陷，從而實現(xiàn)研制階段產(chǎn)品可靠性的快速增長，進(jìn)而縮短研制周期，降低研制成本。

2)可靠性強(qiáng)化試驗是一種加速應(yīng)力試驗，采用步進(jìn)應(yīng)力方法，施加的環(huán)境應(yīng)力是逐步遞增的，如圖5所示。

圖5 步進(jìn)應(yīng)力示意圖

3)可靠性強(qiáng)化試驗對產(chǎn)品施加三軸六自由度振動和高溫變率[3]。

本樣機(jī)可靠性強(qiáng)化試驗的流程為：低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗、快速溫度循環(huán)試驗、振動步進(jìn)應(yīng)力試驗和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗5個階段。在試驗過程中，結(jié)合仿真和測試的結(jié)果，對關(guān)鍵器件和重點(diǎn)部位進(jìn)行實時監(jiān)控，以獲得產(chǎn)品的耐環(huán)境應(yīng)力參數(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對樣機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，有效提高了產(chǎn)品的可靠性。

4 結(jié)束語

某工程樣機(jī)的研制中，結(jié)構(gòu)總體運(yùn)用當(dāng)今先進(jìn)的設(shè)計工具，較系統(tǒng)地實踐了規(guī)范性、科學(xué)性和先進(jìn)性的設(shè)計思路，整個設(shè)計過程貫穿有限元設(shè)計與仿真、測試與可靠性強(qiáng)化試驗等方法與手段，提高了機(jī)載電子設(shè)備的性能水平和數(shù)字化程度。

[1] 中國機(jī)械設(shè)計大典編委會. 中國機(jī)械設(shè)計大典：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法[M]. 南昌: 江西科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

[2] 應(yīng)懷樵. 現(xiàn)代振動與噪聲技術(shù)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2010.

[3] 龔慶祥, 趙宇, 顧長鴻. 型號可靠性工程手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[4] 莊茁, 張帆, 岑松, 等. ABAQUS非線性有限元分析與實例[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[5] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

陳 濤(1969-)，女，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

張慶軍(1973-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

劉德悟(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Pilot Study on Structural Design of New Airborne Electronic Equipment

CHEN Tao，ZHANG Qing-jun，LIU De-wu

(SichuanJiuzhouElectricGroup，Mianyang621000,China)

Aiming at the problems in traditional development of airborne electronic equipment such as ambiguous structure parameters, long product development cycle, and difficult failure recovery in later use. This paper incorporates the digital simulation tools to perform topology optimization design and dynamical and thermal finite element analysis in multiple stages of structural design. The digital prototype is modified by relevant test method, and the experiment is carried out according to relevant standards to verify the design scheme which provides the basis for further structure optimization. By these methods, some problems in the product are rapidly exposed and solved, and the reliability and digitalization level of the product are effectively improved.

finite element method; test technology; reliability reinforcement

2013-06-04

V241.03

A

1008-5300(2013)05-0029-05