某型發(fā)控盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析*

謝軍虎，劉俊華

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

發(fā)控電氣部件位于發(fā)射裝置內(nèi)，介于飛機(jī)航電系統(tǒng)與導(dǎo)彈之間，與飛機(jī)航電系統(tǒng)通過(guò)信息交聯(lián)完成對(duì)導(dǎo)彈的識(shí)別、供電、準(zhǔn)備和發(fā)射。發(fā)控盒是發(fā)控電氣的核心，包含總線接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、發(fā)控功能電路、點(diǎn)火電路、發(fā)射時(shí)序控制等，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與導(dǎo)彈之間的通信，完成導(dǎo)彈準(zhǔn)備和導(dǎo)彈發(fā)射。

作為軌式發(fā)射裝置的重要組成部分，發(fā)控盒所處的工作環(huán)境非常惡劣，新一代戰(zhàn)機(jī)對(duì)其配套產(chǎn)品的可靠性、抗振性和電磁兼容性等提出了很高的要求，有高強(qiáng)度的振動(dòng)和沖擊條件、嚴(yán)酷的溫度范圍、較強(qiáng)的電磁干擾等，發(fā)控盒內(nèi)部的各種元器件要在這些惡劣的環(huán)境下保持正常工作，必須依靠良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

發(fā)控盒有苛刻的尺寸限制和惡劣的工作環(huán)境要求，發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從為電氣功能服務(wù)的原則出發(fā)，除應(yīng)符合基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理外，還應(yīng)滿足電氣性能的要求，確保發(fā)控盒在惡劣的環(huán)境下能可靠的工作。

1.1 組成

發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)通常由底座、前后端蓋、插頭座、主電纜和外罩等組成。發(fā)控盒各個(gè)功能電路板、執(zhí)行繼電器、電阻等經(jīng)主電纜和接插件相連，并用螺釘固定在合適位置上，底座通常固定在發(fā)射架殼體上。

1.2 發(fā)控盒的設(shè)計(jì)要求

發(fā)控盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性等要求，一般應(yīng)從以下四方面考慮來(lái)提高上述性能:

a)所選用材料的三防性能:為了保護(hù)電子元器件和印制電路板免受潮濕和鹽霧環(huán)境的影響，產(chǎn)品應(yīng)具有密封性，所有用于外結(jié)構(gòu)件連接的緊固件均應(yīng)鍍鎘鈍化處理，對(duì)電路板組件采用涂敷處理。所選涂敷材料應(yīng)具有良好的絕緣和機(jī)械性能、較強(qiáng)的抗潮濕、抗鹽霧、抗熱循環(huán)、抗老化及抗振能力。

b)發(fā)控盒的熱設(shè)計(jì):熱設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品的發(fā)熱元器件以及系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制所采取的措施，其目的在于保證產(chǎn)品正常、穩(wěn)定、可靠工作。電子設(shè)備熱控制的目的是要為芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)提供良好的熱環(huán)境，防止電子元器件熱失效，保證它們?cè)谝?guī)定的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的參數(shù)正常、可靠的工作。熱控制系統(tǒng)必須在規(guī)定的使用期內(nèi)完成所規(guī)定的功能，并以最少的維護(hù)保證其正常工作的功能。

c)發(fā)控盒的抗振與減振:發(fā)控盒應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身不能有效地克服因機(jī)械力引起的材料疲勞、結(jié)構(gòu)諧振等影響時(shí)，就要采取減振與緩沖措施，以避免或減弱上述因素造成的性能下降。若長(zhǎng)期受振動(dòng)或沖擊作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞、元器件引線或焊點(diǎn)斷裂、電回路失諧等故障。因電子產(chǎn)品在某些激振頻率作用下會(huì)產(chǎn)生共振，其振幅越來(lái)越大，最后造成設(shè)備的不可逆損壞。為了防止振動(dòng)對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生危害，通常在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮采用減振設(shè)計(jì)。常用的減振設(shè)計(jì)方法有隔振設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)剛性化設(shè)計(jì)、去耦設(shè)計(jì)及有阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

d)電磁兼容性設(shè)計(jì):為使產(chǎn)品能在電磁環(huán)境中良好運(yùn)行，并不對(duì)其所在環(huán)境產(chǎn)生難以承受的電磁干擾的能力，應(yīng)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案中考慮并采取電磁兼容措施，進(jìn)行電磁屏蔽與接地的設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)性。其措施包括:噪聲的抑制、消除噪聲的耦合通道和抑制接收系統(tǒng)的噪聲等。

