某型發(fā)控盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及分析*

謝軍虎，劉俊華

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

發(fā)控電氣部件位于發(fā)射裝置內(nèi)，介于飛機航電系統(tǒng)與導(dǎo)彈之間，與飛機航電系統(tǒng)通過信息交聯(lián)完成對導(dǎo)彈的識別、供電、準(zhǔn)備和發(fā)射。發(fā)控盒是發(fā)控電氣的核心，包含總線接口與計算機系統(tǒng)、發(fā)控功能電路、點火電路、發(fā)射時序控制等，用于實現(xiàn)飛機與導(dǎo)彈之間的通信，完成導(dǎo)彈準(zhǔn)備和導(dǎo)彈發(fā)射。

作為軌式發(fā)射裝置的重要組成部分，發(fā)控盒所處的工作環(huán)境非常惡劣，新一代戰(zhàn)機對其配套產(chǎn)品的可靠性、抗振性和電磁兼容性等提出了很高的要求，有高強度的振動和沖擊條件、嚴(yán)酷的溫度范圍、較強的電磁干擾等，發(fā)控盒內(nèi)部的各種元器件要在這些惡劣的環(huán)境下保持正常工作，必須依靠良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則

發(fā)控盒有苛刻的尺寸限制和惡劣的工作環(huán)境要求，發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)從為電氣功能服務(wù)的原則出發(fā)，除應(yīng)符合基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理外，還應(yīng)滿足電氣性能的要求，確保發(fā)控盒在惡劣的環(huán)境下能可靠的工作。

1.1 組成

發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)通常由底座、前后端蓋、插頭座、主電纜和外罩等組成。發(fā)控盒各個功能電路板、執(zhí)行繼電器、電阻等經(jīng)主電纜和接插件相連，并用螺釘固定在合適位置上，底座通常固定在發(fā)射架殼體上。

1.2 發(fā)控盒的設(shè)計要求

發(fā)控盒結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性等要求，一般應(yīng)從以下四方面考慮來提高上述性能:

a)所選用材料的三防性能:為了保護電子元器件和印制電路板免受潮濕和鹽霧環(huán)境的影響，產(chǎn)品應(yīng)具有密封性，所有用于外結(jié)構(gòu)件連接的緊固件均應(yīng)鍍鎘鈍化處理，對電路板組件采用涂敷處理。所選涂敷材料應(yīng)具有良好的絕緣和機械性能、較強的抗潮濕、抗鹽霧、抗熱循環(huán)、抗老化及抗振能力。

b)發(fā)控盒的熱設(shè)計:熱設(shè)計是指對產(chǎn)品的發(fā)熱元器件以及系統(tǒng)的溫度進行控制所采取的措施，其目的在于保證產(chǎn)品正常、穩(wěn)定、可靠工作。電子設(shè)備熱控制的目的是要為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境，防止電子元器件熱失效，保證它們在規(guī)定的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的參數(shù)正常、可靠的工作。熱控制系統(tǒng)必須在規(guī)定的使用期內(nèi)完成所規(guī)定的功能，并以最少的維護保證其正常工作的功能。

c)發(fā)控盒的抗振與減振:發(fā)控盒應(yīng)具有足夠的強度和剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身不能有效地克服因機械力引起的材料疲勞、結(jié)構(gòu)諧振等影響時，就要采取減振與緩沖措施，以避免或減弱上述因素造成的性能下降。若長期受振動或沖擊作用，會產(chǎn)生疲勞損壞、元器件引線或焊點斷裂、電回路失諧等故障。因電子產(chǎn)品在某些激振頻率作用下會產(chǎn)生共振，其振幅越來越大，最后造成設(shè)備的不可逆損壞。為了防止振動對電子產(chǎn)品產(chǎn)生危害，通常在設(shè)計時即考慮采用減振設(shè)計。常用的減振設(shè)計方法有隔振設(shè)計、結(jié)構(gòu)剛性化設(shè)計、去耦設(shè)計及有阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

d)電磁兼容性設(shè)計:為使產(chǎn)品能在電磁環(huán)境中良好運行，并不對其所在環(huán)境產(chǎn)生難以承受的電磁干擾的能力，應(yīng)在產(chǎn)品的設(shè)計方案中考慮并采取電磁兼容措施，進行電磁屏蔽與接地的設(shè)計，以提高產(chǎn)品對電磁環(huán)境的適應(yīng)性。其措施包括:噪聲的抑制、消除噪聲的耦合通道和抑制接收系統(tǒng)的噪聲等。

