某模塊化綜合電子設備的熱設計和抗振設計

黃賢浪

（西南電子技術研究所，成都610036）

某模塊化綜合電子設備的熱設計和抗振設計

黃賢浪

（西南電子技術研究所，成都610036）

介紹了一種模塊化綜合電子設備的結構設計，該設計將多個分離的獨立電子設備以模塊化的形式組合起來，但由此會帶來設備的熱流密度增大、體積增加問題，散熱和抗振成為設計中的難點。設備采用多種風機組合的方式同時結合熱仿真實現了整機的散熱設計；依據實際振動環境，采用局部隔振和整機力學仿真實現了整機的抗振設計。

電子設備；抗振設計；熱設計

0 引言

目前航空電子系統體系結構已經從分離的獨立電子設備發展到模塊化綜合航電系統，模塊化綜合航電系統的特點是開放性好、全壽命成本低、具有良好的可靠性和兼容性［1］。由模塊綜合化帶來的是電子設備熱流密度的大幅提升，設備冷卻已經成為模塊綜合化必然要面對的難題；由于將原來多個設備的功能集中，設備的尺寸因此成倍增長，設備的抗振能力設計也面臨嚴峻挑戰。

1 設備結構設計

某機載電子設備集成了多個獨立設備的功能，要求具備現場維護功能，根據總體方案，采用模塊化綜合結構形式。裝機平臺要求較小的安裝空間尺寸，重量要盡可能輕，能自行解決熱耗，并且能耐受嚴苛的振動條件。

依據前期劃分，整個設備分為兩大部分——機架和一系列現場可更換模塊。機架主要為各個模塊提供機械安裝、電路板保護和電氣互聯區域功能。為實現所有的模塊可現場替換，將所有的內部電氣互聯集中于機架背部，包含模塊與機架之間的互聯和模塊與模塊之間的互聯，同時將設備的對外信號在電氣互聯區域產生。依據安裝平臺要求的空間尺寸，大致規劃出機架的結構形式。機架包含：與主機的安裝接口和電氣接口，與模塊的機械電氣接口，散熱部分。

作為電氣功能的物理載體，模塊的封裝成為熱、振動和電磁等多個學科高度融合、關聯設計的成果［2］。依據電路功能的劃分，該設備共包含15個模塊，各個模塊具有相同的界面尺寸和類似的機械電氣接口，根據內部電路板的差異而更改模塊的厚度。模塊前面具有統一的起拔功能，并且附有模塊的標識功能，中間采用可靠性高的鎖緊條鎖緊，背部為電氣接口，電氣接口包含低頻信號和射頻信號。

圖1 設備外形示意圖

2 設備熱設計

電子設備的熱設計包括選擇合適的冷卻方式，布置冷卻劑流型、方向以及排列封裝內的電子部件等［3］。該設備的機載平臺要求設備自行解決散熱問題。依據模塊熱耗的情況，通過估算，自然散熱不能滿足該設備的散熱需求，考慮采用強迫風冷的方式冷卻，設備自帶風機提供風源。從圖示來看設備的熱耗中，下排模塊的熱耗大致為23、10、13、13、13、35、35、40、25、25、20、35、35 W，上面2個模塊均為40 W。

要進行風機選型，首先需要確定風冷散熱所需帶走的熱量及所需的風量。自然對流散熱量計算：主機自然對流散熱的表面積 S=0.8 m2；取自然散熱系數 α=6 W/（m2·℃）；設表面平均溫升T=12℃；則自然對流散熱功率Q1=α·S·T＝57 W。

輻射換熱計算：物體輻射換熱面積S=0.8 m2；輻射傳熱表面傳熱系數ατ＝5.67Fε［（（t1+273）/100）4-（（t2+273）/ 100）4］/（t1-t2）＝3.3 W/（m2·℃）。

設表面平均溫升T=12℃，輻射傳熱功率為：

Q2=ατST＝3.3×0.8×12＝31.7 W。

強迫對流換熱量計算，需要強迫風冷帶走的熱耗：

Q3＝389-57-31.7＝300.3 W。

機架集中散熱模塊所需風量：根據換熱計算公式Q= CPMΔt；取定性溫度（70℃）下CP=1009J/（kg·℃），ρ＝1 kg/m3，Δt為 12℃；則需要帶走的熱耗為 220.3=1 009×12× M；所需冷卻空氣的質量流量M=0.018 2 kg/s=65.5 kg/h，體積流量V＝M/ρ=65.5 m3/h。

上面2個模塊需要帶走的熱耗為80=1 009×12×M；根據換熱計算公式Q=CPMΔt；取定性溫度（70℃）下：CP= 1 009 J/（kg·℃），ρ＝1 kg/m3，Δt為12℃；所需冷卻空氣的質量流量M=0.006 7 kg/s=24.1 kg/h，體積流量V＝M/ρ= 24.1 m3/h。

依據計算結果，設備采用兩種不同的風機，并依據設備的尺寸情況和熱耗情況放置風機位置。頂部風機選用最大風量為24 m3/h，尺寸為40 mm×40 mm大小的風機。機架底部選用最大風量分別為170m3/h，尺寸為119mm×119mm的風機。

