某星載設(shè)備環(huán)境綜合仿真*

管宇輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第36研究所, 浙江 嘉興 314033)

1 引 言

國(guó)外曾對(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行過(guò)故障剖析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于振動(dòng)、溫度造成的故障率高達(dá)44%[1]。由于航天電子產(chǎn)品工作環(huán)境的特殊性，不可能在地面上完全在試驗(yàn)狀態(tài)下模擬電子設(shè)備的工作環(huán)境，因此，計(jì)算機(jī)仿真就成為星載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。筆者介紹了采用有限元分析軟件ANSYS和Flotherm對(duì)某星載設(shè)備進(jìn)行有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真和熱仿真的完整過(guò)程。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

本單機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，直接在模塊上設(shè)計(jì)安裝支角，如圖1所示，這樣的結(jié)構(gòu)使設(shè)備的空間利用率較高。整個(gè)設(shè)備由3個(gè)模塊盒組成，模塊盒之間采用螺桿相互連接；模塊印制板和模塊盒蓋板采用螺釘和模塊盒連接。整個(gè)設(shè)備直接固定在荷載艙內(nèi)，模塊端面直接與衛(wèi)星安裝平臺(tái)接觸，熱傳導(dǎo)路徑最短，熱設(shè)計(jì)比較合理。圖2所示為模塊內(nèi)部的示意圖。

圖1 備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 模塊示意圖

3 動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 模型建立以及網(wǎng)格劃分

本文的分析對(duì)象為某星載電子設(shè)備，有限元分析模型如圖3所示。

圖3 動(dòng)力學(xué)仿真分析模型示意圖

由上所知，整個(gè)裝配體具有下列特點(diǎn)：①部件比較多，但是連接形式固定，均可以看成是用螺釘連接，而且連接點(diǎn)很多；②印制板結(jié)構(gòu)形式比較統(tǒng)一，均為多層板結(jié)構(gòu)形式。

由于比較關(guān)注模型的整體動(dòng)力學(xué)特性和印制板的局部動(dòng)力學(xué)特性，因此根據(jù)實(shí)際模型的特點(diǎn)，做了以下簡(jiǎn)化：①印制板采用多層板單元建模，印制板上元器件安裝產(chǎn)生的附加結(jié)構(gòu)剛度不予考慮，同時(shí)印制板上的安裝器件按照均布質(zhì)量考慮；②忽略實(shí)際模型中對(duì)于整體印動(dòng)力學(xué)特性影響不大的孔、槽等結(jié)構(gòu)，比如螺釘孔等；③螺釘和螺桿連接簡(jiǎn)化為有限元模型中結(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合；④模塊盒上方的插座采用集中質(zhì)量建模。

整個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)量大概在10萬(wàn)左右，對(duì)于應(yīng)力關(guān)注的部位，比如印制板等采用網(wǎng)格加密，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。

材料性能參數(shù)：銅：屈服強(qiáng)度60 MPa，e=128 GPa,密度8.9E3,泊松比：0.3；FR4: 抗拉強(qiáng)度96.5 MPa,e=21 Gpa,密度1 800，泊松比：0.2；鋁LF5:屈服強(qiáng)度140 MPa,E=70.6 GPa,密度2 700，泊松比：0.3；鋼：屈服強(qiáng)度200 MPa,E=210 GPa,密度7 850，泊松比：0.28。

3.2 邊界條件的設(shè)置

正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。隨機(jī)振動(dòng)頻譜圖如圖4所示。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表2所列。

表1 正弦對(duì)數(shù)掃頻試驗(yàn)條件

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖4 隨機(jī)振動(dòng)頻譜圖

3.3 有限元結(jié)果分析

3.3.1固有頻率分析

設(shè)備固有頻率(Hz)，為了隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算的考慮，結(jié)果取了前2 000 Hz的頻率點(diǎn)，從結(jié)果可以看出，總共有100階的固有頻率點(diǎn)。

從表3和圖5結(jié)合模態(tài)振型分析,我們可以發(fā)現(xiàn)，由于該設(shè)備中具有比較多的子裝配體(印制板)，同時(shí)子裝配體由于部分結(jié)構(gòu)相似，因此計(jì)算得到的固有頻率點(diǎn)靠的比較近。一般情況下，局部模態(tài)并不能真實(shí)的反映一個(gè)結(jié)構(gòu)的整體剛強(qiáng)度特性。同時(shí)從結(jié)果來(lái)看，整個(gè)設(shè)備剛性較好，固有頻率點(diǎn)頻率較高。

圖5 設(shè)備固有頻率仿真結(jié)果

階數(shù)頻率(Hz)階數(shù)頻率(Hz)1240.411722.792439.7612783.783471.5913789.384493.1214803.995502.4215837.286528.0816841.17545.7317845.758596.818848.019637.3619848.7610661.8620861.9

3.3.2正弦振動(dòng)分析

從模態(tài)分析結(jié)果看，處理機(jī)固有頻率遠(yuǎn)高于100 Hz,在試驗(yàn)頻段沒(méi)有共振響應(yīng)。頻率為100 Hz時(shí)應(yīng)力最大，仿真結(jié)果如圖6所示。

