某戰術數據鏈測試設備結構設計

韓鐘劍，張　娜

(1.中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068；2.中國電子科技集團公司第27研究所，鄭州 450047)

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某戰術數據鏈測試設備結構設計

韓鐘劍1，張娜2

(1.中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068；2.中國電子科技集團公司第27研究所，鄭州 450047)

摘要：介紹了某戰術數據鏈測試設備的系統和整機要求，詳細闡述了機箱、整機模塊、托架等結構設計思路與方法。通過模塊化、小型化的結構形式，提高設備可維修性，在保障結構強度的同時減小了設備體積，降低了設備重量。并對測試設備進行熱仿真分析和減振設計，確保設備滿足環境適應性要求。

關鍵詞：結構設計；測試設備；模塊化；熱設計;減振設計；維修性

0引言

戰術數據鏈測試設備(以下簡稱測試設備)由于其使用方所處的力學環境、熱環境、機械環境以及電磁環境等都比較復雜, 如何選擇恰當的整機結構形式, 合理布局, 較好地解決振動沖擊、電磁屏蔽、散熱以及可靠性和維護性等諸多矛盾, 對于提高設備適應嚴酷環境條件起著關鍵的作用。

在測試設備結構設計過程中, 根據使用系統空間和環境要求, 采用主流的三維CAD設計和仿真分析軟件, 對產品進行外形設計、模塊布局以及力學和熱的仿真計算, 通過仿真結果得出最佳的布局形式和散熱途徑[1]。在該測試設備研制過程中采用UG-NX8.0三維設計軟件進行結構設計，FLOTHERM 7.1進行熱仿真以提高設計質量。

1系統和整機要求

測試設備主要完成實驗室和外場條件下與某戰術數據鏈端機互聯互通，對端機的功能、性能進行內場測試和機載設備放飛前的檢測，為某機載端機提供標準測試信號，主要用于端機設備的接收性能以及各種業務消息、話音、視頻的收發測試。

測試設備結構設計應采取小型化設計，合理布局以滿足功能要求, 應保證使用過程中整機模塊可以排除外界環境(如溫度、潮濕、電磁干擾、振動沖擊等)的干擾, 可以保證工作的可靠性, 電子元器件達到預定的技術指標[2]。

2整體結構設計

2.1整體結構設計

該測試設備由機箱、整機模塊和托架組成，外形尺寸為(寬×深×高)：408 mm ×320 mm ×270 mm，重量≤25 kg，整機模塊安裝在托架上,通過定位銷與鎖緊機構固定，托架通過螺釘固定在機箱底板上，通過電纜將整機模塊與前面板相連。測試設備外形如圖1所示，測試設備內部組成如圖2所示。

圖1　測試設備外形圖

圖2　測試設備內部組成圖

2.2機箱結構設計

測試設備機箱外形尺寸依據電子設備臺式機機箱基本尺寸系列[3]。

機箱由前面板、后面板、底板、后框、上蓋等組成。接插件、顯示屏、鼠標、鍵盤、USB接口、把手等均布局在前面板。前面板與后面板錨裝在底板上，確保結構強度。頂部通過2根橫梁將前后面板固定。底板開通風口以及保障風機有足夠進風量并安裝有4個橡膠減振器以提高設備減振效果。上蓋在安裝時先插入前面板凹槽內，再通過螺釘與后框緊固在后面板上。此結構設計具有外觀美觀(表面沒有螺釘)以及拆安裝方便(只需固定后框6個螺釘)。

2.3端機模塊結構設計

2.3.1模塊化設計

整機模塊參考標準ATR機箱的尺寸和安裝使用要求，采用模塊化設計，其中包括天控與功率控制模塊、顯控處理單元、收發綜合處理單元、信息綜合處理單元、電源處理單元。各模塊均設計為帶通風腔式密封屏蔽結構，通過接口轉接單元進行信號傳輸。模塊之間通過高速混裝連接器連接，實現了盲插，通過互相插合緊固實現電氣和機械連接同步到位，同時模塊間形成散熱風道，從而實現了結構、電氣、散熱的緊耦合結構。整機模塊外形如圖3所示。

