箱式電源的輕量化高比剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計

梁 芳，趙春陽，多 冰

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，電源控制類設(shè)備單機對于輸出功率及抗環(huán)境適應(yīng)性等需求越來越嚴苛，單機在滿足輕量化設(shè)計條件下需具有較高的力學(xué)性能如高比剛度等特性。

空間站內(nèi)的各類實驗柜中，載荷單機一般通過安裝點固定于機柜上。如圖1 所示，航天傳統(tǒng)的星載電子單機儀器設(shè)備通過底面凸耳安裝點螺接于衛(wèi)星艙板上，但這種連接形式不適用于空間站及貨運飛船抽屜式機柜內(nèi)單機的安裝。

圖1 傳統(tǒng)星載產(chǎn)品外形圖

如圖2 所示，受限于運載能力等因素，部分單機設(shè)備裝載于標準貨包內(nèi)，隨貨運飛船上行。貨運上行單機設(shè)備與貨包之間的空間均有賦形保護件(緩沖泡沫)填充，賦形保護件外輪廓符合貨包內(nèi)表面形狀，內(nèi)輪廓與貨物外表面基本貼合。賦形保護件選用特種聚氨酯泡沫，表面包覆抗靜電布料[1]。因貨包內(nèi)賦形保護件(緩沖泡沫)及束縛帶綁扎形成了優(yōu)秀的力學(xué)環(huán)境，貨運上行方式的單機對結(jié)構(gòu)剛度要求較低。貨包裝載可實現(xiàn)艙內(nèi)設(shè)備與貨船貨架連接固定功能，貨包內(nèi)部緩沖層滿足減少飛船上行振動對艙內(nèi)設(shè)備影響的功能。

圖2 4倍標準貨包外形圖

本文中提出的箱式電源不通過標準貨包上行，而是在地面裝載到機柜上，采用隨艙上行的方式，因此對單機內(nèi)部及外部的結(jié)構(gòu)設(shè)計有較高要求。

1 單機外部結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 柜式安裝箱式電源單機前后面板安裝點示意圖

箱式電源單機的結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足電性能、電磁兼容性(EMC)和熱性能等要求的同時，還需滿足各種環(huán)境條件下的抗力學(xué)性能指標。靜力分析和動力分析中的模態(tài)分析、響應(yīng)分析都是結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是否合理的主要分析手段，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證的重要方法，是各組成部分結(jié)構(gòu)參數(shù)合理分配的主要依據(jù)，可預(yù)計內(nèi)部各零部件上的載荷分布情況、元器件的力學(xué)環(huán)境及變化趨勢。而結(jié)構(gòu)剛度、阻尼和結(jié)構(gòu)強度關(guān)系到產(chǎn)品的抗力學(xué)性能，下面分別從這三個方面設(shè)計進行闡述[2]。

1.1 結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度在靜態(tài)時指抵抗變形的能力，在動態(tài)時指結(jié)構(gòu)的固有頻率高低。剛度越大，抵抗變形的能力越強，其自身的固有頻率越高[3]。

該單機設(shè)計提高結(jié)構(gòu)剛度的措施主要有：

(1)選擇比剛度(E/ρ)較高的材料(E為彈性模量，ρ 為材料密度)。印制電路板采用雙面或單面的環(huán)氧樹脂玻璃鋼敷銅箔板材印制膠合而成，單機內(nèi)部的絕緣墊片、套筒等采用聚酰亞胺材料。

(2)盡量縮小電源機箱的整體尺寸，以減輕質(zhì)量，提高機箱整體的結(jié)構(gòu)剛度。在該單機中各模塊線路板按功能劃分為若干塊，分別就近固定于相應(yīng)的功能區(qū)，從而壓縮了無效空間。

(3)箱式電源機箱的主體結(jié)構(gòu)采用加強筋板拼接的方式，側(cè)壁及上蓋板等位置通過加強筋及減重槽組合的設(shè)計能使六面體構(gòu)件質(zhì)量大幅減輕而抗彎剛度與普通平板相比大幅提高。

