某星載天線配電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

夏愛清

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某星載天線配電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

夏愛清

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

星載天線配電器是衛(wèi)星對(duì)載荷母線的分配與控制單元，天線配電器開關(guān)機(jī)控制與放電控制的可靠性對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠運(yùn)行非常關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)配電器小型化設(shè)計(jì)，減少內(nèi)部大量布線，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與電路布局，文中根據(jù)星載天線配電器電路設(shè)計(jì)及使用的特點(diǎn)，提出了新型的設(shè)計(jì)方案，改變了常規(guī)的設(shè)計(jì)理念，采用多層疊加組合方式完成配電器的設(shè)計(jì)，不僅比初始方案減小21%的體積，解決了內(nèi)部走線困難的問題，而且也方便了配電器的裝配、調(diào)試與維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)單層單元的備件互換，提高產(chǎn)品的可靠性。利用ANSYS軟件對(duì)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了力學(xué)與熱學(xué)仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析結(jié)果滿足星載環(huán)境要求，并在振動(dòng)及溫度循環(huán)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

天線配電器；多層疊加；仿真分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)

引 言

星載天線配電器主要任務(wù)是要完成衛(wèi)星對(duì)載荷母線的分配與控制，根據(jù)綜合電子和雷達(dá)計(jì)算機(jī)的控制指令提供電源開關(guān)機(jī)使能信號(hào)，根據(jù)綜合電子遙控指令對(duì)載荷母線進(jìn)行放電控制，在雷達(dá)天線陣面上起到配電及集線器的作用，配電器開關(guān)機(jī)控制與放電控制的可靠性對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠運(yùn)行非常關(guān)鍵。星載設(shè)備對(duì)體積重量的要求很高，由于天線配電器有內(nèi)部器件多、重量大、布線多等特點(diǎn)，因此在滿足強(qiáng)度要求的情況下，配電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡可能減小體積，減輕重量，還要進(jìn)行必要的熱設(shè)計(jì)[1-4]。本文通過對(duì)SAR天線配電器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析與比較以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)仿真分析，得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，合理設(shè)置仿真優(yōu)化與試驗(yàn)流程[5]，縮短產(chǎn)品研制周期，節(jié)約研制成本，其設(shè)計(jì)分析方法對(duì)星載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析比較

天線配電器主要包括使能控制電路部分、功率或放電電路部分、內(nèi)部走線及多個(gè)輸入輸出插座等，而電路的器件主要有大小不同的繼電器、電阻器、半導(dǎo)體管、電連接器等。內(nèi)部主要發(fā)熱器件是繼電器，另外大電流走線也會(huì)產(chǎn)生一定的功耗，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮電連接器的合理布置，走線空間的設(shè)置，也要考慮溫度的均布，通過具體的設(shè)計(jì)形成了初步方案，如圖1所示。將使能電路與放電電路分別做成2個(gè)大的印制板，機(jī)殼采用底座與蓋板相連，所有插座全部安裝在蓋板的上表面，使能印制板組件固定到蓋板內(nèi)側(cè)，并與插座焊接相連，大的繼電器全部安裝在放電印制板上，一起固定到底座上，中間部分用于內(nèi)部走線。

圖1 配電器初始方案外形及分解圖

該方案結(jié)構(gòu)組成比較簡單，整體可行，機(jī)殼易于加工成形，但所有插座分布在同一個(gè)蓋板表面，使配電器的體積偏大，同時(shí)也會(huì)引起印制板的變形，焊接可靠性不易保證，也不易測(cè)試維護(hù)，內(nèi)部的走線空間受限，大電流導(dǎo)線較粗，轉(zhuǎn)彎半徑大，應(yīng)力較大，導(dǎo)致內(nèi)部走線一致性差。因此，在分析輸入輸出、布線空間、器件布置的特點(diǎn)后，本文提出了新的設(shè)計(jì)方法。

在新設(shè)計(jì)方案中，為了避免插座的集中焊接，將所有插座分成4組，焊接到不同的小印制板上，采用彎針插座放置在機(jī)殼側(cè)面(兩側(cè)均有布置)，插座數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，充分利用高度方向尺寸，大大減小了配電器的外形尺寸，如圖2所示。