圖3　整機模塊外形圖

各模塊單元結構件材料選用導熱率高、密度小、強度高且耐腐蝕的鋁合金5A06。端機結構設計方式見表1。

表1　端機結構設計方式表

模塊化設計使整機模塊具有良好的可維護性、可拆卸性、可更換性, 避免了整機模塊內部結構出現雜、亂、散的現象, 緊湊了布局, 減少了重量。

2.3.2小型化設計

整機模塊結構采用SEM-E體系下的標準模塊化設計理念，實現基于通用總線具有通用性、可擴展性的緊密耦合機箱設計，各功能模塊實現緊密安裝。

整機模塊采用混裝底板的設計使得各功能模塊的連接線纜大幅度減少；采用串行總線傳輸離散信號，減少接插件數量的同時提高了可擴展性；采用集成射頻接插件連接各中頻和射頻部分，減少了射頻接插件的體積重量，增加了可靠性；數據處理部分采用高度集成器件減少體積重量，射頻部分采用裸片層疊設計減少體積重量。

射頻處理電路采用高效射頻集成微芯片技術等；數字處理電路選用低功耗、小尺寸的表貼芯片電路，充分實現低功耗工作模式，在最少的硬件配置基礎上通過軟件實現模塊功能；電源和功放采用低功耗、高效率、小型化模塊。

設備小型化設計示意圖如圖4所示。

圖4　設備小型化設計示意圖

2.4托架設計

托架由托板、鎖緊機構、定位銷、支腳減振器、風機罩、密封圈、風機等組成，基于成熟測試設備托架的基礎上改造而成，包括底部加裝風機，實現端機通風散熱功能；托板四周底部加裝4個支腳減振器，實現端機減振設計。該托架具有體積小、重量輕、便于拆裝的特點，同時具備減振功能、散熱功能，能夠滿足振動、疲勞等環境試驗。托架組成外形如圖5所示。

圖5　托架外形圖

3電磁兼容性結構設計

端機的電磁屏蔽設計分為各模塊和整機電磁屏蔽設計兩部分。

各模塊設計為獨立屏蔽結構形式。殼體均采用5A06鋁合金材料銑制而成，蓋板與殼體接合面處均設計有密封槽，在槽內安裝導電屏蔽條實現電磁屏蔽；模塊內部用蜂房結構實現隔離，每一級隔離均為獨立屏蔽。各模塊的屏蔽設計可有效降低設備向外部漏場輻射，同時避免內部之間相互干擾。

端機模塊之間互聯接插件四周也設計有導電屏蔽條，實現模塊互聯信號與外界屏蔽；各模塊外殼互聯導通，主機前面板設計有設備接地柱，通過接地線實現設備接地。端機對平臺接口插座均選用具有濾波功能的元器件，采用后裝方式并帶有導電屏蔽圈，防止外部信號對本機的干擾。

4熱設計及熱仿真

測試設備采用強迫風冷方式循環散熱，各模塊之間設計冷卻風道，內部為5℃恒溫風流，將模塊內部熱量帶走。設備風冷系統包括托架上的進風口和設備冷卻風道兩部分。設備冷卻風道位于兩模塊之間。

該測試設備端機內部集成了如天控與功放模塊、電源模塊等發熱量較大的模塊, 隨著工作頻率與運行速度的提高, 各模塊發熱量隨之增大, 如果熱量不能及時有效地散出去, 就有可能縮短器件的壽命, 降低模塊的可靠性指標, 甚至直接造成模塊不能正常工作或燒毀。

散熱的目的是對整機模塊的運行溫度進行控制以保證其工作的穩定性和可靠性。因此在測試設備模塊及機箱結構設計時應充分進行熱分析和仿真, 以獲取優良的散熱效果, 使之能夠滿足軍用環境的需求。

4.1風冷散熱單元

根據預估設備散熱功耗為560 W，由公式:

(1)

計算設備所需風量Qf=0.029 m3/s( 104.4 m3/h)。

式中:p熱為散熱功率(W);cp為空氣比熱(J/(kg·℃))，標況下為1 005 J/(kg·℃);ρ為空氣密度(kg/m3)，標況下為1.293 kg/m3;Qf為體積流量(m3/s);△T為進出口溫差(℃)，取15℃。

