箱式電源的輕量化高比剛度結構設計

梁 芳，趙春陽，多 冰

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

隨著航天技術的快速發展，電源控制類設備單機對于輸出功率及抗環境適應性等需求越來越嚴苛，單機在滿足輕量化設計條件下需具有較高的力學性能如高比剛度等特性。

空間站內的各類實驗柜中，載荷單機一般通過安裝點固定于機柜上。如圖1 所示，航天傳統的星載電子單機儀器設備通過底面凸耳安裝點螺接于衛星艙板上，但這種連接形式不適用于空間站及貨運飛船抽屜式機柜內單機的安裝。

圖1 傳統星載產品外形圖

如圖2 所示，受限于運載能力等因素，部分單機設備裝載于標準貨包內，隨貨運飛船上行。貨運上行單機設備與貨包之間的空間均有賦形保護件(緩沖泡沫)填充，賦形保護件外輪廓符合貨包內表面形狀，內輪廓與貨物外表面基本貼合。賦形保護件選用特種聚氨酯泡沫，表面包覆抗靜電布料[1]。因貨包內賦形保護件(緩沖泡沫)及束縛帶綁扎形成了優秀的力學環境，貨運上行方式的單機對結構剛度要求較低。貨包裝載可實現艙內設備與貨船貨架連接固定功能，貨包內部緩沖層滿足減少飛船上行振動對艙內設備影響的功能。

圖2 4倍標準貨包外形圖

本文中提出的箱式電源不通過標準貨包上行，而是在地面裝載到機柜上，采用隨艙上行的方式，因此對單機內部及外部的結構設計有較高要求。

1 單機外部結構設計

圖3 柜式安裝箱式電源單機前后面板安裝點示意圖

箱式電源單機的結構設計在滿足電性能、電磁兼容性(EMC)和熱性能等要求的同時，還需滿足各種環境條件下的抗力學性能指標。靜力分析和動力分析中的模態分析、響應分析都是結構設計方案是否合理的主要分析手段，也是結構設計驗證的重要方法，是各組成部分結構參數合理分配的主要依據，可預計內部各零部件上的載荷分布情況、元器件的力學環境及變化趨勢。而結構剛度、阻尼和結構強度關系到產品的抗力學性能，下面分別從這三個方面設計進行闡述[2]。

1.1 結構剛度

結構剛度在靜態時指抵抗變形的能力，在動態時指結構的固有頻率高低。剛度越大，抵抗變形的能力越強，其自身的固有頻率越高[3]。

該單機設計提高結構剛度的措施主要有：

(1)選擇比剛度(E/ρ)較高的材料(E為彈性模量，ρ 為材料密度)。印制電路板采用雙面或單面的環氧樹脂玻璃鋼敷銅箔板材印制膠合而成，單機內部的絕緣墊片、套筒等采用聚酰亞胺材料。

(2)盡量縮小電源機箱的整體尺寸，以減輕質量，提高機箱整體的結構剛度。在該單機中各模塊線路板按功能劃分為若干塊，分別就近固定于相應的功能區，從而壓縮了無效空間。

(3)箱式電源機箱的主體結構采用加強筋板拼接的方式，側壁及上蓋板等位置通過加強筋及減重槽組合的設計能使六面體構件質量大幅減輕而抗彎剛度與普通平板相比大幅提高。

箱式電源機箱應在滿足單機力學強度、剛度、散熱性能、各類粒子輻射屏蔽要求和相關工藝要求的前提下盡量減小六面體拼接壁厚，以減輕整機質量。如圖4 所示，該單機的前面板、后面板、左側板、右側板及底板均采用此類加強筋結構，不同零部件之間采用配合公差合理的互卡鎖緊扣及螺接拼裝的形式固定。

中職院校注重對學生實際操作能力的培養,課程內容也具有專業性特征,語文科目也是如此。由于學生個體間存在巨大的差異,因此教師針對不同質素的學生群體應該制定針對性的教學計劃,但受到思維上的局限。[1]當前社會的進步與教育的不斷改革，使得傳統中職語文教學方式已經無法迎合當前的國家企業要求和職教形勢。現如今中職語文傳統教學模式妨礙其履行教育職責的弊端主要有以下三點。

圖4 箱式電源單機筋板結構示意圖

1.2 阻尼

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，從而降低了設備結構的振動應力值。所以，增大阻尼可以改善設備的動力環境，保護設備中電子產品的安全。

電子設備增大阻尼采取的措施主要有：

(1)可在印制板板面敷以彈性固封材料，試驗證明這是非常有效的阻尼措施之一。必要且質量允許時，可以增大固封面積，甚至整體固封。該機箱印制板與機殼的安裝配合空隙中，加裝膠墊等彈性材料，增大阻尼，降低結構響應，消除安裝間隙，提高箱式電源整機剛度。

