電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計＊

王連坡 劉 林

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）（2.91202部隊司令部 葫蘆島 125004）

1 引言

20世紀中葉以來，無線電電子技術(shù)得到迅速發(fā)展，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始引起世界各國的關(guān)注。隨著電子技術(shù)適用范圍的推廣，設(shè)備的功能、體積、重量、運轉(zhuǎn)可靠性以及對各種環(huán)境的適應(yīng)性等諸多問題被納入結(jié)構(gòu)設(shè)計范疇。

設(shè)備是一個系統(tǒng)或一個功能集的載體，設(shè)備的形成就需要依附于結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計是以機械設(shè)計為基礎(chǔ)，針對設(shè)計要求進行的多目標、多方案的優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的思想和方法是隨著科技進步而不斷發(fā)展的。20世紀80年代以來，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及CAD／CAE／CAM軟件［1］的廣泛應(yīng)用，機械加工設(shè)備及加工手段的發(fā)展，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計產(chǎn)生了飛躍。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計流程

2.1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的主要依據(jù)是根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件和用戶要求，對整個設(shè)備的組裝進行系統(tǒng)構(gòu)思，實現(xiàn)各個功能，滿足產(chǎn)品的使用環(huán)境。電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計與普通產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一致的，依次是概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計、結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計、樣機試制、樣機定型和批生產(chǎn)準備。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計主要過程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計組成圖

2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的地位

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，使用環(huán)境特殊，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的重要性要大于結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計決定結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計的難度，對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響。當然，不能強調(diào)了結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的重要性就輕視了結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計，兩者是相輔相成的。沒有單個零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性就沒有整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)從實際結(jié)構(gòu)出發(fā)，由虛到實，由概念到實體，由整體到局部。

2.3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計流程

早期的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計大多屬于概念性和經(jīng)驗性設(shè)計，內(nèi)容簡單，分析和驗證手段復(fù)雜單一，設(shè)計結(jié)果與分析結(jié)果往往有很大的差異。隨著科技的進步，尤其是計算機的迅速發(fā)展，當代電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的內(nèi)容越來越豐富，設(shè)計周期短，可靠性高，驗證方式簡單靈活，可大大減低整個項目的設(shè)計成本。

當代電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計流程包括了概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的主要內(nèi)容，以實現(xiàn)設(shè)備滿足使用環(huán)境和系統(tǒng)電氣性能的要求。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計過程是實現(xiàn)多項技術(shù)指標的多目標多系列優(yōu)化設(shè)計的過程，設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計內(nèi)容

結(jié)構(gòu)設(shè)計范圍設(shè)計力學、機械學、材料學、熱學、化學、光學、聲學、工程心理學、環(huán)境科學等多門學習，包含著相當廣泛的技術(shù)內(nèi)容，它已經(jīng)形成了一門邊緣學科，是多門基礎(chǔ)學科的綜合應(yīng)用。電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計大致包括以下內(nèi)容。

3.1 整機組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

整機組裝設(shè)計也稱總體設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件和使用的環(huán)境條件，對整機的組裝進行系統(tǒng)構(gòu)思，并對各分系統(tǒng)和功能性單元提出設(shè)計要求和規(guī)劃。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

在滿足用戶要求的前提下，根據(jù)內(nèi)部電子元器件和各種裝置所需的空間來確定設(shè)備的基本尺寸，尺寸系列盡可能的按照國家通用標準和定型尺寸，并考慮模塊化、組合化、系列化解決安裝的互換性。在使用英制尺寸標準時，注意公制和英制尺寸的標準對照和互換。

3.3 剛度和強度設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品的負荷大小、抗振動沖擊要求來進行剛、強度設(shè)計驗證，使其能經(jīng)受得住正常使用可能出現(xiàn)的物理和化學作用的影響，必要時還應(yīng)該進行試驗驗證。在進行剛度和強度設(shè)計時要考慮結(jié)構(gòu)件的連接方式，是銑削加工成形還是采用拼裝或者焊接方式等，有時還應(yīng)采取防松的保護措施。同時，還要考慮結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，通過增加鈑金件的折彎或肋、筋來增加結(jié)構(gòu)件的剛強度等。

3.4 防護設(shè)計

惡劣的氣候條件會引起電子設(shè)備中金屬和非金屬材料發(fā)生腐蝕、老化、霉爛、性能顯著下降等各種損壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境條件的性質(zhì)、影響因素的種類、作用強度的大小來確定相應(yīng)的防護措施或防護結(jié)構(gòu)，選擇耐腐蝕材料，研究新的抗腐蝕方法。

4 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

電子設(shè)備是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要包含了抗振動沖擊設(shè)計、熱設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 抗振動沖擊設(shè)計