根據風量要求及設備風道流阻特性曲線選擇風機4412FNH，風機相關參數如表2所示。

表2　風機參數表

圖6　風機流阻特性曲線及結構尺寸圖

風機流阻特性曲線及結構尺寸如圖6所示。根據風機實際工作流阻選擇參數示意圖如圖7所示。

4.2熱仿真分析計算

為掌握整機模塊內部溫度分布情況, 確定產品能否在特定條件下正常工作, 采用計算流體力學(CFD)方法進行熱分析, 采用Flomeric 公司的FLOTHERM7.1軟件進行仿真計算, 對整機模塊進行熱仿真分析[4]。對測試設備內部模塊實際熱功耗進行整機熱仿真, 環境溫度分別設為25°和70°。

根據功耗預估仿真結果如圖8和圖9所示。

仿真結果顯示，環境溫度25℃時，射頻綜合處理單元50%占空比工作，端機最高溫度在射頻綜合處理單元功率管處，最高溫度為78.2℃，其余模塊溫度基本在60℃左右。環境溫度70℃時，射頻綜合處理單元降額使用，以25%占空比工作，端機最高溫度同樣在射頻綜合處理單元功率管處，最高溫度為112℃。除天控與功率控制模塊溫度較高外，其余模塊溫度基本在90℃以下。端機中功率管結溫225℃，現場可編程門陣列(FPGA)結溫125℃，電源模塊結溫105℃，由此可以看出熱設計滿足端機的工作環境要求。

圖7　風機實際工作流阻示意圖

4.3其他散熱方式

除風冷系統設計外，設備還采用以下熱設計形式：

(1) 選用低功耗器件，降低設備功耗，減少設備發熱量；

(2) 熱傳導設計，提高機內熱傳導性能，降低設備內部各部件之間溫差，消除局部溫度過熱現象，將熱量均勻傳導至模塊殼體表面；

(3) 模塊本身采用加裝冷板方法散熱，最大限度增加散熱器，降低表面熱流密度；

圖8　環境溫度25℃仿真云圖

圖9　環境溫度70℃仿真云圖

(4) 在某些部位采用散熱帽、散熱片等局部降溫措施；

(5) 對功率較大的集成塊采用貼附界面材料，將熱量傳導到機殼，降低局部溫度，通過設備模塊間風道中的冷卻風流帶走熱量。

5結構減振設計

為避免振動和沖擊對機箱造成的損壞, 測試設備需進行振動沖擊防護設計。機箱和模塊的振動沖擊防護設計主要通過以下幾方面來實現。

5.1機箱振動沖擊防護設計

機箱的振動沖擊防護設計主要是通過減小機箱尺寸、提高機箱剛度、對端機模塊進行加固得以實現。選用強度較高的鋁合金作為機箱的主體材料(5A06), 并將主要承力構件錨裝構成一個牢固的整體，再將前后面板通過加強筋螺釘固定。機箱底部加裝支腳減震器，提高了整機的固有頻率和整體剛度,增強了設備的防振、抗沖擊能力, 使機箱具有良好的機械強度和剛度。

5.2端機模塊振動沖擊防護設計

提高結構抗振、抗沖擊能力并使結構共振頻率遠離激勵的主頻率或整機模塊的危險頻率，從而保障電性能的正常發揮[5]。

根據端機所應承受的力學環境條件選擇合理的結構形式；提高產品結構剛度；增大產品結構阻尼；提高產品結構強度，使安全裕度>0；合理布局電路板。

剛度越大，抵抗變形的能力越強，其自身的固有頻率越高。提高結構剛度的具體措施：選擇較高的剛度比材料，提高零件自身剛度；采用小型化、模塊化設計理念，減輕重量，提高結構剛度；減小電路板間距，壓縮無效空間；在滿足強度、剛度、導熱、粒子輻照屏蔽要求和工藝水平允許的前提下應盡量減少壁厚，減輕重量。