圖2 配電器新型方案外形及分解圖

根據(jù)電路要求，各個(gè)小印制板之間需要多線相連，由于4 個(gè)印制板可以分層裝配，所以板間接線優(yōu)先考慮使用插頭對(duì)接，去除了大量的內(nèi)部焊接走線。在實(shí)施方案中，采用了120芯對(duì)接插頭，大小繼電器全部分布在4 個(gè)印制板上，使整個(gè)配電器的重量均勻分布，由于部分走線無法從對(duì)接插頭通過，于是設(shè)計(jì)了易于固定的上下連接匯流條和板內(nèi)連接匯流條，實(shí)施方案如圖3所示。多層印制板分別固定到多層薄形殼體上，通過長螺桿連接成一個(gè)整體，每層的抗振能力與層層之間的互聯(lián)方式的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)，同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮繼電器及多個(gè)匯流條發(fā)熱集中點(diǎn)的熱設(shè)計(jì)，使每層印制板上熱流均勻，滿足配電器溫控設(shè)計(jì)要求。

圖3 配電器內(nèi)部組成及部分匯流條連接圖

2 力學(xué)仿真分析與優(yōu)化

在ANSYS軟件中對(duì)新型天線配電器方案建立簡化的有限元分析模型如圖4所示，在6 個(gè)支耳處施加固定邊界條件，機(jī)殼主體材料為5A05鋁合金，輸入各項(xiàng)材料參數(shù)和表1～表4力學(xué)試驗(yàn)條件分別進(jìn)行仿真與結(jié)果分析。

圖4 天線配電器有限元模型

振動(dòng)方向頻率范圍/Hz加速度或幅值掃描速率/(oct·min-1)X、Y、Z向5～128.6mm(O-P)12～255g25～10010g2

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

表3 沖擊試驗(yàn)條件

表4 加速度試驗(yàn)條件

2.1 模態(tài)分析

僅在6 個(gè)支耳上施加固定約束后，對(duì)天線配電器進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階固有頻率見表5。各階模態(tài)振型圖如圖5所示。

表5 前6階固有頻率

圖5 前6階模態(tài)振型圖

從表5中可以看出，配電器的最低固有頻率大于480 Hz，遠(yuǎn)大于單機(jī)掃頻最高頻率100 Hz，有效避開了外部工作激勵(lì)頻率。

2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析

在輸入各個(gè)試驗(yàn)條件后，分別對(duì)配電器結(jié)構(gòu)進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和加速度4種類型的力學(xué)仿真分析。通過對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的力學(xué)仿真分析得到了配電器殼體各向的仿真結(jié)果，分析結(jié)果顯示殼體發(fā)生的最大應(yīng)力都是在Z方向(垂直底部安裝面方向)的應(yīng)力值，圖6～圖9分別是4種類型仿真后的變形云圖與最大應(yīng)力。

圖6 Z向正弦振動(dòng)云圖

圖7 Z向隨機(jī)振動(dòng)云圖

圖8 Z向沖擊作用下云圖

2.3 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于屈服和強(qiáng)度極限載荷條件，設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件都應(yīng)具有正的安全裕度，公式如下：

式中：M.S.為安全裕度；[σ]為許用應(yīng)力(屈服極限和強(qiáng)度極限)；σmax為仿真計(jì)算得到的最大應(yīng)力；f為安全系數(shù)。鋁合金5A05的許用屈服強(qiáng)度值為125 MPa，按屈服極限計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)取1.35，對(duì)于破壞計(jì)算則安全系數(shù)相應(yīng)增大，根據(jù)4 種類型的仿真結(jié)果中最大的Z向應(yīng)力值，得到的安全裕度見表6。

表6 力學(xué)仿真結(jié)果

結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真結(jié)果表明，Z向隨機(jī)振動(dòng)下的安全裕度偏小，雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但中間層支撐架部位應(yīng)力較大，需要加強(qiáng)及優(yōu)化。

根據(jù)仿真結(jié)果，在應(yīng)力集中的中間層進(jìn)行多形狀加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，優(yōu)化減重結(jié)構(gòu)，進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，在元器件比較重的位置增加支撐，層與層之間增加不同數(shù)量的連接支柱，如圖10(a)所示。

先在上下層之間增加了6處連接支柱，重新仿真后，Z向隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果如圖10(b)所示，最大變形與應(yīng)力得到改善，安全裕度增大。通過多次仿真分析比較，層層之間共增加了4 組支柱，每組數(shù)量根據(jù)層數(shù)及位置不同進(jìn)行調(diào)整，從而使配電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，配電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能滿足產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度要求。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真局部云圖

2.4 力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

在通電檢測(cè)條件下對(duì)整機(jī)進(jìn)行了鑒定級(jí)所有力學(xué)試驗(yàn)，配電器在測(cè)試過程中性能穩(wěn)定，開蓋檢查也未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，機(jī)殼同位置檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相比誤差較小，驗(yàn)證了仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