(2)局部零部件采用高阻尼材料，如銅合金材料。

1.3 結構強度

結構強度是指結構抵抗破壞或塑性變形的能力，以結構受載后產生的應力量值來度量。結構強度與單機結構構型組成、機加工所用原材料、單機壁厚和安裝點的連接等因素有關。

提高結構強度的措施主要有：

(1)設計合理的構型和壁厚，合理布局單機內部元器件和選擇合適的結構形式，提高整機結構剛性。在質量、工藝等條件允許的情況下，可在六面體上適當增加加強筋來提高自身的剛度。

(2)選擇比強度(σb/ρ)大的材料(σb為抗拉強度，ρ 為材料密度)。設計中要避免有薄弱的環節，盡量避免應力集中的結構。

(3)需要時，安裝集成電路、分離元器件的印制板可采用增加螺釘緊固安裝點及印制板粘接金屬加強筋等措施來提高連接強度。

(4)消除或減少不同模塊之間、不同元器件、不同零部件等之間的安裝間隙，綜合考慮產品后續維修性等因素，采用導熱硅脂、導熱膠、硅橡膠等流動可固化填充物填充安裝間隙，提高單機剛度及強度。

(5)對于質量較大的元器件(比如繼電器、晶體管、電感線圈等)，除要考慮安裝方向及工藝走線外，還要合理采取局部加固措施(如額外的機械固定、膠粘固定、灌封固定等)。

(6)箱式電源單機內部應盡量避免直接使用導線、電纜進行電氣連接，應通過螺接、焊接等進行轉化，且使用時應采取額外加固措施。

為進一步實現箱式單機的輕量化設計，在原材料性能穩定、可靠的情況下，傾向于選用鎂鋁合金、鎂鋰合金等密度低但比剛度及比強度較大的材料，此類材料部分牌號有較成熟的飛行經驗。同種結構形式的零部件加工成型時若采用鎂合金的原材料與硬鋁合金(2A12H112)的原材料相比，單機質量可顯著減輕。用其替代硬鋁合金加工部件在不影響產品性能的情況下，能更好地實現產品的輕量化設計[4]。鎂的密度為1.74 g/cm3，通過在金屬鎂中添加不同配比的合金元素，可獲得具有高比強度、高比剛度、耐高低溫及抗腐蝕等優良性能的合金。鎂合金屬于輕質高強度材料，可承受各種載荷如沖擊載荷、交變載荷及振動載荷等，具有足夠的壽命和抗疲勞能力，加工成本低，已廣泛應運于航空航天領域[5]。

2 單機內部結構設計

對于箱式電源單機內部來說，需要可傳遞大電流的匯流條在不同元器件及對外的載荷單機之間傳輸大電流。隨著航空航天技術的發展，對電源的切換要求越來越嚴格，單機既要滿足大電流切換，又要滿足外形尺寸小、輕量化等要求，這不僅要求連接導體阻抗小、體積小，還要求連接可靠。匯流條可完成單機內部大電流傳遞，與普通導線電纜束相比，具有低阻抗、低感抗、抗干擾高頻濾波效果好、高可靠性、節省空間、裝配簡單等優點，廣泛應用于航空航天供配電系統。

本文提供了一種新型母線匯流方法，如圖5 所示[6]，利用這種方法設計的母線匯流裝置能夠滿足空間電源產品乃至普通電子設備單機的性能需求。其設計減小匯流條的體積、質量，減少焊接次數及作業量，降低焊接難度，提高可靠性，保證供電安全，降低短路風險。箱式電源內部匯流條，采用焊接的方式，對多束導線進行分類計算，設計出適合不同導線的焊接槽，每個槽內并列焊接多根導線，并設計相應絕緣裝置，與結構進行絕緣安裝。且可進行多個疊層設計，還可與多種電子元器件如保險絲、采樣電阻等組合使用，極大地提高了空間利用率，減輕單機質量，裝配簡單快捷，滿足空間電源產品高壓、大功率、小體積、高可靠性的新需求。該匯流方式結合了螺接及分束焊接匯流條的特點，減小了匯流條的體積和質量，減少了焊接次數，降低了匯流條的焊接難度，提高可靠性，具有極大的擴展應用價值。