箱式電源機箱應(yīng)在滿足單機力學(xué)強度、剛度、散熱性能、各類粒子輻射屏蔽要求和相關(guān)工藝要求的前提下盡量減小六面體拼接壁厚，以減輕整機質(zhì)量。如圖4 所示，該單機的前面板、后面板、左側(cè)板、右側(cè)板及底板均采用此類加強筋結(jié)構(gòu)，不同零部件之間采用配合公差合理的互卡鎖緊扣及螺接拼裝的形式固定。

中職院校注重對學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng),課程內(nèi)容也具有專業(yè)性特征,語文科目也是如此。由于學(xué)生個體間存在巨大的差異,因此教師針對不同質(zhì)素的學(xué)生群體應(yīng)該制定針對性的教學(xué)計劃,但受到思維上的局限。[1]當前社會的進步與教育的不斷改革，使得傳統(tǒng)中職語文教學(xué)方式已經(jīng)無法迎合當前的國家企業(yè)要求和職教形勢?，F(xiàn)如今中職語文傳統(tǒng)教學(xué)模式妨礙其履行教育職責的弊端主要有以下三點。

圖4 箱式電源單機筋板結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 阻尼

阻尼在振動過程中起到耗散系統(tǒng)能量、降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)的作用。增大阻尼可使振動過程中響應(yīng)的振動量級減小、載荷放大量降低，從而降低了設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動應(yīng)力值。所以，增大阻尼可以改善設(shè)備的動力環(huán)境，保護設(shè)備中電子產(chǎn)品的安全。

電子設(shè)備增大阻尼采取的措施主要有：

(1)可在印制板板面敷以彈性固封材料，試驗證明這是非常有效的阻尼措施之一。必要且質(zhì)量允許時，可以增大固封面積，甚至整體固封。該機箱印制板與機殼的安裝配合空隙中，加裝膠墊等彈性材料，增大阻尼，降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)，消除安裝間隙，提高箱式電源整機剛度。

(2)局部零部件采用高阻尼材料，如銅合金材料。

1.3 結(jié)構(gòu)強度

結(jié)構(gòu)強度是指結(jié)構(gòu)抵抗破壞或塑性變形的能力，以結(jié)構(gòu)受載后產(chǎn)生的應(yīng)力量值來度量。結(jié)構(gòu)強度與單機結(jié)構(gòu)構(gòu)型組成、機加工所用原材料、單機壁厚和安裝點的連接等因素有關(guān)。

提高結(jié)構(gòu)強度的措施主要有：

(1)設(shè)計合理的構(gòu)型和壁厚，合理布局單機內(nèi)部元器件和選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，提高整機結(jié)構(gòu)剛性。在質(zhì)量、工藝等條件允許的情況下，可在六面體上適當增加加強筋來提高自身的剛度。

(2)選擇比強度(σb/ρ)大的材料(σb為抗拉強度，ρ 為材料密度)。設(shè)計中要避免有薄弱的環(huán)節(jié)，盡量避免應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)。

(3)需要時，安裝集成電路、分離元器件的印制板可采用增加螺釘緊固安裝點及印制板粘接金屬加強筋等措施來提高連接強度。

(4)消除或減少不同模塊之間、不同元器件、不同零部件等之間的安裝間隙，綜合考慮產(chǎn)品后續(xù)維修性等因素，采用導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠、硅橡膠等流動可固化填充物填充安裝間隙，提高單機剛度及強度。

(5)對于質(zhì)量較大的元器件(比如繼電器、晶體管、電感線圈等)，除要考慮安裝方向及工藝走線外，還要合理采取局部加固措施(如額外的機械固定、膠粘固定、灌封固定等)。

(6)箱式電源單機內(nèi)部應(yīng)盡量避免直接使用導(dǎo)線、電纜進行電氣連接，應(yīng)通過螺接、焊接等進行轉(zhuǎn)化，且使用時應(yīng)采取額外加固措施。

