基于正向設(shè)計(jì)方法的機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

董偉，姜健，劉治虎，苗力

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

機(jī)載電子設(shè)備（以下簡稱“設(shè)備”）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需針對其實(shí)際使用環(huán)境開展相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，環(huán)境適應(yīng)性是指裝備（產(chǎn)品）在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是一項(xiàng)重要的質(zhì)量特性[1]。機(jī)載電子設(shè)備較常規(guī)的電子設(shè)備最重要的區(qū)別就在于其機(jī)載的環(huán)境適應(yīng)性要求。而機(jī)箱作為機(jī)載電子設(shè)備的重要組成部分，對于整個(gè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性起到了關(guān)鍵作用。很多功能相似的設(shè)備外觀卻截然不同，其主要原因就是所處的機(jī)載環(huán)境不同。

以GJB150和DO160為例，環(huán)境適應(yīng)性主要可分為幾大類，即振動(dòng)環(huán)境類、溫度環(huán)境類、氣候環(huán)境類、電磁環(huán)境類等。設(shè)備機(jī)箱作為結(jié)構(gòu)支撐，為了能夠使設(shè)備正常工作，針對幾大類環(huán)境要求，它需要為內(nèi)部的電路部分提供良好的抗振減振、溫度控制、電磁屏蔽、氣候防護(hù)環(huán)境，即需要從材料選型、結(jié)構(gòu)形式、表面涂覆、散熱方式等方面進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

一直以來，由于我國的飛機(jī)研制起步較晚，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，研制初期主要是以測仿學(xué)習(xí)的逆向設(shè)計(jì)方法為主，因?yàn)闆]有有效的工具和方法，大量的驗(yàn)證只能通過試驗(yàn)驗(yàn)證開展，這就使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要留有足夠的可靠性余度或便于迭代優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高、驗(yàn)證不充分導(dǎo)致故障、新技術(shù)難應(yīng)用等問題。雖然近年來仿真技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)快速發(fā)展，但是很多設(shè)計(jì)人員仍然停留在“逆向設(shè)計(jì)”的思維中，沒能很好地應(yīng)用這些技術(shù)。近些年來，隨著飛機(jī)整體功能體驗(yàn)的不斷提升，以及機(jī)載電子水平的發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備的集成度越來越高，飛機(jī)型號對于電子設(shè)備的輕量化和低成本的要求越來越高，而傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)或延改的方法和手段已經(jīng)無法滿足此需求。以波音787和空客A350的研制為例，復(fù)合材料的質(zhì)量占比高達(dá)50%和52%，這些先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)形式能夠得到順利應(yīng)用，起決定性的因素是要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和方法。同時(shí)，隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展和設(shè)計(jì)仿真工具的水平提升，“正向設(shè)計(jì)”將是未來產(chǎn)品研發(fā)的重要方法。

1 正向設(shè)計(jì)方法介紹

正向設(shè)計(jì)是指基于頂層設(shè)計(jì)需求，通過需求分析，逐步分解和細(xì)化，形成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和功能結(jié)構(gòu)，并由此確定相應(yīng)的解決方案，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分解到零部件，并完成相關(guān)零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程[2]。正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)的區(qū)別如圖1所示。

圖1 正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)流程圖[3]

正向設(shè)計(jì)是相對“跟蹤仿研”的逆向設(shè)計(jì)而言，常規(guī)產(chǎn)品多采用“跟蹤仿研”的逆向設(shè)計(jì)狀態(tài)，一種是通過從外部產(chǎn)品的測繪、復(fù)原得來，另一種是沿用老產(chǎn)品成熟設(shè)計(jì)，這兩種均未開展足夠的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。采用逆向設(shè)計(jì)方式，往往無法了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理，無法建立產(chǎn)品特征和需求的對應(yīng)關(guān)系，很難全局了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，導(dǎo)致研發(fā)效率低，產(chǎn)品的功能和質(zhì)量不足。所以，傳統(tǒng)的“跟蹤仿研”已經(jīng)不能滿足復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)要求，只有實(shí)行以數(shù)字化新技術(shù)為基礎(chǔ)的正向設(shè)計(jì)才能研發(fā)出復(fù)雜且一流的產(chǎn)品[4]。

