基于正向設計方法的機載電子設備結構設計研究

董偉，姜健，劉治虎，苗力

（航空工業西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

機載電子設備（以下簡稱“設備”）在結構設計過程中，需針對其實際使用環境開展相應的環境適應性設計，環境適應性是指裝備（產品）在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是一項重要的質量特性[1]。機載電子設備較常規的電子設備最重要的區別就在于其機載的環境適應性要求。而機箱作為機載電子設備的重要組成部分，對于整個設備的環境適應性起到了關鍵作用。很多功能相似的設備外觀卻截然不同，其主要原因就是所處的機載環境不同。

以GJB150和DO160為例，環境適應性主要可分為幾大類，即振動環境類、溫度環境類、氣候環境類、電磁環境類等。設備機箱作為結構支撐，為了能夠使設備正常工作，針對幾大類環境要求，它需要為內部的電路部分提供良好的抗振減振、溫度控制、電磁屏蔽、氣候防護環境，即需要從材料選型、結構形式、表面涂覆、散熱方式等方面進行專項設計。

一直以來，由于我國的飛機研制起步較晚，工業基礎薄弱，研制初期主要是以測仿學習的逆向設計方法為主，因為沒有有效的工具和方法，大量的驗證只能通過試驗驗證開展，這就使得產品在結構設計過程中，要留有足夠的可靠性余度或便于迭代優化的產品結構，進而導致產品的生產成本高、驗證不充分導致故障、新技術難應用等問題。雖然近年來仿真技術和數字化技術快速發展，但是很多設計人員仍然停留在“逆向設計”的思維中，沒能很好地應用這些技術。近些年來，隨著飛機整體功能體驗的不斷提升，以及機載電子水平的發展，機載電子設備的集成度越來越高，飛機型號對于電子設備的輕量化和低成本的要求越來越高，而傳統的逆向設計或延改的方法和手段已經無法滿足此需求。以波音787和空客A350的研制為例，復合材料的質量占比高達50%和52%，這些先進的材料和結構形式能夠得到順利應用，起決定性的因素是要有先進的設計工具和方法。同時，隨著數字化設計的發展和設計仿真工具的水平提升，“正向設計”將是未來產品研發的重要方法。

1 正向設計方法介紹

正向設計是指基于頂層設計需求，通過需求分析，逐步分解和細化，形成產品的設計要求和功能結構，并由此確定相應的解決方案，在此基礎上，進一步分解到零部件，并完成相關零部件的詳細設計過程[2]。正向設計和逆向設計的區別如圖1所示。

圖1 正向設計和逆向設計流程圖[3]

正向設計是相對“跟蹤仿研”的逆向設計而言，常規產品多采用“跟蹤仿研”的逆向設計狀態，一種是通過從外部產品的測繪、復原得來，另一種是沿用老產品成熟設計，這兩種均未開展足夠的設計驗證。采用逆向設計方式，往往無法了解產品的設計原理，無法建立產品特征和需求的對應關系，很難全局了解產品的設計思路，導致研發效率低，產品的功能和質量不足。所以，傳統的“跟蹤仿研”已經不能滿足復雜產品的研發要求，只有實行以數字化新技術為基礎的正向設計才能研發出復雜且一流的產品[4]。

正向設計思維在飛機研發體系中貫穿始終，以民機為例，在DO254《機載電子硬件的設計保證指南》中，確定了硬件設計生命周期主要包括需求捕獲、概念設計、詳細設計、實現等各階段，同時設定了支撐過程，其中包括確認與驗證過程、過程保證等內容，如圖2所示[5]。在確認與驗證過程中，確認過程保證硬件項目的派生需求，相對于分配給硬件項目的系統需求，是正確和完整的。驗證過程保證硬件項目的實現滿足所有的硬件需求，包括派生需求。這些過程的設置，確保了產品的開發符合正向設計[6]。

圖2 硬件設計生命周期圖

基于以上分析，不論是未來產品的需要，還是飛機研發體系的要求，正向設計方法對于解決復雜問題，開展產品創新，都是一種有效的方法。對于設備而言，設備機箱需要綜合考慮諸多因素，屬于較為復雜的系統，只有采用正向設計，才能有效開展基于需求的設計開發，結合數字化研發體系，才能對產品進行大量的創新，進而開發出高水平的產品；同樣正向設計能夠優化產品設計流程，規范產品設計方法，發揮設計驗證作用，提升產品設計質量，降低研制成本，進而提升專業水平。

