某雷達產品電源組件結構動態響應及熱仿真

尹甲人，常 逾，楊光輝

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

軍用雷達技術的不斷發展，使得各型雷達裝備的性能不斷提高，要求雷達產品的功率越來越大，供電種類越來越多，可靠性也越來越高，這些都對雷達產品的供電提出了新的挑戰。雷達產品的供電具有特殊性，需要對裝備電源進行二次轉換，電源組件實現了這一功能。作為雷達產品的直接供電單元，電源組件的電壓穩定性、提供電流能力、高低溫條件下工作的可靠性等都會直接影響到雷達產品的性能指標［1］。

優秀的電源組件不僅要具有良好的電氣性能，對其結構形式也有更高的要求。某型雷達產品不僅要求電源組件具有大功率穩定電流電壓輸出，還要求其具有抗大機動過載，能夠耐高溫等環境，這些要求都為電源組件的結構設計提出了新的要求。

本文以某雷達產品的電源組件結構為研究對象，運用有限單元分析法，借助于UG NASTRAN軟件，首先對電源組件的結構模型進行簡化，以便進行有限元分析;在簡化模型的基礎上，對其進行有限單元網格的劃分，并分別開展動態響應和熱仿真分析。根據分析結果，對電源組件結構進行局部設計優化，并進行仿真驗證［2］。

1 電源組件動態響應

采用Siemens 公司的UG NASTRAN 103 response simulation 功能模塊進行電源組件的動態響應分析。在原有三維數據模型的基礎上進行模型簡化，對簡化后的模型實施網格劃分，在網格劃分的基礎上定義材料單元的屬性;之后建立求解模型，對求解器進行參數編輯;最終通過求解得出電源組件的模態信息和在此基礎上的動態響應［3］。

1.1 仿真用模型建立

在UG 中由原三維實體模型生成理想幾何體并對其進行適當簡化:去掉螺紋孔、倒角、圓角及不影響仿真結果的局部幾何特征;為減少仿真過程中的計算量，對電源組件的印制板進行簡化處理，即把板上器件作為集中質量分布在印制板上;為更好地模擬電源模塊的結構及熱特性，對電源模塊進行模型替代。圖1 為電源組件簡化后的幾何模型，主要由框架、散熱板、印制板1、印制板2等組成。幾何模型與原三維模型具有同步功能，能夠及時體現三維模型上參數的更改，可以方便快速地進行參數化有限元分析以及迭代優化設計［4］。

圖1 理想化的電源組件幾何模型

1.2 有限元網格劃分

在網格劃分過程中，首先要對裝配體之間的連接進行處理。電源組件的零件、模塊、印制板之間采用的是螺釘連接方式，對于螺釘連接的有限元處理方式是多種多樣的，有利用彈簧單元模擬螺栓連接剛度、用剛性連接來等效連接、用等效接觸區域近似模擬等多種方法［5］。但經長期研究證明，在模擬過程中的螺釘預緊力、零件表面平面度及粗糙度、墊圈、螺紋膠等一系列非線性因素的影響都很難量化，很難準確等效連接。因此，直接采用剛性連接來等效螺釘連接。

為了實施電源組件的動態響應仿真，建立點到面的剛性連接單元，以便于激勵的加載。這樣只需要把隨機振動的加速度功率密度(PSD)譜加載到激勵點上，就可實施對整個產品的隨機振動激勵。有限元分析模型如圖2 所示，網格劃分采用六體網格，混合節點［6］。

圖2 電源組件有限元模型

1.3 設置求解參數進行運算

電源組件的動態響應仿真是在其模態分析基礎上進行的，即在求解結構動態響應之前，應先求出電源組件的各階模態。在求解模態的過程中，要對求取的固有模態頻率范圍進行定義，為了能夠完整反映在PSD 激勵下的動態響應特性，設置與試驗譜帶寬相同的頻率求解范圍(20 ～2 000 Hz)。

試驗譜如圖3 所示，其中，w2=0.04。

根據公式m = 10lg(wi+1/wi)/log2(fi+1/fi)，求得w1=0.01［7］。

1.4 仿真結果分析

根據仿真結果，得出模型前30 階固有頻率。為減少計算量，可以通過分析激勵方向模態質量比，將影響小的模態(通常以0.5%為底線)進行抑制，最后留下對激勵方向敏感的固有頻率列表，如表1 所示［8］。

