某雷達(dá)產(chǎn)品電源組件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱仿真

尹甲人，常 逾，楊光輝

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

軍用雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各型雷達(dá)裝備的性能不斷提高，要求雷達(dá)產(chǎn)品的功率越來越大，供電種類越來越多，可靠性也越來越高，這些都對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的供電提出了新的挑戰(zhàn)。雷達(dá)產(chǎn)品的供電具有特殊性，需要對(duì)裝備電源進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，電源組件實(shí)現(xiàn)了這一功能。作為雷達(dá)產(chǎn)品的直接供電單元，電源組件的電壓穩(wěn)定性、提供電流能力、高低溫條件下工作的可靠性等都會(huì)直接影響到雷達(dá)產(chǎn)品的性能指標(biāo)［1］。

優(yōu)秀的電源組件不僅要具有良好的電氣性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式也有更高的要求。某型雷達(dá)產(chǎn)品不僅要求電源組件具有大功率穩(wěn)定電流電壓輸出，還要求其具有抗大機(jī)動(dòng)過載，能夠耐高溫等環(huán)境，這些要求都為電源組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。

本文以某雷達(dá)產(chǎn)品的電源組件結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限單元分析法，借助于UG NASTRAN軟件，首先對(duì)電源組件的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便進(jìn)行有限元分析;在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行有限單元網(wǎng)格的劃分，并分別開展動(dòng)態(tài)響應(yīng)和熱仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)電源組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證［2］。

1 電源組件動(dòng)態(tài)響應(yīng)

采用Siemens 公司的UG NASTRAN 103 response simulation 功能模塊進(jìn)行電源組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。在原有三維數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，對(duì)簡(jiǎn)化后的模型實(shí)施網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上定義材料單元的屬性;之后建立求解模型，對(duì)求解器進(jìn)行參數(shù)編輯;最終通過求解得出電源組件的模態(tài)信息和在此基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［3］。

1.1 仿真用模型建立

在UG 中由原三維實(shí)體模型生成理想幾何體并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化:去掉螺紋孔、倒角、圓角及不影響仿真結(jié)果的局部幾何特征;為減少仿真過程中的計(jì)算量，對(duì)電源組件的印制板進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即把板上器件作為集中質(zhì)量分布在印制板上;為更好地模擬電源模塊的結(jié)構(gòu)及熱特性，對(duì)電源模塊進(jìn)行模型替代。圖1 為電源組件簡(jiǎn)化后的幾何模型，主要由框架、散熱板、印制板1、印制板2等組成。幾何模型與原三維模型具有同步功能，能夠及時(shí)體現(xiàn)三維模型上參數(shù)的更改，可以方便快速地進(jìn)行參數(shù)化有限元分析以及迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。

圖1 理想化的電源組件幾何模型

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分過程中，首先要對(duì)裝配體之間的連接進(jìn)行處理。電源組件的零件、模塊、印制板之間采用的是螺釘連接方式，對(duì)于螺釘連接的有限元處理方式是多種多樣的，有利用彈簧單元模擬螺栓連接剛度、用剛性連接來等效連接、用等效接觸區(qū)域近似模擬等多種方法［5］。但經(jīng)長(zhǎng)期研究證明，在模擬過程中的螺釘預(yù)緊力、零件表面平面度及粗糙度、墊圈、螺紋膠等一系列非線性因素的影響都很難量化，很難準(zhǔn)確等效連接。因此，直接采用剛性連接來等效螺釘連接。

為了實(shí)施電源組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真，建立點(diǎn)到面的剛性連接單元，以便于激勵(lì)的加載。這樣只需要把隨機(jī)振動(dòng)的加速度功率密度(PSD)譜加載到激勵(lì)點(diǎn)上，就可實(shí)施對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)。有限元分析模型如圖2 所示，網(wǎng)格劃分采用六體網(wǎng)格，混合節(jié)點(diǎn)［6］。

圖2 電源組件有限元模型

1.3 設(shè)置求解參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算

電源組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真是在其模態(tài)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即在求解結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)之前，應(yīng)先求出電源組件的各階模態(tài)。在求解模態(tài)的過程中，要對(duì)求取的固有模態(tài)頻率范圍進(jìn)行定義，為了能夠完整反映在PSD 激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)置與試驗(yàn)譜帶寬相同的頻率求解范圍(20 ～2 000 Hz)。