電子設(shè)備在運輸和使用過程中會受到各種機械力的干擾，這些機械力的形式包括：振動、沖擊、離心力、機構(gòu)運動所產(chǎn)生的摩擦力等，其中危害最大的是振動和沖擊。它們造成的危害主要有以下兩種：

1）設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終因振動加速度超過設(shè)備所能承受的極限加速度而損壞；或者由于沖擊所產(chǎn)生的沖擊力超過設(shè)備的強度極限而使設(shè)備損壞。

2）振動加速度或沖擊引起的應(yīng)力雖遠低于材料的靜載荷下的強度，但由于長時間振動或多次沖擊使材料疲勞，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

電子設(shè)備抗振動、沖擊設(shè)計一般采取如下兩種措施：

1）加固設(shè)計。確定并加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)備固有頻率，使其允許沖擊應(yīng)力和疲勞極限高于其實際響應(yīng)值。

2）采取隔振緩沖系統(tǒng)。對電子設(shè)備整機進行隔振緩沖設(shè)計，使外部激勵通過隔振緩沖系統(tǒng)減弱后，傳遞給設(shè)備的實際作用力小于設(shè)備的允許值。

電子設(shè)備的抗振動、沖擊設(shè)計雖然難度較大，但只要根據(jù)設(shè)備所處的機械環(huán)境，有針對性的去分析、研究，并嘗試新的設(shè)計方法、新技術(shù)、新材料（工程塑料、碳纖維等）、新工藝，結(jié)合已有的成熟理論和設(shè)計經(jīng)驗，通過ANSYS等軟件分析驗證，就可以提高設(shè)備的抗振動、沖擊性能。

4.2 熱設(shè)計

熱量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)通常有以下三種形式：熱傳導(dǎo)、對流和輻射［2］。熱設(shè)計主要利用上述的三種方式的一種或幾種方式進行。

4.2.1 熱傳導(dǎo)

氣體導(dǎo)熱是分子不規(guī)則運動的結(jié)果，固體導(dǎo)熱靠自由電子的運動完成，對于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律，其計算公式為

式中：φ為熱流量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；A為導(dǎo)熱方向上的截面積為x方向上的溫度變化率，℃／m。

4.2.2 熱對流

對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流換熱可用牛頓冷卻公式計算：

式中：φ為熱流量，W；hc為對流換熱系數(shù)，W／（m·℃）；A為對流換熱面積，m2；tw為熱表面溫度，℃；tf為冷卻流體溫度，℃。

4.2.3 熱輻射

物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻射。熱輻射是輻射能和熱能的相互轉(zhuǎn)換過程，物體的輻射可用斯蒂芬－波爾茲曼定律表示：

式中：φ為熱流量，W；ε為物體黑度；A為輻射表面積，m2；σ0為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)（5.67×10－8W／（m2·K4））；T為物體表面的熱力學溫度，K。

4.2.4 熱設(shè)計原則

一般電子設(shè)備內(nèi)部存在著大量的發(fā)熱元器件，使得設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度升高。高溫對大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴重的影響，它會導(dǎo)致元器件的失效，進而引起整個設(shè)備的失效。通過熱控制的設(shè)計，采取使發(fā)熱元器件散熱冷卻的措施來降低設(shè)備的溫升，從而保證設(shè)備的可靠性。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意考慮以下原則：

1）熱設(shè)計要滿足元器件降額應(yīng)用對設(shè)備內(nèi)部溫度的要求。因此，一般電子設(shè)備的機內(nèi)溫度應(yīng)設(shè)法控制在45℃～65℃范圍以內(nèi)，對功率密度大一些的設(shè)備也不應(yīng)超過50℃～70℃范圍；

2）整機的散熱冷卻方案應(yīng)與設(shè)備的功率密度大小相適應(yīng)。一般原則是當功率密度低于12.2kW／m3時，可選擇自然冷卻方案；當功率密度超過12.2kW／m3時，應(yīng)選擇強迫空氣冷卻技術(shù)；當功率密度超過43kW／m3時，則應(yīng)選擇水冷方案［3］；

3）對發(fā)熱元器件采取散熱措施時，要滿足其對熱阻的要求。一般原則是若發(fā)熱元器件對熱阻的要求大于30℃／W時，可不必采取散熱措施；當對熱阻的要求在2℃／W～30℃／W時，可采取散熱器散熱；當對熱阻的要求在0.05℃／W～2℃／W時，則應(yīng)采取軸流風機強制風冷散熱等；

4）對設(shè)備內(nèi)部的部件應(yīng)合理布局：一般原則是發(fā)熱量小或無源器件應(yīng)放在設(shè)備的底部；發(fā)熱量大、寬溫的部件應(yīng)放在設(shè)備的頂部，元器件與設(shè)備之間的距離最好大于35mm～40mm，以利于空氣自然對流來散熱。另外，對一些熱敏感器件應(yīng)該盡量避開熱源，必要時可增加熱屏蔽罩。