為進一步實現(xiàn)箱式單機的輕量化設(shè)計，在原材料性能穩(wěn)定、可靠的情況下，傾向于選用鎂鋁合金、鎂鋰合金等密度低但比剛度及比強度較大的材料，此類材料部分牌號有較成熟的飛行經(jīng)驗。同種結(jié)構(gòu)形式的零部件加工成型時若采用鎂合金的原材料與硬鋁合金(2A12H112)的原材料相比，單機質(zhì)量可顯著減輕。用其替代硬鋁合金加工部件在不影響產(chǎn)品性能的情況下，能更好地實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計[4]。鎂的密度為1.74 g/cm3，通過在金屬鎂中添加不同配比的合金元素，可獲得具有高比強度、高比剛度、耐高低溫及抗腐蝕等優(yōu)良性能的合金。鎂合金屬于輕質(zhì)高強度材料，可承受各種載荷如沖擊載荷、交變載荷及振動載荷等，具有足夠的壽命和抗疲勞能力，加工成本低，已廣泛應(yīng)運于航空航天領(lǐng)域[5]。

2 單機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于箱式電源單機內(nèi)部來說，需要可傳遞大電流的匯流條在不同元器件及對外的載荷單機之間傳輸大電流。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對電源的切換要求越來越嚴格，單機既要滿足大電流切換，又要滿足外形尺寸小、輕量化等要求，這不僅要求連接導(dǎo)體阻抗小、體積小，還要求連接可靠。匯流條可完成單機內(nèi)部大電流傳遞，與普通導(dǎo)線電纜束相比，具有低阻抗、低感抗、抗干擾高頻濾波效果好、高可靠性、節(jié)省空間、裝配簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天供配電系統(tǒng)。

本文提供了一種新型母線匯流方法，如圖5 所示[6]，利用這種方法設(shè)計的母線匯流裝置能夠滿足空間電源產(chǎn)品乃至普通電子設(shè)備單機的性能需求。其設(shè)計減小匯流條的體積、質(zhì)量，減少焊接次數(shù)及作業(yè)量，降低焊接難度，提高可靠性，保證供電安全，降低短路風(fēng)險。箱式電源內(nèi)部匯流條，采用焊接的方式，對多束導(dǎo)線進行分類計算，設(shè)計出適合不同導(dǎo)線的焊接槽，每個槽內(nèi)并列焊接多根導(dǎo)線，并設(shè)計相應(yīng)絕緣裝置，與結(jié)構(gòu)進行絕緣安裝。且可進行多個疊層設(shè)計，還可與多種電子元器件如保險絲、采樣電阻等組合使用，極大地提高了空間利用率，減輕單機質(zhì)量，裝配簡單快捷，滿足空間電源產(chǎn)品高壓、大功率、小體積、高可靠性的新需求。該匯流方式結(jié)合了螺接及分束焊接匯流條的特點，減小了匯流條的體積和質(zhì)量，減少了焊接次數(shù)，降低了匯流條的焊接難度，提高可靠性，具有極大的擴展應(yīng)用價值。

圖5 箱式電源單機內(nèi)部匯流條示意圖

3 仿真分析結(jié)果

為驗證箱式電源單機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及對結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化設(shè)計，利用CATIA 軟件進行實體模型簡化，導(dǎo)入Ansys Workbench 軟件進行有限元建模分析，分別對該箱式電源單機進行抗力學(xué)及熱設(shè)計仿真分析。以六面體實體單元solid186 和四面體實體單元solid187 混合建模，共劃分710 900 網(wǎng)格，1 419 903 節(jié)點，網(wǎng)格劃分情況如圖6 所示。

圖6 箱式電源單機有限元網(wǎng)格劃分示意圖

3.1 抗力學(xué)環(huán)境分析

對該箱式電源單機前面板及后面板的安裝點進行約束，單機與機柜結(jié)構(gòu)之間為螺栓連接，在分析中連接處的邊界條件按六個自由度均被約束的固支情況考慮。對單機施加靜態(tài)載荷及動態(tài)載荷(包含正弦與隨機振動)。

利用Ansys Workbench 軟件對該箱式電源單機的有限元模型進行了模態(tài)分析和隨機響應(yīng)分析[7]計算，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計提供理論依據(jù)。通過對結(jié)構(gòu)進行抗力學(xué)分析，從模態(tài)分析和隨機響應(yīng)分析可以看出：

(1)箱式單機的頻率特性滿足設(shè)計要求，其基頻遠大于一般機柜的基頻(約為100 Hz)，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。模態(tài)分析的頻率特性如圖7 所示，由圖可知第一階頻率即基頻為295.4 Hz。