圖5 箱式電源單機內部匯流條示意圖

3 仿真分析結果

為驗證箱式電源單機結構設計的合理性以及對結構進行進一步的優化設計，利用CATIA 軟件進行實體模型簡化，導入Ansys Workbench 軟件進行有限元建模分析，分別對該箱式電源單機進行抗力學及熱設計仿真分析。以六面體實體單元solid186 和四面體實體單元solid187 混合建模，共劃分710 900 網格，1 419 903 節點，網格劃分情況如圖6 所示。

圖6 箱式電源單機有限元網格劃分示意圖

3.1 抗力學環境分析

對該箱式電源單機前面板及后面板的安裝點進行約束，單機與機柜結構之間為螺栓連接，在分析中連接處的邊界條件按六個自由度均被約束的固支情況考慮。對單機施加靜態載荷及動態載荷(包含正弦與隨機振動)。

利用Ansys Workbench 軟件對該箱式電源單機的有限元模型進行了模態分析和隨機響應分析[7]計算，為結構的整體設計提供理論依據。通過對結構進行抗力學分析，從模態分析和隨機響應分析可以看出：

(1)箱式單機的頻率特性滿足設計要求，其基頻遠大于一般機柜的基頻(約為100 Hz)，不會產生共振現象。模態分析的頻率特性如圖7 所示，由圖可知第一階頻率即基頻為295.4 Hz。

圖7 箱式電源單機頻率特性

(2)在動態載荷方面，由于正弦響應計算響應增益很小，因此箱式電源單機所受的正弦載荷不會對其產生破壞，從而不會影響其正常使用。

(3)從隨機響應分析可以看出，各個關鍵點的均方根加速度響應量級都為箱式電源單機所能承受，其結構設計滿足相關力學性能要求，可安全可靠地使用。

基于目前的模型和邊界條件，對結構在給定力學條件下的受力進行了有限元分析，根據計算結果可知，在力學條件計算過程中，產品結構在各個工況下結構應力值均低于材料屈服強度。

3.2 熱設計及分析

箱式電源單機結構的熱設計主要包括兩個方面：內部元器件的散熱主要通過熱傳導到散熱面為主；外部結構通過電源機箱單機外殼的輻射散熱和結構安裝點的傳導散熱。元器件若熱功耗在0.3 W 以上，其主要散熱路徑考慮通過傳導散熱，主要是將其安裝在靠進安裝點附近，使導熱路徑最短，通過在接觸面涂覆導熱硅脂等導熱填料，減小接觸熱阻。

箱式電源單機通過前面板及后面板與機柜的接觸面傳導散熱，將熱耗加載于箱式電源單機內部元器件如PCB 線路板、繼電器及匯流條等元器件上，將接觸面設定為恒溫邊界條件19 ℃。

經過計算后，箱式電源單機整體模型的溫度范圍為19～40.6 ℃，PCB 線路板的溫度范圍為26.6～29.2 ℃，繼電器的溫度范圍為30.3～38.7 ℃，匯流條的溫度范圍為26.1～40.3 ℃，前面板溫度為24.2～27.0 ℃。由此可見，箱式電源單機內部器件和材料均滿足相關溫度指標要求。箱式電源單機有限元計算后的熱分布示意圖如圖8 所示。

圖8 箱式電源單機熱分布示意圖

4 試驗驗證

在理論分析的基礎上對箱式電源單機進行了鑒定級抗力學環境試驗驗證單機性能。力學振動試驗一般包括沖擊試驗、正弦隨機試驗、加速度試驗，熱試驗一般包括熱循環、熱真空試驗等。抗力學環境試驗過程如圖9 所示，熱循環試驗過程如圖10 所示。試驗結果表明產品均滿足技術要求，證明本次采用的箱式電源單機結構設計滿足工程應用要求。

圖9 箱式電源單機力學試驗圖

圖10 箱式電源單機熱試驗圖

5 結論

本文對安裝于艙內標準單元機柜的電子設備類單機，通過結構設計技術攻關，采用加強筋板式不同零部件之間合理的互卡鎖緊及拼裝體接合的結構形式，提高了單機的力學性能。通過減重槽設計及采用高比剛度的原材料加工，進一步實現了箱式電源單機結構的輕量化和高比剛度的設計目標。提出電子設備類單機提高單機結構剛度，減小結構內部阻尼及提高單機結構強度的具體措施，該類設計在保證產品性能、工作可靠性、體積和尺寸的前提下，進一步減輕了產品質量、提高了產品剛度，對單機產品的力學性能進行了優化。通過輕量化、高比剛度的結構設計，提高了整機的力學性能，減輕了整機質量，對此類箱式電源單機結構具有通用性及設計參考性。該設計通過了理論分析和試驗驗證，可以應用到空間工程項目中，對地面箱式電源結構設計也具有一定借鑒意義。