電子設(shè)備平板類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

劉欣

摘要：電子設(shè)備產(chǎn)品中的平板類結(jié)構(gòu)，形式如：分機(jī)蓋板、模塊蓋板等，在航空、航天、汽車、船舶等行業(yè)應(yīng)用廣泛。該類結(jié)構(gòu)本身不起支撐承力作用，但對于電子產(chǎn)品的密封性、電磁兼容性卻不可或缺。在航空航天領(lǐng)域，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重量要求苛刻，希望以最輕的結(jié)構(gòu)重量，獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)功能。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；平板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計時，對于采用何種減重設(shè)計方式，沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)，基本上是憑借個人的設(shè)計經(jīng)驗選取。當(dāng)然，目前商用軟件可以對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、復(fù)雜工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，但設(shè)計和時間成本都相對較高。本文通過力學(xué)仿真分析，總結(jié)出圖1所示幾類結(jié)構(gòu)模型，在相同力學(xué)邊界、相同外形尺寸、相同重量等條件下，剛度最好的結(jié)構(gòu)形式，以指導(dǎo)設(shè)計人員快速開展結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

1分析方法

1.1結(jié)構(gòu)剛度

剛度是指結(jié)構(gòu)在受力時抵抗變形的能力，是結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。在產(chǎn)品中，結(jié)構(gòu)需要足夠的剛度保證外形穩(wěn)固。剛度分為動剛度和靜剛度。靜載荷作用下抵抗變形的能力成為靜剛度，動載荷下抵抗變形的能力成為動剛度。平板類結(jié)構(gòu)如蓋板等本身不起支撐作用，但需要保證一定的剛度以滿足密封性，避免局部共振等問題。

1.2固有頻率

固有頻率也稱為自然頻率，物體做自由振動時，其位移隨時間按正弦規(guī)律變化，振動的頻率與初始條件無關(guān)，而僅與系統(tǒng)的固有屬性有關(guān)。一般而言，固有頻率越高，結(jié)構(gòu)的剛度越大，固有頻率是評價結(jié)構(gòu)剛度大小的重要指標(biāo)。因此，利用仿真分析手段，可以得出結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而判定其剛度的大小。

1.3模型建立

根據(jù)減重方式，以薄板結(jié)構(gòu)（如圖1基準(zhǔn)模型O所示）為基準(zhǔn)建立模型。利用CAD三維實體設(shè)計軟件，分別建立三種平板結(jié)構(gòu)減重模型，如圖1模型A、B、C所示。其中，四種模型的外形尺寸相同，模型A、B、C三種模型凹槽深度、邊框尺寸相同，重量與基準(zhǔn)模型O一致。

在外形尺寸、重量條件相同的情況下，頻率最高的模型被認(rèn)為是最優(yōu)的減重優(yōu)化模型。

2算例分析

2.1外形尺寸

給定基準(zhǔn)模型O外形尺寸A=210mm，B=210mm，厚度T=1.403mm。

2.2材料屬性

計算材料選取常用工程材料鋁合金，牌號：5A06-H116，參數(shù)如表1所示。

2.3模型參數(shù)

方法建立結(jié)構(gòu)模型，參數(shù)如表1所示。

2.4頻率計算結(jié)果

利用有限元分析軟件，對建立的模型進(jìn)行模態(tài)仿真計算，所有模型均為固支邊界條件，前三階固有頻率結(jié)果如表2。

由計算結(jié)果可以看出，在相同重量、相同尺寸外形、相同厚度、相同邊界條件的等情況下，模型A的固有頻率最高，被認(rèn)為是最優(yōu)的減重模型。

3電磁兼容設(shè)計

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的種類與日俱增，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電子設(shè)備想要在電磁環(huán)境中正常運行就一定要避免受到電磁的干擾。在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮電磁兼容的問題，才能夠提高電子設(shè)備運行效率。在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要通過采用特定的技術(shù)手段保證電子設(shè)備的電磁兼容性，最常見的方法有濾波、屏蔽、接地三種。

3.1電磁濾波

電子設(shè)備的運行過程中，電路會產(chǎn)生一些較強(qiáng)的干擾信號，會對整個電路產(chǎn)生巨大的干擾作用。采用濾波技術(shù)可使電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾電平降低，借助阻抗失配原理，使電磁干擾的信號衰減。設(shè)置濾波電路可以保證電路安全穩(wěn)定，減少電路干擾，提高電子設(shè)備安全穩(wěn)定。

3.2電磁屏蔽

電磁屏蔽是目前解決電磁兼容問題的最有效方法，在進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計時需對屏蔽體材料進(jìn)行合理的選擇。同時需要考慮縫隙的影響，對螺釘進(jìn)行合理的布置，運用導(dǎo)電柔性介質(zhì)使接觸面增大。在對孔洞進(jìn)行設(shè)計時，孔洞的尺寸應(yīng)該小于λ/20，大于λ/50。