圖7 箱式電源單機頻率特性

(2)在動態(tài)載荷方面，由于正弦響應(yīng)計算響應(yīng)增益很小，因此箱式電源單機所受的正弦載荷不會對其產(chǎn)生破壞，從而不會影響其正常使用。

(3)從隨機響應(yīng)分析可以看出，各個關(guān)鍵點的均方根加速度響應(yīng)量級都為箱式電源單機所能承受，其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足相關(guān)力學(xué)性能要求，可安全可靠地使用。

基于目前的模型和邊界條件，對結(jié)構(gòu)在給定力學(xué)條件下的受力進行了有限元分析，根據(jù)計算結(jié)果可知，在力學(xué)條件計算過程中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在各個工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均低于材料屈服強度。

3.2 熱設(shè)計及分析

箱式電源單機結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計主要包括兩個方面：內(nèi)部元器件的散熱主要通過熱傳導(dǎo)到散熱面為主；外部結(jié)構(gòu)通過電源機箱單機外殼的輻射散熱和結(jié)構(gòu)安裝點的傳導(dǎo)散熱。元器件若熱功耗在0.3 W 以上，其主要散熱路徑考慮通過傳導(dǎo)散熱，主要是將其安裝在靠進安裝點附近，使導(dǎo)熱路徑最短，通過在接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱填料，減小接觸熱阻。

箱式電源單機通過前面板及后面板與機柜的接觸面?zhèn)鲗?dǎo)散熱，將熱耗加載于箱式電源單機內(nèi)部元器件如PCB 線路板、繼電器及匯流條等元器件上，將接觸面設(shè)定為恒溫邊界條件19 ℃。

經(jīng)過計算后，箱式電源單機整體模型的溫度范圍為19～40.6 ℃，PCB 線路板的溫度范圍為26.6～29.2 ℃，繼電器的溫度范圍為30.3～38.7 ℃，匯流條的溫度范圍為26.1～40.3 ℃，前面板溫度為24.2～27.0 ℃。由此可見，箱式電源單機內(nèi)部器件和材料均滿足相關(guān)溫度指標要求。箱式電源單機有限元計算后的熱分布示意圖如圖8 所示。

圖8 箱式電源單機熱分布示意圖

4 試驗驗證

在理論分析的基礎(chǔ)上對箱式電源單機進行了鑒定級抗力學(xué)環(huán)境試驗驗證單機性能。力學(xué)振動試驗一般包括沖擊試驗、正弦隨機試驗、加速度試驗，熱試驗一般包括熱循環(huán)、熱真空試驗等?？沽W(xué)環(huán)境試驗過程如圖9 所示，熱循環(huán)試驗過程如圖10 所示。試驗結(jié)果表明產(chǎn)品均滿足技術(shù)要求，證明本次采用的箱式電源單機結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足工程應(yīng)用要求。

圖9 箱式電源單機力學(xué)試驗圖

圖10 箱式電源單機熱試驗圖

5 結(jié)論

本文對安裝于艙內(nèi)標準單元機柜的電子設(shè)備類單機，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)攻關(guān)，采用加強筋板式不同零部件之間合理的互卡鎖緊及拼裝體接合的結(jié)構(gòu)形式，提高了單機的力學(xué)性能。通過減重槽設(shè)計及采用高比剛度的原材料加工，進一步實現(xiàn)了箱式電源單機結(jié)構(gòu)的輕量化和高比剛度的設(shè)計目標。提出電子設(shè)備類單機提高單機結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻尼及提高單機結(jié)構(gòu)強度的具體措施，該類設(shè)計在保證產(chǎn)品性能、工作可靠性、體積和尺寸的前提下，進一步減輕了產(chǎn)品質(zhì)量、提高了產(chǎn)品剛度，對單機產(chǎn)品的力學(xué)性能進行了優(yōu)化。通過輕量化、高比剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了整機的力學(xué)性能，減輕了整機質(zhì)量，對此類箱式電源單機結(jié)構(gòu)具有通用性及設(shè)計參考性。該設(shè)計通過了理論分析和試驗驗證，可以應(yīng)用到空間工程項目中，對地面箱式電源結(jié)構(gòu)設(shè)計也具有一定借鑒意義。