表1 中，前四階的固有頻率分別為256.2 Hz，430.1 Hz，479.6 Hz，483.3 Hz，其模態云圖如圖4所示。

圖4 電源組件前四階模態云圖

從前四階模態云圖可以看出電源組件強度的薄弱環節為印制板1 部位。為詳細分析激勵狀態下的薄弱部位，把試驗譜加載到建立的激勵點上，選擇敏感方向Y 向為激勵加載方向，生成均方根應力云圖如圖5 所示。從圖5 可以看出，Y 向隨機振動時的最大1σ 應力為10.59 MPa，發生在散熱板與印制板1 的安裝接口處，3σ 應力為31.77 MPa。

圖5 隨機響應下應力云圖

圖6 為電源組件在Y 向隨機振動載荷下的位移響應云圖，圖中最大位移為0.238 8 mm，位于印制板1 的頂端部位。

圖6 隨機響應下位移云圖

2 電源組件熱分析

2.1 熱分析類型

熱分析一般分為穩態和瞬態兩種。

穩態分析:系統凈熱流率為零，即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量，則系統處于熱穩態。在穩態熱分析中任意節點的溫度不隨時間變化。

瞬態分析:瞬態傳熱過程是指一個系統的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能都隨時間明顯變化［9－10］。

對于雷達產品電源組件而言，其正常的生命周期很短暫，可以運用瞬態分析，但考慮到作為雷達產品的供電單元，在產品調試過程中要持續供電，因此嚴格考核等級，采用穩態分析［11］。

2.2 電源組件穩態分析

隨著電源組件工作狀態變化，熱耗也在不斷變化，在分析時嚴加考核，取各器件工作時的峰值功耗作為熱負載，電源組件各功率器件安裝位置如圖7 所示，各個器件的峰值功耗如表2 所示。

圖7 電源組件功率器件安裝位置

表2 各個器件的峰值功率

電源組件穩態熱分析的關鍵是要設置各發熱器件與結構件之間的熱阻，熱阻的大小會直接影響到各器件的最終溫度。裝配過程中，發熱器件與結構件之間涂覆導熱硅脂，用螺釘固定，采用推薦熱阻2.32 cm2·K/W［12］。電源組件熱分析有限元模型如圖8 所示。

設置初始環境溫度為20 ℃，與周圍環境空氣對流換熱系數為4 W/(m2·℃)，采用NX NASTRAN的熱分析模塊進行穩態熱分析，其結果如圖9 所示。從圖9 中可以看出電源組件達到穩態后，其最高溫度為119.62 ℃，出現在功耗最大的器件U6 處，最低溫度為54.89 ℃。根據器件手冊可知，在器件殼溫不大于125 ℃時，器件均可正常工作，因此電源組件的熱設計符合指標要求。

圖8 電源組件熱分析有限元模型

圖9 電源組件溫度云圖

3 結 論

通過對電源組件進行定向隨機動態響應分析，發現應力集中出現在印制板1 與散熱板的連接部位，最大變形位移出現在印制板1 的上邊緣中部位置。根據分析結果得出的最大應力值及位移值來看，其數值遠遠小于結構件的屈服強度及其允許變形量，即隨機響應過程中對電源組件的結構設計能夠正常工作。為了提高電源組件的整體剛度，可以在印制板1 與散熱板之間增加連接螺柱并增大尺寸，調高結構設計余度。

通過熱仿真分析結果可以看出，高溫區域主要集中在最大功耗器件U6 處，最高溫度小于器件額定溫度上限，因此滿足熱設計要求。

［1］陳玉振，周勤.基于ANSYS 的雷達結構強度分析［J］.電子機械工程，2011，27(1):50－52.

［2］沈德剛.某機載雷達天饋伺系統隨機振動分析［J］. 電子機械工程，2013，29(5):1－3.

［3］王勖成. 有限單元法［M］. 北京:清華大學出版社，2003.

［4］張洪武，關振群，李云鵬，等.有限元分析與CAE 技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］程來，宋言明，李賀，等.基于等效接觸區域的螺栓連接結構模態分析［J］.機械設計與研究，2012，28(2):44－47.

［6］劉延柱，陳文良，陳立群.振動力學［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［7］洪寶林.隨機振動試驗譜形參數計算方法［J］. 航空計測技術，1995，15(5):12－15.

［8］鄧兆祥，李興泉，章竟成，等.基于有效模態質量的子結構主模態選擇方法［J］.汽車工程，2013，35(6):543－547.

［9］陶文銓.數值傳熱學(第2 版)［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

［10］余建祖，高紅霞，謝永奇. 電子設備熱設計及分析技術(第2 版)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［11］葉菁.相控陣雷達天線的熱設計［J］. 電子機械工程，2001(1):42－45.

［12］王健石，朱東霞. 電子設備熱設計速查手冊［M］. 北京:電子工業出版社，2008.