球上數字光端機熱設計與仿真優化研究

［劉霄海 梁增柱 尹鈺田 王志勇］

1 引言

某型球上數字光端機裝載在高空熱氣球上，與地面設備實時互通；受使用環境限制，該設備對體積重量有嚴苛的要求，在滿足強度要求的情況下，需要開展輕量化設計；同時，該設備面臨著惡劣的高溫熱環境且內部含有大量熱敏感的光模塊，因此需要對其進行必要的熱設計[1]。本文通過對某型球上數字光端機進行結構散熱方案設計并利用熱設計仿真分析進行驗證及風道優化設計，得到最優的設計結果，指導結構工程師進行改進設計，縮短產品研制周期，節約研制成本，其設計分析方法對球上電子設備結構與熱設計有一定的參考價值。

2 熱設計要求

某型球上數字光端機采用金屬板拼裝而成，為滿足輕量化和強度要求，通過對不同材料的對比分析，選定底板、箱體前后框架、前立板的材料為AZ31B 鎂鋁合金；風扇安裝板、進風端連接架及上下蓋板等結構組件的材料為6061 鋁合金，整體外形尺寸約為：490 mm×480 mm×160 mm（長×寬×高），如圖1（a）所示。其主要由箱體、1 個電源模塊、4 個波分復用模塊、1 塊光收發板A、3 塊光收發板B 等組成。光收發板卡外形尺寸均為：365 mm×130 mm×2 mm（長×寬×高），其中光收發板A 上安裝41 個光模塊，其余每塊光收發板B 上安裝44個光模塊，如圖1（b）所示。

圖1 球上光端機整體結構模型

設備工作環境溫度最高為56℃，工作海拔高度為3 500 m。其主要熱耗器件為電源模塊及光模塊，相關信息如表1。

表1 光模塊及電源熱耗信息

通過上述信息看出，光模塊耐溫較低，數量多且集中在4 塊光收發板上，因此熱設計時需要重點考慮光模塊的散熱。……