2 基于正向設計方法的研發流程和設計驗證原則

2.1 研發流程

以下以某產品為案例，探索基于正向設計方法，如何開展產品的熱設計和強度設計的環境適應性設計和驗證工作，并形成一定的指導方法和流程。

根據DO254中劃分的階段，形成電子設備的熱設計和強度設計研制V字圖，如圖3所示。

圖3表達了整個研制過程，從V字左上方的需求捕獲階段到V字底部的生產實現階段，即V字的左半部分，是設計開發階段，也就是從設計輸入的需求轉化到設計輸出的生產資料的過程。在傳統設計方法中，該階段主要開展需求的轉化，同時會在靠后端開展一部分的設計驗證工作，其他方面的設計則都處于待驗證狀態，必須等到實物完成后，再進行充分的驗證確認。

圖3 基于傳統方法的機載電子設備結構設計V字圖

隨著設計工具的升級和對于需求的分析能力的提升，提出基于正向設計方法開展的研制過程，如圖4所示。

圖4 基于正向設計方法的機載電子設備結構設計V字圖

在圖4中，基于正向設計的方法，在設計開發階段的概念設計和詳細設計階段有2個小V字，即在這2個階段，根據該階段開展的實際工作，進行階段性的驗證，通過這些階段性的驗證，對各個專業的設計在本階段進行迭代優化，直到符合要求后再進入下一階段，這就確保了設計的充分驗證。

2.2 設計驗證原則

根據上述流程，在正向設計過程中，每個階段都要進行充分的驗證，在優化完成后，才能進入下一階段，基于此理念，根據工程經驗，提出了在不同階段的強度設計和熱設計的驗證原則，如表1所示。

表1 強度設計和熱設計的驗證原則

3 案例解析

3.1 某產品在概念/初步設計階段的熱設計

以某產品的熱設計為例，在概念/初步設計階段，由于模塊仍未開展詳細設計，無法開展模塊級的仿真，但是整體有了設計方案，且已確定了散熱方式，所以根據該階段的方案和驗證原則，開展整機的熱設計驗證和優化。

該產品采用直接風冷方式進行散熱，風機提供冷卻空氣，空氣從產品底部前方吹入，經由機箱內部，從頂部吹出，如圖5所示。

圖5 設備風冷散熱示意圖

先找出其內部的典型模塊，計算滿足該模塊正常工作所需的風量，經仿真計算后，單模塊接觸風量大于2 m3/h時，可確保模塊保持在85 ℃的狀態下工作。基于以上結果，對整機進行仿真計算，通過風道設置和風量調整，確保每個模塊能得到所需風量，計算結果如圖6所示。

圖6 熱仿真流場示意圖

該流場圖顯示所有模塊都能獲得所需風量，其中3個風機具體所需風量計算結果如7所示。

圖7 風機風量計算示意圖

根據以上計算，其中2個風機所需風量約為26 m3/h（0.00 748 m3/s），另外一個風量需要11.4 m3/h（0.00 317 m3/s）。以此進行風機選型。

通過仿真計算，不僅僅對前期方案的散熱設計進行了驗證，還提出了基于現階段需求的改進措施，并給出了下階段的詳細設計輸入。

3.2 某產品在詳細設計階段的強度設計

仍以上述產品為例，在詳細階段，基本完成了所有零部件的設計，已達到出圖投產狀態，在此情況，需按照該階段的驗證原則，開展整機的強度設計驗證和優化。

對產品建模后進行強度仿真計算，計算結果如下：整機固有頻率為158.98 Hz，模塊固有頻率為196.77 Hz，二者不會發生共振，如圖8所示。

圖8 某產品整機和模塊頻率示意圖

計算振動和沖擊情況下的強度，發現在耐久振動條件下，Y方向最大應力為237 MPa，安全系數為1.12，無法滿足安全系數的要求，需對局部進行加強，如圖9所示。

圖9 耐久振動Y方向應力值

基于以上結果，該機箱具有良好的模態振型，但是側板連接和對外安裝的部位強度不足，需再進行迭代優化。優化前后對比圖如圖10所示。

圖10 機箱側板優化前后示意圖

優化后重新仿真，安全系數滿足要求。通過以上的仿真和優化，使產品在強度設計方面得到了充分驗證，具備進入下一階段條件。

3.3 小結

上述基于正向設計方法的強度設計和熱設計過程，可以拓展至電磁屏蔽設計、三防設計、可制造性設計等專業，通過針對各專業的階段性設計驗證，可以確保產品功能性能符合需求。

4 結語

本文通過討論正向設計方法的理念，并結合工程實踐確定了典型設備的熱設計和強度設計的流程和驗證原則，同時以某產品為案例，探索了正向設計方法在產品研發過程中的應用。該方法充分運用了目前先進的數字化工具，可有效地幫助設計人員提升設計水平和創新能力，同時，隨著該方法深度融入研發過程，也有助于未來的數字孿生技術的應用[7]。