正向設(shè)計(jì)思維在飛機(jī)研發(fā)體系中貫穿始終，以民機(jī)為例，在DO254《機(jī)載電子硬件的設(shè)計(jì)保證指南》中，確定了硬件設(shè)計(jì)生命周期主要包括需求捕獲、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)等各階段，同時(shí)設(shè)定了支撐過程，其中包括確認(rèn)與驗(yàn)證過程、過程保證等內(nèi)容，如圖2所示[5]。在確認(rèn)與驗(yàn)證過程中，確認(rèn)過程保證硬件項(xiàng)目的派生需求，相對于分配給硬件項(xiàng)目的系統(tǒng)需求，是正確和完整的。驗(yàn)證過程保證硬件項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)滿足所有的硬件需求，包括派生需求。這些過程的設(shè)置，確保了產(chǎn)品的開發(fā)符合正向設(shè)計(jì)[6]。

圖2 硬件設(shè)計(jì)生命周期圖

基于以上分析，不論是未來產(chǎn)品的需要，還是飛機(jī)研發(fā)體系的要求，正向設(shè)計(jì)方法對于解決復(fù)雜問題，開展產(chǎn)品創(chuàng)新，都是一種有效的方法。對于設(shè)備而言，設(shè)備機(jī)箱需要綜合考慮諸多因素，屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，只有采用正向設(shè)計(jì)，才能有效開展基于需求的設(shè)計(jì)開發(fā)，結(jié)合數(shù)字化研發(fā)體系，才能對產(chǎn)品進(jìn)行大量的創(chuàng)新，進(jìn)而開發(fā)出高水平的產(chǎn)品；同樣正向設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，發(fā)揮設(shè)計(jì)驗(yàn)證作用，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研制成本，進(jìn)而提升專業(yè)水平。

2 基于正向設(shè)計(jì)方法的研發(fā)流程和設(shè)計(jì)驗(yàn)證原則

2.1 研發(fā)流程

以下以某產(chǎn)品為案例，探索基于正向設(shè)計(jì)方法，如何開展產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，并形成一定的指導(dǎo)方法和流程。

根據(jù)DO254中劃分的階段，形成電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)研制V字圖，如圖3所示。

圖3表達(dá)了整個(gè)研制過程，從V字左上方的需求捕獲階段到V字底部的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)階段，即V字的左半部分，是設(shè)計(jì)開發(fā)階段，也就是從設(shè)計(jì)輸入的需求轉(zhuǎn)化到設(shè)計(jì)輸出的生產(chǎn)資料的過程。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，該階段主要開展需求的轉(zhuǎn)化，同時(shí)會(huì)在靠后端開展一部分的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，其他方面的設(shè)計(jì)則都處于待驗(yàn)證狀態(tài)，必須等到實(shí)物完成后，再進(jìn)行充分的驗(yàn)證確認(rèn)。

圖3 基于傳統(tǒng)方法的機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)V字圖

隨著設(shè)計(jì)工具的升級和對于需求的分析能力的提升，提出基于正向設(shè)計(jì)方法開展的研制過程，如圖4所示。

圖4 基于正向設(shè)計(jì)方法的機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)V字圖

在圖4中，基于正向設(shè)計(jì)的方法，在設(shè)計(jì)開發(fā)階段的概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段有2個(gè)小V字，即在這2個(gè)階段，根據(jù)該階段開展的實(shí)際工作，進(jìn)行階段性的驗(yàn)證，通過這些階段性的驗(yàn)證，對各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)在本階段進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到符合要求后再進(jìn)入下一階段，這就確保了設(shè)計(jì)的充分驗(yàn)證。

2.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證原則

根據(jù)上述流程，在正向設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)階段都要進(jìn)行充分的驗(yàn)證，在優(yōu)化完成后，才能進(jìn)入下一階段，基于此理念，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，提出了在不同階段的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)的驗(yàn)證原則，如表1所示。

表1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)的驗(yàn)證原則

3 案例解析

3.1 某產(chǎn)品在概念/初步設(shè)計(jì)階段的熱設(shè)計(jì)