4.3 電磁兼容性設(shè)計

電磁兼容性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運行，并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性設(shè)計內(nèi)容包括：限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設(shè)備的抗干擾能力。

4.3.1 屏蔽設(shè)計

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料的。在設(shè)備的元器件和布局一定的前提下，屏蔽在電磁兼容性設(shè)計中就成為一項非常重要的內(nèi)容。在屏蔽設(shè)計時，重點考慮以下幾項措施：

1）屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種，在電磁兼容性設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料

2）縫隙的電磁屏蔽設(shè)計。實踐證明，當縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)倍時，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ／100波長，至少不大于λ／10波長［4］。

3）孔洞的電磁屏蔽設(shè)計。電子設(shè)備因通風散熱、調(diào)控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會開制一些孔洞，電磁能量經(jīng)孔洞泄漏，是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小，一般來說，孔洞的尺寸應(yīng)小于λ／50，且不得大于λ／20［5］。

4.3.2 接地技術(shù)

在電子設(shè)備中，接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段，其中包括接地點的選擇，電路組合接地的設(shè)計和抑制接地干擾措施的應(yīng)用等方面都應(yīng)全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設(shè)計。

1）減少接地點之間電位差。

2）管形接地線。

3）保證接地線的電氣連接可靠性。

4）接地方式的選擇。在電子設(shè)備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點接地和多點接地。單點接地適用于低頻，多點接地適用于高頻。一般來說，頻率在1MHz以下可采用單點接地方式，頻率高于10MHz應(yīng)采用多點接地方式，頻率在1MHz～10MHz之間，可以采用混合接地［6］。

4.3.3 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的主要手段之一，也是提高電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著的減小傳導(dǎo)干擾電平，利用阻抗失配原理，使電磁干擾信號受到衰減。濾波器的安裝對其性能影響非常大，在使用濾波器時應(yīng)注意以下事項：

1）濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好的面接觸，并將地線接好［7］；

2）濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免濾波器效能降低；

3）濾波器的連接線以選用雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號；

4）濾波器的安裝位置應(yīng)選在電源入口處，以縮短輸入線在機箱內(nèi)的長度，減少輻射干擾。

4.3.4 合理布局

合理布局包括系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的相對位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠離，輸出與輸入端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的輔助設(shè)計工具

建模與仿真是分析、設(shè)計和研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種基本的理論方法和重要的技術(shù)手段。在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中常用的CAD／CAE／CAM建模與仿真軟件［8］有：

1）I－DEAS：I－DEAS軟件是CAD／CAE／CAM一體化的機械設(shè)計自動化軟件，集產(chǎn)品設(shè)計、工程分析、數(shù)控加工、注塑模具設(shè)計、產(chǎn)品性能仿真、樣機測試和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能為一體。它貫穿了從概念設(shè)計到生產(chǎn)制造的產(chǎn)品開發(fā)全過程；

2）Flotherm與FloEMC：Flotherm與FloEMC軟件是目前電子行業(yè)內(nèi)唯一專業(yè)針對電子設(shè)備系統(tǒng)級散熱和電磁兼容性協(xié)同設(shè)計仿真平臺；

3）Icepak：Icepak軟件是專業(yè)的面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件。

計算機仿真軟件還有很多，比如ANSYS在力學與電磁場有限元分析方面，UG、Pro／Engineer在模具與機構(gòu)仿真方面，3DSMAX、Solidworks在工業(yè)造型設(shè)計方面都具有一定的優(yōu)勢。

在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中，總體設(shè)計師通過計算機仿真軟件實現(xiàn)三維建模、工業(yè)造型設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、力、熱、電磁兼容性分析與仿真，可以減少設(shè)計成本、提高設(shè)備第一次成功率，改善電子設(shè)備的性能、提高設(shè)備的可靠性、所得設(shè)計的研制周期等。

6 結(jié)語

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作除了是一種技術(shù)工作，它還是一項管理工作。它要求結(jié)構(gòu)總體設(shè)計師具備一定的總體協(xié)調(diào)能力，任務(wù)分解能力，這一點在系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)總體設(shè)備中表現(xiàn)的尤為突出。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計成功了，一個設(shè)備、分系統(tǒng)、甚至一個大系統(tǒng)的設(shè)計工作都將事半功倍。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：東南大學出版社，2005.

［2］丁連芬，等譯.電子設(shè)備可靠性設(shè)計手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1989.

［3］余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)［M］.第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］楊科俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［5］吳良斌.現(xiàn)代電子系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［6］王連坡.電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計［J］.艦船電子工程，2011，31（1）：160－162.

［7］芮平良，等.網(wǎng)絡(luò)電磁空間防御作戰(zhàn)能力需求分析［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2：4－5.

［8］王昌祿.計算機輔助機械設(shè)計與繪圖FORTRAN語言實例.北京：機械工業(yè)出版社，1995.