2 某型發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及分析

某型發(fā)控盒是某新型發(fā)射裝置的重要組成部分，安裝在發(fā)射裝置內(nèi)，與多種系列的飛機(jī)交聯(lián)，可完成對(duì)兩型導(dǎo)彈的供氣、供電和發(fā)射等功能。

根據(jù)維修性和模塊化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將發(fā)控盒分為以下幾個(gè)模塊:機(jī)架組合、印制板組合、電源組合和繼電器模塊等。

2.1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)在PDM系統(tǒng)中直接利用UG軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，先后設(shè)計(jì)出兩種方案如圖1和圖2所示。

圖1 F1發(fā)控盒

圖2 F2發(fā)控盒

兩種方案均采用了大梁內(nèi)腔相似的菱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分:機(jī)架組合、繼電器組合、印制板組合和電源組合。

兩種方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有如下共同點(diǎn):

a)在材料選取上，大部分零件采用鋁合金預(yù)拉伸板，兼顧了產(chǎn)品的強(qiáng)度和重量要求。

b)在表面處理上，所有鋁合金材質(zhì)的零件都采用了化學(xué)導(dǎo)電氧化處理，滿足產(chǎn)品的電磁兼容性要求。

c)在裝發(fā)控盒外罩前將前端蓋、后端蓋和基座周邊與外罩接觸的地方涂上硅橡膠，所有的緊固件也作了點(diǎn)膠處理，進(jìn)行濕裝配，確保發(fā)控盒的密封性，滿足產(chǎn)品的三防性能。

d)模塊化的設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品在裝配過(guò)程中，布線方便，拆卸容易，故障定位簡(jiǎn)單易行，維修性和測(cè)試性較強(qiáng)。

e)對(duì)變壓器等大體積元器件用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封處理，使其內(nèi)部的各個(gè)集中慣量為分布式慣量，以消除內(nèi)部的振動(dòng)耦合，大大提高器件的抗振能力。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)緊固件采取防松措施，防止振動(dòng)中松動(dòng)或脫落。

f)電磁繼電器固定時(shí)使觸點(diǎn)動(dòng)作方向和銜鐵的吸合方向避開振動(dòng)最大方向，可提高抗沖擊振動(dòng)的能力。

兩種方案的不同點(diǎn)如下:

a)F1發(fā)控盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒飛機(jī)、計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的母板模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各印制板分別通過(guò)電連接器和螺釘與母板相連，完成各組件板的電氣信號(hào)連接和固定，并通過(guò)電纜完成與接口插頭的連接。F2方案因電氣功能的完善，取消母板設(shè)計(jì)，將豎直裝配改為水平裝配，通過(guò)螺釘和接插件將印制板固定并引出信號(hào)。

b)F1方案零件種類數(shù)量較多，連接方式多樣，除了螺紋連接，還有焊接和鉚接等。F2方案在F1方案的基礎(chǔ)上將部分零件合并，減少連接環(huán)節(jié)，取消鉚接，將焊接改為螺紋連接，縮短生產(chǎn)和裝配周期。

c)F1方案的功率器件和電阻分兩層用立柱固定在電源組合上方，F(xiàn)2方案中將功率器件直接安裝在基座上，提高產(chǎn)品的可靠性。

d)F2方案增加了濾波器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，用環(huán)氧樹脂灌封后，依據(jù)電路圖將其就近固定在上接口處即后端蓋上。