2 某型發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及分析

某型發(fā)控盒是某新型發(fā)射裝置的重要組成部分，安裝在發(fā)射裝置內(nèi)，與多種系列的飛機交聯(lián)，可完成對兩型導(dǎo)彈的供氣、供電和發(fā)射等功能。

根據(jù)維修性和模塊化的設(shè)計準(zhǔn)則，將發(fā)控盒分為以下幾個模塊:機架組合、印制板組合、電源組合和繼電器模塊等。

2.1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計在PDM系統(tǒng)中直接利用UG軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，先后設(shè)計出兩種方案如圖1和圖2所示。

圖1 F1發(fā)控盒

圖2 F2發(fā)控盒

兩種方案均采用了大梁內(nèi)腔相似的菱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)模塊化設(shè)計準(zhǔn)則將整個結(jié)構(gòu)分為4個部分:機架組合、繼電器組合、印制板組合和電源組合。

兩種方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有如下共同點:

a)在材料選取上，大部分零件采用鋁合金預(yù)拉伸板，兼顧了產(chǎn)品的強度和重量要求。

b)在表面處理上，所有鋁合金材質(zhì)的零件都采用了化學(xué)導(dǎo)電氧化處理，滿足產(chǎn)品的電磁兼容性要求。

c)在裝發(fā)控盒外罩前將前端蓋、后端蓋和基座周邊與外罩接觸的地方涂上硅橡膠，所有的緊固件也作了點膠處理，進行濕裝配，確保發(fā)控盒的密封性，滿足產(chǎn)品的三防性能。

d)模塊化的設(shè)計使得產(chǎn)品在裝配過程中，布線方便，拆卸容易，故障定位簡單易行，維修性和測試性較強。

e)對變壓器等大體積元器件用環(huán)氧樹脂進行灌封處理，使其內(nèi)部的各個集中慣量為分布式慣量，以消除內(nèi)部的振動耦合，大大提高器件的抗振能力。對標(biāo)準(zhǔn)緊固件采取防松措施，防止振動中松動或脫落。

f)電磁繼電器固定時使觸點動作方向和銜鐵的吸合方向避開振動最大方向，可提高抗沖擊振動的能力。

兩種方案的不同點如下:

a)F1發(fā)控盒結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒飛機、計算機等產(chǎn)品的母板模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將各印制板分別通過電連接器和螺釘與母板相連，完成各組件板的電氣信號連接和固定，并通過電纜完成與接口插頭的連接。F2方案因電氣功能的完善，取消母板設(shè)計，將豎直裝配改為水平裝配，通過螺釘和接插件將印制板固定并引出信號。

b)F1方案零件種類數(shù)量較多，連接方式多樣，除了螺紋連接，還有焊接和鉚接等。F2方案在F1方案的基礎(chǔ)上將部分零件合并，減少連接環(huán)節(jié)，取消鉚接，將焊接改為螺紋連接，縮短生產(chǎn)和裝配周期。

c)F1方案的功率器件和電阻分兩層用立柱固定在電源組合上方，F(xiàn)2方案中將功率器件直接安裝在基座上，提高產(chǎn)品的可靠性。

d)F2方案增加了濾波器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，用環(huán)氧樹脂灌封后，依據(jù)電路圖將其就近固定在上接口處即后端蓋上。