3.3接地技術(shù)

接地技術(shù)，即為電源和信號提供回路和基準(zhǔn)電位。接地技術(shù)的設(shè)計可以有效防止電磁干擾并且抑制電磁的噪聲，在進(jìn)行接地技術(shù)的設(shè)計時需要考慮抑制接地干擾措施、接地點選擇等多種因素。在電子設(shè)備中具體的接地方式主要分為多點接地、單點接地、懸浮地三種。

4散熱設(shè)計

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類對電子設(shè)備小型化、微型化和高集成化的追求越來越強(qiáng)烈，導(dǎo)致電子機(jī)箱的熱密度成量級增長。電子設(shè)備在過熱環(huán)境下工作，其工作效率及可靠性將會受到影響。在進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計時，需根據(jù)其使用環(huán)境、產(chǎn)品功耗、尺寸參數(shù)等選擇合適的散熱方式，以達(dá)到散熱良好的目的，提高電子設(shè)備的工作可靠性。

4.1散熱槽

在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，發(fā)熱量大的元器件貼壁處理，機(jī)箱箱體外側(cè)通過不同形式的散熱槽來增加散熱面積，提高散熱效率。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，可根據(jù)元器件功率、機(jī)箱尺寸要求、重量要求等設(shè)計不同形式的散熱槽。

4.2強(qiáng)迫風(fēng)冷

在熱流密度較大、溫升要求較高的設(shè)備中，使用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。通過設(shè)置合理的風(fēng)道，選用合適的通風(fēng)機(jī)來實現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較大，但對于要求不十分嚴(yán)格的地面設(shè)備是一種非常合適的散熱方式。

4.3強(qiáng)制液冷

當(dāng)自然冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷不能滿足大功率電子設(shè)備散熱要求時，通過強(qiáng)迫液冷可提高散熱效率。在機(jī)箱箱壁內(nèi)部設(shè)置合理的流體信道，外接冷卻系統(tǒng)，通過散熱介質(zhì)的循環(huán)，將元器件的熱量帶走，實現(xiàn)散熱。

4.4熱管散熱

熱管技術(shù)是利用液體工質(zhì)的相變傳熱，具有極高的傳熱效率，散熱效果好，噪音低，使用壽命長。它的工作過程為熱管兩端產(chǎn)生溫差時，蒸發(fā)端的液體會迅速氣化，將熱量帶向冷凝端，兩端溫差越大，蒸發(fā)速度越大。液體在冷凝端凝結(jié)液化以后，通過毛細(xì)作用，流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱量帶向溫度低的一端。

5機(jī)械振動控制設(shè)計

電子設(shè)備在運輸或使用時，會受到環(huán)境的振動與沖擊，會對電子設(shè)備造成巨大的影響。因此在電子設(shè)備設(shè)計過程中需要進(jìn)行機(jī)械振動控制設(shè)計。目前常用的方法主要有結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改與優(yōu)化設(shè)計、附加振動控制結(jié)構(gòu)器和振動自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。

5.1結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改與優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改與優(yōu)化設(shè)計是通過修改系統(tǒng)動力學(xué)特性、優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善振動系統(tǒng)的動力學(xué)特性，以達(dá)到振動控制性能指標(biāo)。結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改與優(yōu)化設(shè)計法包括兩個方面的內(nèi)容：結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改與靈敏度分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。

5.2附加振動控制結(jié)構(gòu)器

附加振動控制結(jié)構(gòu)器法是在原系統(tǒng)上附加各種振動控制器或結(jié)構(gòu)，在目前的振動控制中應(yīng)用最為廣泛，常用的主要有隔振消振法、動力吸振法、阻尼結(jié)構(gòu)減振法等。隔振消振法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，如在設(shè)備整機(jī)上加外置減振器。

5.3振動自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

振動自適應(yīng)結(jié)構(gòu)是一種較多應(yīng)用智能材料與組件的智能結(jié)構(gòu)，將分布式的傳感器、作動器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)高度融合為一體。振動自適應(yīng)結(jié)構(gòu)本身對振動條件的變化具有自適應(yīng)功能，可以自動改變系統(tǒng)的動力學(xué)特性，抑制振動帶來不良影響。

結(jié)論

工程中的減重經(jīng)驗設(shè)計方法很多，本文將幾種常見的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比分析，得出模型A為平板類結(jié)構(gòu)最優(yōu)的減重設(shè)計方案，讀者可根據(jù)不同的應(yīng)用場景，合理優(yōu)化布局，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

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（作者單位：天津光電通信技術(shù)有限公司）