鎂鋰合金在機載電子設備輕量化結構設計中的應用

韓鐘劍，葉林梅，李兵強，劉文超

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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鎂鋰合金在機載電子設備輕量化結構設計中的應用

韓鐘劍，葉林梅，李兵強，劉文超

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

詳細闡述了某機載電子設備小型化與輕量化設計思路與方法，首次對設備內部模塊采用鎂鋰合金材料，并通過振動仿真結合試驗驗證的方法，使該設備在機載環境情況下滿足小型化與輕量化的設計要求。

結構設計；小型化；輕量化；模塊化；鎂鋰合金；振動仿真

0 引 言

由于機載環境要求嚴格，情況復雜惡劣，載機的資源有限，故電子設備在結構上要求體積小、重量輕、穩定可靠、維修方便[1]。機載電子設備結構輕量化設計有效地保證了減重措施，提高了飛機的機動性。通過長期的設計改進及實踐，在機載電子設備的典型結構設計中采用了小型化與輕量化設計，在模塊結構設計中采用鎂鋰合金，使整個結構非常輕巧，操作方便，有效減輕了載機重量，并且提高了設備的可靠性及維修性。

1 某機載設備結構設計思路與方法

1.1 輕量化結構設計需求

該小型化機載電子設備、安裝架及附件參照GJB441-1988《機載電子設備機箱安裝架的安裝形式和基本尺寸》和GJB779-1989《機載電子設備機箱和安裝架通用規范》的要求設計。按照新研航空機載機箱(ATR)型設備電纜插座設計在機箱的后部，設備采用標準托架安裝和前維修方式。

該小型化機載電子設備由機箱、模塊和托架組成，外形尺寸220 mm(寬)×215 mm(高)×370 mm(深)，重量≤18 kg，整機安裝在托架上，通過定位銷與鎖緊機構固定，托架通過螺釘固定在機艙機柜上。設備外形如圖1所示。

1.2 小型化設計

電源模塊小型化設計：原機載電子設備有2個電源模塊，分別是安裝在前蓋內部的電源模塊1和安裝在主框中的電源模塊2。這2個模塊體積大，占用地方多，布線雜亂。通過合理的結構設計布局，采用低功耗、高效率的小型化電源模塊，輸入與輸出綜合，將2個電源模塊合二為一，在功能不變前提下，有效減輕重量與體積。

光端機小型化設計：原光端機作為一個可更換單元(LRU)外掛設備與主機設備相連，經重新設計，將光端機作為一個模塊裝在機箱里；將設備間互聯航空插頭改為板間帶屏蔽連接器。難點是光纖具有彎曲半徑要求，而走線板與前面板間距很小，因此從結構上設計為面板航空插頭與光端機模塊錯開一定距離，保證光纖彎曲半徑，并且采用特制的光纖連接器MT頭與母板LRM頭互聯，實現光信號連通。

根據新研設備功能要求去掉衛導模塊；其他功能模塊沿用原設計，通過小型化設計，使整機在結構上更加緊湊，布局更加合理。該機載電子設備體積減小20%，完全滿足了設計需求。設備小型化設計變化前后爆炸圖如圖2所示。

1.3 模塊化設計

模塊化設計使整機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, 同時對小型化、輕量化起到作用。

將整機按功能分為數據處理、收發信道、數字中頻、電源變換和光端機等模塊。各模塊均設計為密封屏蔽結構，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，從而實現了結構、電氣、散熱的緊耦合結構。整機內部模塊組成如圖3所示。

1.4 減重設計

小型化、模塊化對整機輕量化的設計奠定了基礎，本小節主要針對整機結構件進行設計減重。

在整機結構件減重過程中，根據各零件功能原則來對其進行減重[2]。第1類為輔助類零件，包括前蓋、后蓋，主要起封閉機箱的作用，不承受較大的力。第2類為無法減重類零件，主要為標牌、鎖鉤等零件，該類零件本身重量較輕，由于本身大小或功能的限制，無減重余地。第3類為重要類零件，如主框,主要起支撐模塊和其他結構件的作用及散熱作用。第4種為托架、支架等支撐件，該件著重考慮結構的剛性，以防止剛性太差,還要考慮強度和疲勞特性，尤其是連接鎖鉤與定位銷處，以防止在使用過程中強度不足或發生疲勞破壞。

機箱、托架等結構件沿用鋁合金5A06材料。機箱通過將前蓋、主框、后框的非承重部分壁厚削薄處理，從5 mm減少到2 mm；散熱齒減少厚度；用增加減重孔尺寸等方式進行減重，并采取在非承重部位挖陣列長圓孔槽的方式進行減重。