2.1 發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

文中的兩種方案均在設(shè)計初期考慮了產(chǎn)品的電磁兼容性，例如結(jié)構(gòu)表面處理為導(dǎo)電氧化，就近固定接地片等。

F1方案中將部分熱功率器件用立柱固定在變壓器上方，散熱性和抗振性較差。在F2方案中將F1基座的幾種零件合并，并將熱功率器件移至基座上，不僅提高了系統(tǒng)的剛性，還降低了熱阻，使得器件工作產(chǎn)生的熱量能迅速通過基座傳至發(fā)射架大梁上。

在減振和緩沖方面，因為空間的限制，無法使用體積較大的減振器，通過合理固定器件和印制板等提高發(fā)控盒的整體剛度，在印制板與基座之間用環(huán)氧玻璃布層壓板進行隔離，該材料的低熱阻可以有效降低基座上熱功率器件工作時對上層印制板的影響。

圖3 F1發(fā)控盒前四階模態(tài)

作為工程振動領(lǐng)域的基本分析方法，模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)的振動特性(固有頻率和振型)，它們是承受動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。通過對機械結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析可以研究其動力特征，在設(shè)計階段便可預(yù)知系統(tǒng)的動態(tài)特性。對發(fā)控盒而言，進行模態(tài)分析可在設(shè)計初期了解產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，可及時對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行修改，使各階模態(tài)頻率盡量遠離發(fā)射裝置的模態(tài)頻率，最大限度的減少對這些頻率的激勵，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高發(fā)控盒的可靠性。

利用ABAQUS軟件對簡化的發(fā)控盒模型進行模態(tài)分析，兩種方案的模態(tài)圖如圖3、圖4所示。

F1發(fā)控盒的前四階固有頻率為:f1=283.32Hz，f2=394.34Hz，f3=412.74Hz，f4=526.58Hz。

圖4 F2發(fā)控盒前四階模態(tài)

F2發(fā)控盒的前四階固有頻率為:f1=395.50Hz，f2=421.87Hz，f3=518.72Hz，f4=527.47Hz。

由模態(tài)振型圖可知，方案F1發(fā)控盒的前四階模態(tài)分析中，剛性薄弱點均在電源組合上方的功率器件和電阻板上;方案F2中將部分功率器件移至基座，且增加了功率組合與電源組合的接觸面積，并將印制板水平放置，其固有頻率有所提高。

2.3 小結(jié)

文中先后進行了發(fā)控盒的2種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，并對兩種結(jié)構(gòu)形式進行了模態(tài)分析，兩種方案的模態(tài)頻率均高于發(fā)射裝置的一階固有頻率120Hz，兩種方案均可應(yīng)用于發(fā)射裝置內(nèi)。根據(jù)倍頻法則，F(xiàn)2方案的整體剛性更好，經(jīng)過優(yōu)化布局，不僅具有F1方案的所有優(yōu)點，而且還克服了其部分缺點，提高了產(chǎn)品的固有頻率。將實體模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙投產(chǎn)加工，在零件加工和裝配過程中全程跟蹤，模塊化的設(shè)計使得裝配、布線、測試和維修都非常便利。

3 結(jié)論

綜上所述，文中依據(jù)發(fā)控盒的指導(dǎo)思想，設(shè)計了某新型發(fā)射裝置發(fā)控盒的結(jié)構(gòu)方案，并對發(fā)控盒進行了模態(tài)分析，在前一種方案的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使得設(shè)計方案更加完善，F(xiàn)2方案的發(fā)控盒在裝配調(diào)試后做了各項交付試驗，如高低溫工作、振動和沖擊試驗等，在試驗期間和試驗后均能正常可靠工作。且該發(fā)控盒多次順利發(fā)射導(dǎo)彈，說明該方案能夠滿足發(fā)控盒的工作要求，充分證明了其可行性。后續(xù)應(yīng)在該方案的基礎(chǔ)上采取減振設(shè)計，在局部關(guān)鍵器件部位采取隔振措施以提高其可靠性及耐振性，進一步優(yōu)化發(fā)控盒的整體性能。

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