疊層結構雙余度電子設備結構設計方案論證

文雯 趙亮 張理達

摘要：機載電子設備中影響飛行安全的系統裝置應具有至少雙余度，以確保控制有效安全。本文針對疊層結構雙余度電子設備的結構設計方案進行了研究，從重量、耐振動性、維修性、保障性、設計復雜度等方面對三種設計方案進行了對比分析，建立了應力仿真計算模型，進行電子設備的耐振動性能仿真分析，以驗證不同結構設計方案對電子模塊耐振動性能的影響。

關鍵詞：雙余度;疊層結構;電子設備;設計方案

1 引言

機載電子設備中影響飛行安全的系統裝置應具有至少雙余度，以確保控制有效安全。有余度要求的電子設備應實現通道之間電氣隔離，其設計和構成需保證在一個通道中（包括系統部件、電源、電氣/機械傳輸路徑）的故障不應影響其他任何通道，組成電子設備的各內部通道均應設計有獨立的電源轉換功能、處理器、總線接口、外部系統交聯接口等。要想真正實現電氣電子設備各方面性能良好這一點，就一定要確保電氣電子設備結構設計的合理性和科學性[1]。

2 雙余度設計

對于雙余度采集和控制系統架構的關鍵任務系統，電子設備的基本物理結構和內部雙余度系統架構規定每個通道的單獨工作能力。電子設備物理上應為1個機箱，機箱內應包含2個獨立通道，即單機箱雙余度配置，具備單通道獨立工作能力。

2.1 設計方案論證

整機采用封閉結構，用金屬殼體將電氣模塊完全包裹;根據元器件功耗，模塊外表面可設計散熱肋條，以增強散熱效率。模塊元器件產生的熱量通過印制板表面覆銅層傳導至機箱的側壁上散到外面，部分元器件自帶散熱焊盤，可以通過將器件焊接在印制板表面的覆銅層上增大散熱面積;大功耗元器件排布于整機頂層和底層，靠近機箱側壁。整機熱量的傳遞過程示意見下圖。

2.1.1 方案一

電子設備內部由3個模塊組成：模塊A（1塊）、模塊B（1塊）、模塊C（1塊）。每種模塊具備2個獨立工作的通道，方案一對應的電子設備結構如下圖所示。

特點分析：模塊種類、數量少，拆裝相對方便，便于維護管理;缺點在于，模塊規模過大，模塊板面積過大，集成度過高。最終會導致強度可靠性差、排故成本過高、PCB布線質量差、損壞成本高等問題。因模塊面積大，勢必導致整機尺寸大，重量偏重。

2.1.2 方案二

電子設備內部由6個模塊組成：模塊A（2塊）、模塊B（2塊）、模塊C（2塊）。方案二對應的電子設備外形結構與方案一類似，區別僅在于每種模塊拆分為2個完全相同的單通道獨立工作的模塊，兩個通道并列排布，如下圖所示。

特點分析：降低了各模塊的復雜度;單模塊面積較小;整體外形尺寸及重量與方案一相當，整機尺寸大，重量偏重。

2.1.3 方案三

電子設備內部由7個模塊組成：模塊A（2塊）、模塊B（2塊）、模塊C（2塊）、模塊D（1塊）。每種模塊拆分為2個完全相同的單通道獨立工作的模塊，兩個通道垂直排布，如下圖所示。

方案3的安裝面積尺寸可以做到最小，同時通過疊層結構最大限度地減小結構件重量，其外形結構如下圖所示。

特點分析：降低了模塊復雜度，各模塊功能獨立;降低設計難度及后期工作復雜度;單模塊面積較小，縮小了整機尺寸，減輕了結構件重量。

2.1.4 方案對比分析

三種方案設備的一階模態對比如下表所示。

從重量、維修性、保障性、設計復雜度等方面對三種設計方案進行對比分析。

3 結論

雙余度電子設備采用單通道模塊設計并垂直堆疊時，在整機重量、強度等方面具有較明顯的優勢，適應了高新科技的發展對電子設備提出的體積更小、重量更輕、高密度組裝的要求。

參考文獻

[1]陳達波.電氣電子設備結構設計方法分析[J].電腦迷，2017，07：140-141.

作者簡介：文雯（1985-），女，工程師，主要從事機載、彈載計算機結構設計工作。