對托架進行全新設計。由于機箱的小型化設計，使得托架整體尺寸也隨之減小；此外減重部件為托板、定位板、支架等。厚度由3 mm減到2 mm，并進行挖孔處理，托架定位板高度由原來的60 mm減到40 mm，中間開對稱長圓孔。考慮到主機處理單元安裝于通信機柜內，機柜已有減振，因此去掉減振器。

通過小型化與模塊化及結構減重措施，整機重量由原來24.5 kg減重到19.8 kg，減重4.7 kg；但整機重量要求不大于18 kg，減重后重量依然超1.8 kg，未達到設計要求，需要進一步減重。減重前后重量見表1。

表1 結構減重前后重量對比

2 鎂鋰合金在模塊減重中的應用及效果

2.1 鎂鋰合金特性與優勢

Mg是密排六方(hcp)結構金屬,滑移系少,只有(0001)1組滑移面,加工困難,限制了它的應用[3]。Mg合金通過Li的合金化,使合金結構由hcp結構轉變為易變形的bcc結構, 使合金塑性明顯提高[4]。而Mg-Li 合金是迄今最輕的金屬結構材料,具備超輕、高比強度、高比模量以及優異的剛性等特點，使得該材料成為最具減重潛力的金屬結構材料。

鎂鋰合金LZ91和鋁合金5A06材料物理特性對比如表2所示。從表2可以看出，鎂鋰合金的密度是鋁合金的1/2～3/5，其比強度大于鋁合金11%，比模量大于鋁合金14%，在相同重量條件下，鎂鋰合金的剛性是鋁的2.76倍，所需的鎂鋰合金材料重量僅為鋁材料的2/3左右，導電性能是鋁合金的22倍，熱導率約為鋁合金的2/3，內耗系數是鋁合金的5～25倍，同時鎂鋰合金具有優異的電磁屏蔽功能；此外，鎂鋰合金可焊接連接，具有良好的機械加工及冷成型能力。

表2 鎂鋰合金與其他結構材料性能比較

2.2 不利因素的克服及減重效果

鎂和鋰都是活潑性很強的元素，因此，鎂鋰合金具有較強的活潑型，在潮濕或者腐蝕性的環境中容易產生氧化，耐腐性較差，必須經過表面處理才能投入使用。目前，常用的表面處理方法有陽極電鍍、微弧氧化、熱噴涂、化學鍍等，經過表面處理的鎂鋰合金具有較好的耐腐蝕性能[5]。

雖然鎂鋰合金采用成熟的表面處理技術已經達到了鹽霧、霉菌等環境適應性要求，采用加裝鋼絲螺套與涂抹密封膠的防護方式提高螺釘孔表面抗腐蝕能力；但是由于機箱、托架裝機環境惡劣，機箱經常拆卸、搬運、維修、磕碰等因素非常容易破壞表面鍍層因而造成殼體腐蝕，所以鎂鋰合金不宜使用在機箱、托架等暴露結構件上。而對于密閉機箱內部模塊就可以大膽選用鎂鋰合金，不但有效克服了不利因素，而且達到了減重目的。如數據處理、數字中頻、收發信道、光端機模塊、模塊殼體與蓋板均采用鎂鋰合金材料進行減重；對于散熱要求比較高的電源模塊散熱面采用鋁合金，蓋板采用鎂鋰合金結合方式進行減重。內部模塊采用新材料總計減重27% 左右。減重前后對比見表3。

表3 鎂鋰合金與其他材料導電導熱性能比較

通過整機減重與模塊采用鎂鋰合金等一系列減重手段，該機載電子設備最終重量減到17.4 kg，累計減重約22%，優于總體要求，不大于18 kg。與原機載電子設備相比，重量減輕7.1 kg左右，減重效果明顯。

3 振動應力仿真

3.1 機載環境條件

耐振動要求：頻率范圍15～2 000 Hz；設備功能試驗譜密度量值見圖4，耐久試驗的功率譜密度量值為功能試驗功率譜密度量值的1.6倍；在X、Y、Z3個軸向的功能試驗時間1 h，耐久試驗時間1 h；艙內整機設備水平方向的功率譜密度值為垂直方向功率譜密度值的50%。 耐沖擊要求：峰值加速度20g；持續時間11 ms；沖擊試驗波形為后峰鋸齒波，沖擊脈沖波形見圖5。沖擊方向：±X、±Y、±Z方向。沖擊次數：每個方向3次，3個軸線6個方向共18次。

