空間遙感儀器電箱結構設計與分析

趙 越 張 達* 劉衍峰 高志良 孫振亞

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

空間遙感儀器在航天科技中發揮著舉足輕重的作用，而空間遙感儀器的電箱是遙感儀器的電子大腦，具備信號的控制處理、數據傳輸及設備供電等功能，其性能的好壞直接影響著遙感器性能的好壞，這就要求空間遙感器要能適應復雜的空間環境[1-2]。空間遙感器電箱結構首要任務是能為電子學提供穩固的結構支撐和固定，其次要能夠承受住發射階段的振動和沖擊，同時具備合理的導熱設計和電磁兼容設計要求[3-4]。因此，需要空間遙感儀器電箱結構具備足夠的力學穩定性、合理的導熱散熱能力和優異的電磁兼容性能。

本文以一種空間遙感儀器電箱結構設計為例，采用三維建模軟件建立電箱三維實體模型，使用有限元軟件和有限元理論對電箱結構進行有限元仿真分析。根據分析結果驗證設計的合理性，并為后續進一步實驗驗證提供了理論指導和依據。

1 電箱結構設計

1.1 電路板布局

常用的電箱的電路板布局形式有背板式布局和串接式布局。該電箱的電路板數量較多，且板間通訊線路多，從電子學更容易實現的角度考慮，采用背板式布局形式。電子學按照不同的功能進行模塊化設計，每片電路板獨立實現一種功能，通過連接器插接在底臺板上，利用底臺板實現板間通訊[5]。電路板的詳細布局形式如圖1 所示。

圖1 電路板布局示意圖

1.2 電箱結構設計

電箱的結構不僅要對電路板起到穩定支撐的作用，而且還需要電箱要具有良好的導熱散熱能力和電磁屏蔽性能，這就對電箱材料提出了很高的要求。

常見的空間遙感器電箱材料有鈦合金、鋁合金和鎂合金，三種材料的詳細參數如表1 所示。綜合三種材料的性能，鎂合金密度最小，具有較高比剛度，導熱性能和熱穩定性更好，鎂合金還具有優良的導電性能和電磁屏蔽性能[6]，本例中的電箱及電路板框也采用鎂合金材料。

表1 常見空間遙感器電箱材料參數表

根據電路板的布局進行電箱的結構設計，電箱的整體結構采用箱板拼接式設計，如圖2 所示。拼接式箱體結構由底臺板框、左右箱板、前箱板、后箱板和上箱板組成。底臺板安裝固定在底臺板框上，左右板框內壁設置有導槽。電箱內部其他電路板具有獨立的板框支撐，為了保證部分電路板對電磁屏蔽的更高要求，所有電路板均設置了板框蓋板。對于大功耗的元器件板框相應位置也設置了導熱面[7]。板框側壁設置導軌，與左右板框內壁上的導槽相配合。考慮到整個電箱的電磁屏蔽性能，所有最外層箱板均保證了最小3mm 的厚度。六塊箱板通過螺釘緊固連接，箱板連接處設置止口，可以形成穩固的電箱結構，內部的七個電路板板框通過導軌插入左右板框對應位置的導槽內，電路板和板框也加強了整個電箱的結構強度與剛度。

圖2 電箱結構示意圖

2 模態分析

模態分析的目的是考察電箱結構動力學響應特性，是為了求解系統的固有頻率及模態振型，檢驗電箱能否經受整個發射過程的振動考驗，也是產品加工前的重要仿真復核過程。

為提高計算效率，在保證數值仿真計算精度的前提下，對電箱零部件進行結構簡化處理。模型中對箱板和板框進行了詳細網格劃分，將電路板、電子元器件等設置為質量點。外部箱板斜筋較多形狀復雜，采用4 面體網格劃分；內部板框形狀規則，采用六面體網格劃分；螺釘連接處用RBE2 單元建立連接。電箱有限元模型如圖3 所示。

圖3 電箱有限元模型

利用MSC.Nastran 軟件，基于Lanczos 法進行模態分析求解電箱0～1000Hz 的模態，根據仿真分析結果顯示：電箱整體模態的第一階固有頻率為578Hz，振型主要表現為電箱沿Z 軸方向的振動，圖4 為一階整體模態振型。

圖4 一階整體模態振型

繼續考察模態分析的結果，當頻率在299Hz～577Hz之間，出現多個低階的局部模態，這些低階模態大都表現為板框蓋板的局部單方向振動，而處于此范圍的低階模態時，板框及箱體主體結構并未產生明顯振型。如圖5所示，以299Hz 頻率處的低階局部模態為例進行說明，該模態下的振型表現為第1、2、3 塊電路板板框蓋板沿Y軸局部振動，在該低階局部模態下不會造成電箱主體結構的明顯變形。

