液冷殼體真空釬焊工裝的結構優化

朱光輝，劉 超，劉謙文，王 朝

（西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

引言

機載設備使用著大量的電子元器件，隨著電子元器件的集成度逐漸提高，各種元器件的功耗也隨之變大，為了保證各元器件的正常使用壽命，機載產品的散熱要求逐步提高。

液冷殼體作為機載功能模塊的重要組成部分，可以通過冷卻液在殼體內部流道的循環實現快速降溫，然而由于液冷殼體結構復雜、精度高，生產嚴重受限。其中液冷殼體真空釬焊工序由于焊接工裝的質量大，真空釬焊時吸熱較多，嚴重影響釬焊爐的升溫，致使殼體真空釬焊的裝爐量較低。為了提高生產效率，對其真空釬焊工裝進行結構仿真優化，為提高模塊的真空釬焊的裝爐量等做理論支撐。

1 模型建立

某液冷殼體由蓋板和框體通過真空釬焊焊接而成，框體和蓋板零件均為6061 鋁合金材料，分布在框體上的流道在零件加工時已完成，然后將框體流道面和蓋板通過真空釬焊焊接連接，焊接完成后再對蓋板和框體進行精加工，通過去除多余材料達到減重的目的，液冷殼體見圖1。

圖1 液冷殼體圖

由于機載設備對質量要求較高，為了減輕模塊質量，蓋板需精加工至0.8 mm±0.05 mm，這對焊接后蓋板和框體接觸面的平面度要求較高，為了保證后續精加工，進入數控精加工的液冷殼體蓋板面平面度要求不大于0.1 mm。

由于真空焊接時需要工裝對模塊進行充分夾緊，且均勻受力。工裝的夾緊力不足，會出現局部焊接不緊密等質量問題；若夾緊力過大，焊接過程會產生較大變形，后續精加工前需要通過熱校平進行修復，部分模塊無法實現校平。通過多次試驗，新設計的工裝，如圖2 所示為液冷殼體釬焊裝夾圖。

圖2 液冷殼體釬焊裝夾圖

蓋板貼合在底座上，框體貼合在蓋板上，中間放置焊料，框體通過均勻分布的壓頭，使框體和蓋板貼實，各壓頭使用旋合預緊的方式，擰緊力矩一定。由于焊接時工裝會吸熱，保證真空釬焊爐正常的溫度變化，工裝的質量減少，模塊的裝爐量將提高，設計的該工裝其底板為不銹鋼板，在三維軟件建立模型輸入密度，測量其質量為3.443 kg。

2 仿真分析

由于對整個模型進行分析比較復雜，且部分模型不是分析重點，可以進行簡化，不影響分析結果。

對模型進行簡化，液冷殼體由底板和均勻分布的壓頭進行夾緊，將液冷殼體和底板進行單獨分離，假設其余結構作用在液冷殼體和底座接觸面上的力均勻分布在接觸面上，建立三維模型并導入Ansys中，在DesingnModeler 中設置受力面，模型受到的力為C 型夾的支撐力和旋轉壓頭的壓緊力及重力，重力可忽略不計，螺釘的預緊力F0計算公式為：

選用的為M8 螺釘，擰緊力矩T 為3.28 N·m，扭矩系數K 取0.2，壓頭數量d 為24 個，壓頭作用在液冷殼體上的總壓力為4 920 N，液冷殼體和底板的受力面積為36 718.16 mm2，受力面上的壓強為0.128 MPa，添加到受力面上，底板C 型夾接觸部位添加固定約束，底板和C 型夾接觸面積為2 813.02 mm2。分別設置鋁合金和不銹鋼的材料屬性。

由于模塊具有一定的結構強度，通過對模塊和底板整體進行靜力學仿真分析更能接近實際情況，C 型夾及壓頭作用在模塊及底板上的力采用均勻載荷進行分析。通過對模型進行分析，對導入的模型添加受力面，劃分網格，添加約束并求解，得到最大變形量圖，如圖3，可以看出最大總變形量為0.022 193 mm，由于總變形量遠小于加工要求的平面度0.1 mm，底板模型的結構設計裕度為4.5，設計裕度較大，存在較大的優化空間，可以通過結構優化減輕底板質量。

圖3 優化前最大變形量圖

通過Inventor 對底板三維模型結構進行優化，增加減重槽。增加減重槽后，底板質量為1.954 kg，對模型進行靜力學仿真分析，采用同樣的分析步驟依次對模型添加受力面、劃分網格、添加約束并求解，得到優化后最大變形量圖，如圖4 可以看出，最大總變形量為0.032 66 mm，底板模型的結構設計裕度為3。通過對底板的質量進行對比分析，優化后底板質量減輕了43.2%，優化效果較為明顯[1-3]。

圖4 優化后最大變形量圖

3 結論

1）通過三維仿真軟件進行主要結構件的靜力學分析，可以驗證結構的可靠性，保證設計可靠；

2）通過仿真結果與設計指標對比，計算出安全裕度，通過優化結構并仿真分析，適當降低安全裕度，在保證結構可靠的前提下，極大地減輕了結構的質量；

3）結構分析時需要進行模型的整體分析然手進行簡化，本結構由于模塊具有一定的強度，不考慮模塊剛度單獨進行工裝變形分析與實際結果偏差較大。