由于設備尺寸限制和模塊熱耗情況，此兩個模塊將采用獨立的風機組件供風，其余的模塊公用一個風機組件。考慮到熱流方向與重力方向相反，大的風機組件位于設備底部，從下往上吹風，其特點是風壓大，風量比較集中［4］。設備底部周圍開有進風口，機架上部需要做出風口，同時模塊與模塊之間留出間隙（間隙大小視模塊發熱量和設備尺寸初步確定），由相鄰的兩個模塊面形成風道，下部模塊的熱量均需要導至模塊的兩個大面上，熱量由通過的冷風帶走；頂部兩個模塊的熱量要求通過模塊上端面散出，并且要求模塊頂部做出風道和散熱齒，風道要求前后貫通。接插件設計在模塊背部的下端，以留出空間在模塊背部的上端設計一個小的風機組件，將從前往后抽風。

底部風機組件依據模塊的散熱情況，調整風機位置，將風盡量送往發熱量大的風道，頂部風機則主要對準模塊散熱量大的位置，并要求在模塊的該位置形成較通透的風道。上面兩個模塊不要過多地遮擋散熱量大的底部模塊，并且將該模塊往上抬起一定的高度，對于其正下方的模塊也能有一定的風道，模塊的安裝組件也設計成鏤空形，減小風阻。風機位置如圖2所示。

圖2 風機位置示意圖

在初步的結構設計后，將初步排布完成后的設備導入熱分析軟件進行仿真分析。主要的邊界條件：環境溫度70℃，機架材料為防銹鋁，模塊熱量均布于模塊中心，風機采用選定風機參數。最后分析結果如圖3所示。

圖3 熱仿真云圖

通過多次仿真優化，不斷調整各個模塊間的間隙，得到最優解。從圖示可以看出，設備最高溫度集中在上面2個模塊，模塊表面最高溫度為82～84℃之間，滿足設計需求。

3 設備抗振設計

由于設備需要盡量地輕，依據以往的經驗，設備使用的環境振動量級可以不采用隔振器，從而減小設備的體積和重量。通過與主機的協調，設備采用6個螺釘與主機連接。為盡量地減輕重量，機架所有零件都考慮減重。初步的減重主要是將機架設計成“鏤空”的形式，所有的零件除去必要的機械接口、電氣接口，保證零件整體強度的前提下，去除多余材料。在如此的減重設計下，需要重點考慮設備的抗振動設計。

圖4 仿真有限元模型和模態仿真云圖（一階）

減小設備體積，尤其是高度方向的尺寸，這也是頂部風機放在后面而不放在上面兩個模塊頂部的原因之一；在滿足進氣量的同時，盡量壓縮底部風機進氣高度需要的尺寸；風機對振動比較敏感，需要單獨對風機進行抗振設計，在風機組件與底板的連接處安裝輕型隔振器；滿足散熱的同時將上面兩個模塊放置在機架一階振型大概位置，通過上端兩個模塊來增強設備的剛度；在重要零件的連接處增加緊固銷釘；所有模塊均通過鎖緊條的擴張實現與機架的緊密結合，保證模塊的牢固安裝，提高機架的整體剛度；通過控制系統的固有頻率，避免外激勵作用下的共振［5］。

將初步設計的模型導至結構仿真分析軟件中進行分析，設備采用鋁材作為主要材料，采用6個安裝孔固定，對機架進行模態分析。得出一階模態為159 Hz、二階模態為182 Hz、三階模態為187 Hz、四階模態為342 Hz、五階模態為457 Hz。通過與輸入的條件比較，避免了在量級比較大的輸入振動頻率引起共振。

從仿真分析可以看出，機架一階模態變形主要集中在一些不是很重要的位置，這些位置不包含電子設備的關鍵電路板。針對類似機架，其模態處于比較高的頻率，從理論仿真來說，該設計滿足振動需求。

4 結語

熱和振動設計作為模塊化綜合電子設備的設計重點和難點，將成為該類設備設計中必然面臨的問題。本文闡述了一種模塊化綜合電子設備的熱和振動設計，通過對結構形式的多次改進結合仿真技術得到最后的設計參數，并最后通過實物試驗驗證其設計滿足環境需求，為類似的電子設備的結構設計提供了一種思路。

［1］ 盧涼，嚴志堅，黃誠.基于SEM-E標準的LRM模塊設計［J］.電訊技術，2011（增刊1）：132-137.

［2］ 程勁嘉.綜合因素對模塊封裝設計的影響［J］.電訊技術，2011（3）：14-17.

［3］ 呂永超，楊雙根.電子設備熱分析、熱設計及熱測試技術綜述及最新進展［J］.電子機械工程，2007，23（1）：5-10.

［4］ 邱成悌.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2005.

［5］ Rao S S.機械振動［M］.李欣業，張路明，譯.北京：清華大學出版社，2009.

（編輯：畢 勝）

TN 957.3;TP 391.9

A

1002－2333（2014）04－0159－02

黃賢浪（1986—），男，助理工程師，主要從事航空電子產品結構設計工作。

2014-01-26