圖5 在299Hz 處的低階局部模態振型

綜合模態分析的結果可以看出，電箱的一階整體模態固有頻率為578Hz，對于一般的遙感載荷，一階固有頻率大于120Hz 就能夠有效避開發射階段易共振的頻率段，電箱結構和電子學元器件就能夠承受發射階段的振動，證明了本次電箱結構設計具有較高的剛度裕度。

3 線性靜力學分析

線性靜力學分析的目的是為了檢驗系統的力學穩定性，求解線性靜力學載荷下的的響應。由于空間遙感儀器工作環境的特殊性，在隨火箭發射階段要承受加速度載荷的力學環境。因此，對于空間遙感儀器的線性靜力學分析，主要是分析結構在過載情況下的響應情況。

本文根據力學指標要求，在MSC.Nastran 軟件中對電箱沿X、Y、Z 三個方向分別施加不同大小的加速度載荷，仿真分析電箱在各載荷狀態下的力學響應，求解電箱最大變形位移和最大應力。電箱工況及分析結果如表2 所示。

表2 加速度載荷下的分析結果

表2 的分析結果表明，當沿Y 軸方向施加6g 加速度載荷時，電箱變形位移最大為28.5μm，此時最大應力為3.22Mpa，因為沿Y 軸方向是垂直于電路板的方向，所以沿Y 軸方向電路板和電路板板框強度和剛度最弱，該工況下變形位移量最大。而當沿Z 軸方向施加15g 加速度載荷時，電箱的最大應力出現最大值8.13Mpa，此時的最大位移為22.6μm，因為在該工況下加速度載荷最大，所以應力值較大。此外，沿Z 軸的電箱強度和剛度要優于Y 軸方向，所以即使Z 軸方向加速度載荷增大，但最大位移并沒有超過Y 軸方向施加載荷的情況。三種工況下的最大應力均小于鎂合金的材料屈服應力215Mpa，變形位移量也都較小，不會對電路板組件產生破壞。

綜合電箱線性靜力學分析的結果，在設計空間遙感儀器電箱結構時，要充分考慮結構力學性能在不同方向下的差異性，力學性能薄弱的方向應該盡量避開最大加速度載荷方向，從而提高電箱力學適應性。而本例中電箱力學性能薄弱的Y 軸方向避開了最大加速度載荷方向，且三種工況下最大位移和最大應力均在合理范圍內，證明了電箱結構設計的合理性。

4 10℃溫度場工況分析

載荷在空間中處于變化的溫度環境中，需要考察電箱均勻溫變載荷的承受能力，根據指標要求，分析電箱在10℃溫度場工況下的熱應力和熱變形。

10℃溫度場工況的環境初始溫度為20℃，均勻升溫至30℃。在MSC.Nastran 軟件中設置溫度場，并仿真求解該工況下電箱的最大變形量和最大熱應力。圖6 為電箱在10℃溫度場工況下的熱變形和熱應力云圖。

圖6 電箱在10℃溫度場工況下的熱變形和熱應力云圖

通過圖6 所示，在10℃溫度場工況下，最大變形為49μm，出現在上箱板邊緣位置，量級較小；最大熱應力為60.3Mpa，出現在右側箱板與底臺板框一處螺孔連接位置，該應力值沒有超過鎂合金的屈服應力215Mpa，不會對電箱結構造成破壞。綜合熱應力和熱變形結果，最大熱應力和熱變形均出現在箱板結構位置，對電路板內部的影響較小，但是空間載荷依然要充分考慮溫度載荷的影響，考慮必要的溫控措施。

5 結論

電箱是空間載荷的重要組件，電箱的性能直接影響載荷是否能正常工作，所以在設計階段，通過有限元分析的方法對電箱進行仿真分析，并根據仿真結構進行迭代優化具有重要意義，是生產前的重要理論保證。通過對電箱的模態分析、線性靜力學分析和10℃溫度場工況的仿真分析。結果表明，電箱的一階固有頻率為578Hz，遠高于指標規定的120Hz；在給定的加速度載荷下，最大變形位移為28.5，最大應力為8.13，不會對電路板組件產生破壞；在10℃溫度場工況下，最大熱變形為49μm，最大熱應力為60.3Mpa，也不會對電箱結構造成破壞。證明了設計的合理性，電箱結構具有足夠的力學穩定性和熱尺寸穩定性，為后續進一步實驗驗證提供了理論指導和依據。