以某產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)為例，在概念/初步設(shè)計(jì)階段，由于模塊仍未開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，無法開展模塊級的仿真，但是整體有了設(shè)計(jì)方案，且已確定了散熱方式，所以根據(jù)該階段的方案和驗(yàn)證原則，開展整機(jī)的熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化。

該產(chǎn)品采用直接風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱，風(fēng)機(jī)提供冷卻空氣，空氣從產(chǎn)品底部前方吹入，經(jīng)由機(jī)箱內(nèi)部，從頂部吹出，如圖5所示。

圖5 設(shè)備風(fēng)冷散熱示意圖

先找出其內(nèi)部的典型模塊，計(jì)算滿足該模塊正常工作所需的風(fēng)量，經(jīng)仿真計(jì)算后，單模塊接觸風(fēng)量大于2 m3/h時(shí)，可確保模塊保持在85 ℃的狀態(tài)下工作?；谝陨辖Y(jié)果，對整機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過風(fēng)道設(shè)置和風(fēng)量調(diào)整，確保每個(gè)模塊能得到所需風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱仿真流場示意圖

該流場圖顯示所有模塊都能獲得所需風(fēng)量，其中3個(gè)風(fēng)機(jī)具體所需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算示意圖

根據(jù)以上計(jì)算，其中2個(gè)風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量約為26 m3/h（0.00 748 m3/s），另外一個(gè)風(fēng)量需要11.4 m3/h（0.00 317 m3/s）。以此進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型。

通過仿真計(jì)算，不僅僅對前期方案的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，還提出了基于現(xiàn)階段需求的改進(jìn)措施，并給出了下階段的詳細(xì)設(shè)計(jì)輸入。

3.2 某產(chǎn)品在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

仍以上述產(chǎn)品為例，在詳細(xì)階段，基本完成了所有零部件的設(shè)計(jì)，已達(dá)到出圖投產(chǎn)狀態(tài)，在此情況，需按照該階段的驗(yàn)證原則，開展整機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化。

對產(chǎn)品建模后進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：整機(jī)固有頻率為158.98 Hz，模塊固有頻率為196.77 Hz，二者不會(huì)發(fā)生共振，如圖8所示。

圖8 某產(chǎn)品整機(jī)和模塊頻率示意圖

計(jì)算振動(dòng)和沖擊情況下的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在耐久振動(dòng)條件下，Y方向最大應(yīng)力為237 MPa，安全系數(shù)為1.12，無法滿足安全系數(shù)的要求，需對局部進(jìn)行加強(qiáng)，如圖9所示。

圖9 耐久振動(dòng)Y方向應(yīng)力值

基于以上結(jié)果，該機(jī)箱具有良好的模態(tài)振型，但是側(cè)板連接和對外安裝的部位強(qiáng)度不足，需再進(jìn)行迭代優(yōu)化。優(yōu)化前后對比圖如圖10所示。

圖10 機(jī)箱側(cè)板優(yōu)化前后示意圖

優(yōu)化后重新仿真，安全系數(shù)滿足要求。通過以上的仿真和優(yōu)化，使產(chǎn)品在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面得到了充分驗(yàn)證，具備進(jìn)入下一階段條件。

3.3 小結(jié)

上述基于正向設(shè)計(jì)方法的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)過程，可以拓展至電磁屏蔽設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、可制造性設(shè)計(jì)等專業(yè)，通過針對各專業(yè)的階段性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可以確保產(chǎn)品功能性能符合需求。

4 結(jié)語

本文通過討論正向設(shè)計(jì)方法的理念，并結(jié)合工程實(shí)踐確定了典型設(shè)備的熱設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的流程和驗(yàn)證原則，同時(shí)以某產(chǎn)品為案例，探索了正向設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品研發(fā)過程中的應(yīng)用。該方法充分運(yùn)用了目前先進(jìn)的數(shù)字化工具，可有效地幫助設(shè)計(jì)人員提升設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新能力，同時(shí)，隨著該方法深度融入研發(fā)過程，也有助于未來的數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用[7]。