阻尼在振動過程中起到耗散系統能量、降低結構響應的作用。增大阻尼可使振動過程中響應的振動量級減小，載荷放大量降低，從而降低設備結構的振動應力值。增大阻尼的措施主要有：安裝集成塊、分離元器件的印制板上采取粘接加強或灌封等措施；控制安裝間隙，以減小安裝內應力的存在；設備內使用的緊固件和電連接器應具有防松措施；元器件尤其是晶體管等質量大于7 g的器件，采取合理加固措施(機械固定、粘膠固定、局部灌封固定等)；對于某些抗震能力差(如晶體振蕩器、濾波器等)的零件，加絕緣減振襯墊局部減振。

6維修性設計

6.1具有良好的可達性設計要求

(1) 設備配置根據其故障率高低、維修難易、重量等因素統籌考慮布局，凡故障率較高、需要經常維修的部分應有良好的可達性；

(2) 檢查維修任一部分時減少拆裝環節；

(3) 故障率較高的部件裝拆簡便；

(4) 各檢查測試點應布置在易接近的位置。

6.2標準化、通用化和互換性

(1) 設計時選用元器件按我所質量部認證的廠家生產的標準元器件，減少品種規格；

(2) 結構設計中選用標準件、通用件，以便更好地保證產品質量，提高產品的標準化、通用化和互換性程度。

6.3設備的維修方法

測試設備維修采用設備自檢測方法，診斷故障部位，對故障模塊進行維修。維修分為二級：

(1) 一級維修為外場維修，采用更換可更換單元(SRU)方法。

(2) 二級維修為設備承制單位維修，對故障模塊進行維修，更換失效元器件，恢復其電性能。如有條件，二級維修也可在場站進行。

7腐蝕與防護設計

為了提高模塊及整機的防潮濕、防霉菌、防鹽霧的三防性能, 采取如下三防措施[6]:

(1) 選用相同電化學偶、防護性能好的金屬鋁作該分機的結構件材料, 且對其表面進行導電氧化處理,既保證了屏蔽性能,又滿足三防要求。

(2) 結構件凹槽處加裝密封條，能夠有效增強整機密封性。

(3) 在機箱外表面涂冰灰半光丙烯酸聚氨酯烘干磁漆, 以增強整個電子設備的三防性能。

8結束語

本文詳述了測試設備結構設計方面的思路及考慮， 筆者充分運用電子設備結構設計的專業知識, 認真、仔細地對該測試設備進行了模塊化、小型化、電磁兼容性、熱、防沖擊、振動等設計考慮。通過采用成熟經驗和結構力學三維設計及仿真軟件UG、熱仿真軟件Flotherm，較好地解決了整機結構形式、屏蔽、散熱等主要矛盾, 取得了滿意的效果。從原理樣機到工程樣機, 電氣性能、體積、重量等均完全滿足了系統主要技術指標及安裝、環境指標。

參考文獻

[1]周開勤.機械設計師實用手冊[M].天津:天津科學技術出版社,1995.

[2]王健石.電子設備結構設計標準手冊[M].北京:中國標準出版社,2001.

[3]中國國家標準化管理委員會.電子設備臺式機箱基本尺寸系列.GB/T 3047.6-2007[S].北京:中國標準出版社,2007:1-2

[4]趙春林.電子設備的熱設計[J].電子機械工程,2002,18(5): 40-42.

[5]季馨，王樹榮.電子設備振動環境適應性設計[M].北京:電子工業出版社,2012.

[6]南雁,郭建平,張婭妮.某機載電子設備總體結構設計[J].航空計算技術，2011，41(3):97-100.

The Structural Design of A Certain Tactical Data Link Test Equipment

HAN Zhong-jian1，ZHANG Na2

(1.The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068,China;2.The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047,China)

Abstract:This paper introduces the system and overall unit demand of a certain tactical data link test equipment,elaborates the structure design thought and method of the machine box,overall unit module,bracket,etc.,improves the maintainability of the equipment by means of the structure mode of modularization and miniaturization,which reduces the volume and weight of the equipment while ensuring the structure strength.The thermal simulation analysis and anti-vibration design are also performed to the test equipment in order to guarantee the equipment meet environmental adaptability requirement.

Key words:structure design；test equipment；modularity；thermal design；anti-vibration design; maintainability

收稿日期:2016-01-25

中圖分類號：TN03

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0115-07

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.028