最大應(yīng)力值：從圖6、7可以看出，盒體上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在模塊之間連接點(diǎn)附近也就是有限元模型中結(jié)點(diǎn)耦合的附近，而其余位置的應(yīng)力值都不是很大，最大值為17 MPa。我們最關(guān)注的印制板上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在印制板固定孔附近，但是數(shù)值較小，為7.5 MPa，由仿真結(jié)果可以看出整個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較合理，能夠有效的改善印制板的受力情況。

從結(jié)果還能看出，幾塊印制板的應(yīng)力分布不平均，進(jìn)一步分析可以知道，尺寸小的印制板應(yīng)力小，而尺寸大的印制板受力情況要差一些，應(yīng)力值也大，因此以后設(shè)計(jì)印制板時(shí)要盡量減小印制板的尺寸，改善印制板的受力狀況。此外還可以知道相似結(jié)構(gòu)的模塊盒受力狀況類似，因此，這些模塊盒的設(shè)計(jì)可以采用類似的設(shè)計(jì)。

圖6 設(shè)備正弦振動(dòng)應(yīng)力圖(整機(jī)) 圖7 正弦振動(dòng)應(yīng)力圖(印制板)

3.3.3隨機(jī)振動(dòng)分析

由于在隨機(jī)振動(dòng)中我們最關(guān)注的是印制板上的應(yīng)力情況，因此選取對(duì)于印制板受力最惡劣的情況也即Z向(垂直印制板方向)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果各模塊及模塊內(nèi)印制板的應(yīng)力圖見(jiàn)圖8、9所示。

圖8 模塊盒體隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力圖 圖9 印制板隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力圖

ANSYS中隨機(jī)振動(dòng)分析是基于概率和統(tǒng)計(jì)的譜分析技術(shù)，主要是通過(guò)模態(tài)綜合的方法來(lái)計(jì)算響應(yīng)值。由于隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算屬于統(tǒng)計(jì)概率的技術(shù)，因此最后計(jì)算結(jié)果為3б時(shí)的值，所有參數(shù)都是假定為0均值的正態(tài)分布。3б時(shí)的應(yīng)力值如圖8、9所示。從圖中可以分析得到以下結(jié)論:隨機(jī)振動(dòng)的強(qiáng)度大于正弦振動(dòng)；盒體上最大應(yīng)力值出現(xiàn)于盒體與安裝平臺(tái)固定孔附近，數(shù)值為87 MPa，而印制板的最大應(yīng)力值出現(xiàn)于印制板的固定孔附近，數(shù)值為47 MPa左右；與正弦振動(dòng)的類似，隨機(jī)振動(dòng)的最大應(yīng)力值也都是出現(xiàn)在耦合結(jié)點(diǎn)附近。

4 熱仿真

4.1 熱仿真模型建立

星載設(shè)備只需要考慮在真空環(huán)境下的傳導(dǎo)和輻射散熱，建立的仿真模型如圖10所示。

在建模過(guò)程中，忽略電連接器、螺孔等細(xì)節(jié)，考慮接觸熱阻、結(jié)構(gòu)表面的輻射參數(shù)等因素，同時(shí)對(duì)于熱耗大于0.3 W的器件都進(jìn)行了建模。對(duì)于散熱器件，采用了直接安裝在盒體上以及在散熱器件上增加導(dǎo)熱塊這兩種方式，如圖11所示。

圖10 熱仿真模型示意圖

圖11 器件散熱方式

4.2 熱性能參數(shù)和邊界條件

(1) 印制板傳導(dǎo)系數(shù)的設(shè)定 印制板為多層板(主要為兩層板和六層板)，傳導(dǎo)層共1或3層，每層厚度0.018 mm，覆蓋面積約為90%；還有銅基板，為傳導(dǎo)層和基材層，其中傳導(dǎo)層為1 mm厚的銅，覆蓋面積約為90%。

(2) 接觸熱導(dǎo)率的設(shè)定 一般情況下，接觸熱導(dǎo)取值范圍為200～1 000 W/m2·K，在本次熱分析中，鋁板直接接觸時(shí)，取接觸熱導(dǎo)值363.6 W/m2·K，涂導(dǎo)熱填料后，一般取接觸熱導(dǎo)值1 000 W/m2·K。

(3) 材料屬性的設(shè)定 材料屬性如表4所示。

表4 材料屬性表

(4) 熱分析邊界條件設(shè)定 根據(jù)實(shí)際環(huán)境，設(shè)定模塊安裝面溫度為70°，設(shè)備周圍的輻射環(huán)境溫度為70 ℃。

(5) 求解設(shè)置 根據(jù)使用條件，對(duì)模型進(jìn)行傳導(dǎo)和輻射的仿真計(jì)算。熱仿真結(jié)果分析設(shè)備中3個(gè)模塊熱仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 模塊溫度云圖

從圖12中可以看出，模塊中器件最高殼溫為96度左右，根據(jù)器件資料可以知道滿足工作要求。

5 結(jié) 論

采用Ansys和Flotherm對(duì)星載設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和熱仿真計(jì)算，能夠有效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，能在設(shè)計(jì)源頭將可能遇到的一系列問(wèn)題考慮充分，并體現(xiàn)在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可有效降低后期的歸零成本，保證研制工作順利進(jìn)行。

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