試驗(yàn)譜如圖3 所示，其中，w2=0.04。

根據(jù)公式m = 10lg(wi+1/wi)/log2(fi+1/fi)，求得w1=0.01［7］。

1.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，得出模型前30 階固有頻率。為減少計(jì)算量，可以通過分析激勵(lì)方向模態(tài)質(zhì)量比，將影響小的模態(tài)(通常以0.5%為底線)進(jìn)行抑制，最后留下對(duì)激勵(lì)方向敏感的固有頻率列表，如表1 所示［8］。

表1 中，前四階的固有頻率分別為256.2 Hz，430.1 Hz，479.6 Hz，483.3 Hz，其模態(tài)云圖如圖4所示。

圖4 電源組件前四階模態(tài)云圖

從前四階模態(tài)云圖可以看出電源組件強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)為印制板1 部位。為詳細(xì)分析激勵(lì)狀態(tài)下的薄弱部位，把試驗(yàn)譜加載到建立的激勵(lì)點(diǎn)上，選擇敏感方向Y 向?yàn)榧?lì)加載方向，生成均方根應(yīng)力云圖如圖5 所示。從圖5 可以看出，Y 向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的最大1σ 應(yīng)力為10.59 MPa，發(fā)生在散熱板與印制板1 的安裝接口處，3σ 應(yīng)力為31.77 MPa。

圖5 隨機(jī)響應(yīng)下應(yīng)力云圖

圖6 為電源組件在Y 向隨機(jī)振動(dòng)載荷下的位移響應(yīng)云圖，圖中最大位移為0.238 8 mm，位于印制板1 的頂端部位。

圖6 隨機(jī)響應(yīng)下位移云圖

2 電源組件熱分析

2.1 熱分析類型

熱分析一般分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種。

穩(wěn)態(tài)分析:系統(tǒng)凈熱流率為零，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任意節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。

瞬態(tài)分析:瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能都隨時(shí)間明顯變化［9－10］。

對(duì)于雷達(dá)產(chǎn)品電源組件而言，其正常的生命周期很短暫，可以運(yùn)用瞬態(tài)分析，但考慮到作為雷達(dá)產(chǎn)品的供電單元，在產(chǎn)品調(diào)試過程中要持續(xù)供電，因此嚴(yán)格考核等級(jí)，采用穩(wěn)態(tài)分析［11］。

2.2 電源組件穩(wěn)態(tài)分析

隨著電源組件工作狀態(tài)變化，熱耗也在不斷變化，在分析時(shí)嚴(yán)加考核，取各器件工作時(shí)的峰值功耗作為熱負(fù)載，電源組件各功率器件安裝位置如圖7 所示，各個(gè)器件的峰值功耗如表2 所示。

圖7 電源組件功率器件安裝位置

表2 各個(gè)器件的峰值功率

電源組件穩(wěn)態(tài)熱分析的關(guān)鍵是要設(shè)置各發(fā)熱器件與結(jié)構(gòu)件之間的熱阻，熱阻的大小會(huì)直接影響到各器件的最終溫度。裝配過程中，發(fā)熱器件與結(jié)構(gòu)件之間涂覆導(dǎo)熱硅脂，用螺釘固定，采用推薦熱阻2.32 cm2·K/W［12］。電源組件熱分析有限元模型如圖8 所示。

設(shè)置初始環(huán)境溫度為20 ℃，與周圍環(huán)境空氣對(duì)流換熱系數(shù)為4 W/(m2·℃)，采用NX NASTRAN的熱分析模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，其結(jié)果如圖9 所示。從圖9 中可以看出電源組件達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其最高溫度為119.62 ℃，出現(xiàn)在功耗最大的器件U6 處，最低溫度為54.89 ℃。根據(jù)器件手冊(cè)可知，在器件殼溫不大于125 ℃時(shí)，器件均可正常工作，因此電源組件的熱設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求。

圖8 電源組件熱分析有限元模型

圖9 電源組件溫度云圖

3 結(jié) 論

通過對(duì)電源組件進(jìn)行定向隨機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中出現(xiàn)在印制板1 與散熱板的連接部位，最大變形位移出現(xiàn)在印制板1 的上邊緣中部位置。根據(jù)分析結(jié)果得出的最大應(yīng)力值及位移值來看，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度及其允許變形量，即隨機(jī)響應(yīng)過程中對(duì)電源組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠正常工作。為了提高電源組件的整體剛度，可以在印制板1 與散熱板之間增加連接螺柱并增大尺寸，調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余度。

通過熱仿真分析結(jié)果可以看出，高溫區(qū)域主要集中在最大功耗器件U6 處，最高溫度小于器件額定溫度上限，因此滿足熱設(shè)計(jì)要求。

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