3 熱學(xué)仿真分析

3.1 熱仿真及結(jié)果分析

天線配電器的工作環(huán)境按最高45 ℃計(jì)算，每次開機(jī)最長連續(xù)工作時(shí)間約為10 min，然后停機(jī)80 min，天線配電器安裝在艙內(nèi)基板上，基板溫度與環(huán)境溫度相一致。在熱分析計(jì)算時(shí)，除了基板導(dǎo)熱外，著重考慮天線配電器內(nèi)部功率器件和機(jī)殼之間的輻射換熱，以及機(jī)殼與外部環(huán)境之間的輻射換熱，同時(shí)器件與匯流條的部分熱量傳遞到多層印制板上，印制板又通過多個(gè)焊盤孔固定螺釘將部分熱量傳遞到機(jī)殼上。為了提高表面熱發(fā)射率，在機(jī)殼外表面除導(dǎo)電部位外全部涂熱控涂層，使表面發(fā)射率大于0.85，增加機(jī)殼向外的熱輻射量。

天線配電器機(jī)殼內(nèi)部主要的熱耗集中在繼電器、匯流條、部分插座等器件，在ANSYS中建立熱仿真模型，設(shè)置鋁合金、FR-4、銅等材料參數(shù)，輸入初始條件和發(fā)熱體熱源，發(fā)熱體設(shè)定功耗從0 W到工作周期內(nèi)功耗值的多個(gè)周期變化，如圖11所示，熱耗約為42 W，分布在4層板上。

圖11 配電器熱源分布圖

熱分析結(jié)果顯示天線配電器工作周期末溫升最大約為26.2 ℃，最高溫度71.2 ℃出現(xiàn)在放電控制板(第3層)匯流條上，該匯流條本身具有1.5 W的熱耗，且匯流條所處位置附近安裝有2個(gè)4.5 W熱耗的大繼電器和其他匯流條。此時(shí)，大繼電器機(jī)殼上的溫度最高約為62.4 ℃。配電器內(nèi)、外溫度分布如圖12所示，最高溫升能夠滿足器件的Ⅰ級(jí)降額要求。

圖12 配電器內(nèi)、外溫度分布圖

圖13顯示了天線配電器仿真計(jì)算多個(gè)工作循環(huán)周期(按開機(jī)10 min，停機(jī)80 min工作方式)下最高溫度的分布情況，可以看到，天線配電器在第3 個(gè)循環(huán)周期下溫度分布即趨于穩(wěn)定，滿足天線配電器在軌工作的熱控要求。

圖13 配電器仿真溫度收斂曲線

3.2 熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)配電器進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)的電性能穩(wěn)定，機(jī)殼表面溫度略低于仿真溫度，與仿真簡化及參數(shù)設(shè)置有關(guān)，因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能較好地滿足配電器熱設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了該優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)星載天線配電器自身特點(diǎn)，探索新型的設(shè)計(jì)方案，改變了常規(guī)的設(shè)計(jì)理念，采用多層疊加組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，體積比初始方案減小了21%，去除了內(nèi)部大量的走線，同時(shí)也方便了配電器的裝配、調(diào)試與維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)單層單元的備件互換，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的可靠性。利用ANSYS軟件對(duì)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了力學(xué)與熱學(xué)仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在縮減體積和重量的情況下，得到的安全裕度值能夠滿足星載工作環(huán)境要求，通過振動(dòng)與熱真空試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)方案與仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該設(shè)計(jì)方法合理有效。

[1] 劉樹斌, 聞月嬌, 王志成. 某星載電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析.機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新[J]. 2014, 27(4): 106-107.

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夏愛清(1969-)，男，高級(jí)工程師，主要從事軍用雷達(dá)電子設(shè)備及星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)工作。

The Mechanical Design and Simulation Analysis ofa Space-borne Antenna Distributor

XIA Ai-qing

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039, China)

Space-borne antenna distributor is the distribution and control unit of satellite on the bus bar loads. Its on-off and discharging control works importantly in ensuring that radar system equipment have the good function. In order to realize the miniaturization design of distributor, it is necessary to reduce internal wiring and optimize the layout of structure and circuit. This paper presents the new design scheme of multilayer stacking dcording to the character of the design, which is based on the characteristics of circuit design and use in antenna distributor. Compared with conventional design concept, this scheme reduces the volume size by 21%, solving the problem of internal wire-traveling, Moreover, it is convenient for the assembly, debugging and maintenance of the antenna distributor, which realizes interchangeability of the spare parts and improves reliability of product. The new structure design scheme is optimized by the mechanical and thermal simulation analysis using ANSYS software and the results meet the environmental requirements of space-borne products. Finally, it is confirmed by vibration test and temperature cycle test.

antenna distributor；multilayer stacking；simulation analysis；optimal design；thermal design

2017-03-15

TN959.74

A

1008-5300(2017)03-0036-04