2.1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

文中的兩種方案均在設(shè)計(jì)初期考慮了產(chǎn)品的電磁兼容性，例如結(jié)構(gòu)表面處理為導(dǎo)電氧化，就近固定接地片等。

F1方案中將部分熱功率器件用立柱固定在變壓器上方，散熱性和抗振性較差。在F2方案中將F1基座的幾種零件合并，并將熱功率器件移至基座上，不僅提高了系統(tǒng)的剛性，還降低了熱阻，使得器件工作產(chǎn)生的熱量能迅速通過(guò)基座傳至發(fā)射架大梁上。

在減振和緩沖方面，因?yàn)榭臻g的限制，無(wú)法使用體積較大的減振器，通過(guò)合理固定器件和印制板等提高發(fā)控盒的整體剛度，在印制板與基座之間用環(huán)氧玻璃布層壓板進(jìn)行隔離，該材料的低熱阻可以有效降低基座上熱功率器件工作時(shí)對(duì)上層印制板的影響。

圖3 F1發(fā)控盒前四階模態(tài)

作為工程振動(dòng)領(lǐng)域的基本分析方法，模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，它們是承受動(dòng)態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以研究其動(dòng)力特征，在設(shè)計(jì)階段便可預(yù)知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)發(fā)控盒而言，進(jìn)行模態(tài)分析可在設(shè)計(jì)初期了解產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，可及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，使各階模態(tài)頻率盡量遠(yuǎn)離發(fā)射裝置的模態(tài)頻率，最大限度的減少對(duì)這些頻率的激勵(lì)，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高發(fā)控盒的可靠性。

利用ABAQUS軟件對(duì)簡(jiǎn)化的發(fā)控盒模型進(jìn)行模態(tài)分析，兩種方案的模態(tài)圖如圖3、圖4所示。

F1發(fā)控盒的前四階固有頻率為:f1=283.32Hz，f2=394.34Hz，f3=412.74Hz，f4=526.58Hz。

圖4 F2發(fā)控盒前四階模態(tài)

F2發(fā)控盒的前四階固有頻率為:f1=395.50Hz，f2=421.87Hz，f3=518.72Hz，f4=527.47Hz。

由模態(tài)振型圖可知，方案F1發(fā)控盒的前四階模態(tài)分析中，剛性薄弱點(diǎn)均在電源組合上方的功率器件和電阻板上;方案F2中將部分功率器件移至基座，且增加了功率組合與電源組合的接觸面積，并將印制板水平放置，其固有頻率有所提高。

2.3 小結(jié)

文中先后進(jìn)行了發(fā)控盒的2種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了模態(tài)分析，兩種方案的模態(tài)頻率均高于發(fā)射裝置的一階固有頻率120Hz，兩種方案均可應(yīng)用于發(fā)射裝置內(nèi)。根據(jù)倍頻法則，F(xiàn)2方案的整體剛性更好，經(jīng)過(guò)優(yōu)化布局，不僅具有F1方案的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還克服了其部分缺點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的固有頻率。將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙投產(chǎn)加工，在零件加工和裝配過(guò)程中全程跟蹤，模塊化的設(shè)計(jì)使得裝配、布線、測(cè)試和維修都非常便利。

3 結(jié)論

綜上所述，文中依據(jù)發(fā)控盒的指導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)了某新型發(fā)射裝置發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)發(fā)控盒進(jìn)行了模態(tài)分析，在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)方案更加完善，F(xiàn)2方案的發(fā)控盒在裝配調(diào)試后做了各項(xiàng)交付試驗(yàn)，如高低溫工作、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)等，在試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后均能正?？煽抗ぷ?。且該發(fā)控盒多次順利發(fā)射導(dǎo)彈，說(shuō)明該方案能夠滿足發(fā)控盒的工作要求，充分證明了其可行性。后續(xù)應(yīng)在該方案的基礎(chǔ)上采取減振設(shè)計(jì)，在局部關(guān)鍵器件部位采取隔振措施以提高其可靠性及耐振性，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)控盒的整體性能。

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