3.2 有限元建模

對三維模型進行合理簡化之后在UG高級仿真中建立有限元模型，采用掃掠、單元大小控制及多區域劃分法，分別對機箱殼體、各模塊殼體以及電路板組件進行單獨劃分，以保證網格質量能夠滿足要求。最終計算得到的網格數量為167 512。簡化后的機箱模型如圖6所示。網格劃分后機箱有限元模型如圖7所示。

3.3 模態分析

模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性,即結構的固有頻率和振型,它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數[6]。

對減重后的每個結構件進行模態分析，比較了減重前后和一階固有頻率的變化。零件經過減重和加強筋優化后，在重量大幅減輕的同時，一階固有頻率明顯提高，例如前蓋的重量減輕了20%，而一階固有頻率上升了22.6%，有力驗證了減重措施的合理性。

整機的前6階模態固有頻率和振動位置各不相同，一階固有頻率一般在300 Hz左右，而本文中的機載電子設備一階固有頻率為398.74 Hz，說明該機箱比一般機載電子設備剛性強。同時，有4階振動位置都出現在前蓋，所以前蓋對應于整機是薄弱之處，應做加強處理。此外機箱整體振型比較均勻，整體剛度比較好。整機前3階模態如圖8所示。前6階模態分析結果見表4。

表4 前6階模態分析結果

3.4 隨機響應分析

該機載電子設備整機采用前鎖鉤、后定位銷方式固定。經過仿真發現，整機隨機響應應力薄弱點發生在Z方向。Z方向隨機響應應力如圖9所示。從圖中可以看出，機箱上最大應力為88.3 MPa，位于鎖鉤處。鎖鉤材料為45#鋼，在常溫下的屈服強度355 MPa。鎖鉤的最大應力小于材料的疲勞極限，因此，在耐久振動條件下鎖鉤不會發生破壞，設備強度滿足振動要求。該電子設備的最大加速度為15.5g，位于前蓋下部。由于前蓋板為薄板而非承力件，其加速度不影響電子設備整體的加速度，可以滿足要求。

3.5 沖擊分析

為了評估機箱在給定輸入沖擊作用下的機械性能和結構強度是否達到設計要求，對整機進行沖擊分析。用瞬態響應方法模擬安全沖擊圖譜。對機載電子設備3個方向加載沖擊譜進行比較，得到機載電子設備Y向沖擊的應力最大。最大沖擊應力圖譜如圖10所示。最大沖擊應力為174.6 MPa，位于鎖鉤處。因此該機載電子設備機箱能滿足使用要求。

4 結束語

本文詳述了小型化、模塊化、輕量化等結構設計方法以及鎂鋰合金在模塊殼體上的應用優勢及效果，通過振動應力仿真手段，確保設備強度的同時使得設備體積減小20%，設備重量減小29%，小型化與輕量化效果非常明顯。后經試驗驗證，證明了該新研設備滿足機載環境試驗要求。

[1] 陳竹梅.機載電子設備輕型化設計與應用[J].電子機械工程,2000(6):1-3.

[2] 楊林,張豐華,姜紅明,等.基于強度仿真的某機載電子設備機箱減重研究[J].機械工程師，2013(8):171- 173.

[3] 李勁風,鄭子樵,陶光勇.超輕Mg-Li合金[J].輕合金加工技術,2004,32(10):35-38.

[4] 楊光昱,郝啟堂,介萬奇.鎂鋰系合金的研究現狀[J].鑄造技術,2004,25(1):19-21.

[5] 王軍武,劉旭賀,王飛超,等.航空航天用高性能超輕鎂鋰合金[J].軍民兩用技術產品與應用，2013(6):21- 24.

[6] 韓鐘劍.基于FEA法機載XXX電子設備振動應力分析[J].科技風，2011(23):34.

ApplicationofMg-LiAlloytoLightweightStructureDesignofAirborneElectronicEquipment

HAN Zhong-jian,YE Lin-mei，LI Bing-qiang,LIU Wen-chao
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

This article detailedly expatiates the design idea and method of miniaturization and lightweight for a certain airborne electronic equipment,and Mg-Li alloy is used as internal module material for the first time.By the method combining vibration simulation with test verification,the equipment can meet the requirements of miniaturization and lightweight design under the condition of airborne environment.

structural design；miniaturization;lightweight;modularization；Mg-Li alloy;vibration simulation

2017-05-12

V433;TN04

：A

：CN32-1413(2017)03-0104-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.025