一種機載風冷綜合化機架結構設計及分析

湯曹勇

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

現場可更換模塊（簡稱LRM，Line Replaceable Module）是航空機載產品基本的獨立功能單元[1]。隨著航空電子設系統的迅速發展，航空電子設備的重量和體積、運轉可靠性、環境適應性、電磁兼容性及熱控制等內容都被納入結構設計的范疇，同時給結構設計提出了更高的要求[2]。

機架用于LRM模塊及其它組成部件的獨立或固定安裝的組合式機械結構。選擇合理的結構布局形式、散熱設計以及抗振設計對提高設備適應惡劣環境起著關鍵作用[3]。

1 機架的主要技術指標

該機架的主要技術指標為：環境高溫為+60 ℃下，采用自帶風機強迫散熱方式解決總功耗968 W的散熱問題；滿足典型海洋環境適應性要求：192 h酸性鹽霧要求；1級霉菌，10個周期交變濕熱；滿足平臺力學適應性要求。

2 結構設計

基于平臺無供液需求，機架總熱耗968 W，該機架采用風冷傳導散熱方式對解決其溫度適應性。為滿足設計要求，設備采用了綜合模塊化的結構形式，機架內裝有36個LRM模塊。

機架設計為雙層機架，采用自帶風機傳導冷卻方式對模塊進行散熱。機架的主體結構主要由：風機組件、上、中、下冷板，左、右側板，前蓋板，和后蓋板等零部件拼接螺裝而成。機架的結構構成詳見圖 1所示。

圖1 機架爆炸圖

綜合射頻機架內部的LRM模塊，截面尺寸參考ASAAC模塊封裝標準，為：233.4 mm×160 mm，厚度尺寸有24 mm、30 mm、40 mm等幾個尺寸系列。模塊的結構設計具有統一的接口尺寸，相同功能、相同類型模塊具有完全的互換性。模塊結構形式如圖 2。

圖2 模塊結構示意圖

模塊起拔器位于模塊前端，主要起到模塊在機架上的安裝與拆卸助力的作用，模塊盒體是承載模塊電氣功能單元的部件，有安裝、傳熱和電磁屏蔽等功能。模塊兩端肋片作為模塊在機架上安裝時的初步導向和模塊傳熱的作用。模塊鎖緊條用于實現模塊在機架上的緊固，同時提供模塊導向肋與機架構件之間的接觸壓力，滿足模塊向機架傳熱的要求。

機架要提供LRM的安裝，要提供各LRM之間的電氣互聯，要提供機架與載機其它設備之間的電氣互聯，還根據載機環控條件提供LRM適當的冷卻方式。

為滿足上述功能要求，機架的布局設計上按照傳統的機架基本分為3個功能區域：模塊承載區、背板承載區和導線集束區域。機架功能區域的原理劃分見圖3示意。

圖3 機架布局原理示意

機架區域I是模塊承載區域，用于模塊的安裝、緊固；區域II是背板承載區，用于安裝背板，由背板來實現LRM之間的電氣互聯；區域III是導線集束區域，用于設置機架連接器和內部電纜，該區域的設計主要根據載機提供的電纜布線方向和位置來確定。

3 溫度適應性設計及分析

在綜合模塊化機架中，由于設備的小型化趨勢和大規模集成電路的大量應用，設計實施成本低、系統構成簡單的高可靠性冷卻系統成為機架設計成敗的關鍵一環[3]。熱設計的基本任務是控制設備中的電子元器件的溫度，使電子元器件在規定的環境條件下不會超過最高安全溫度。

機架的熱耗來自于機架內配備的36個LRM模塊。模塊總熱耗為968 W，自熱散熱方式不能滿足設計要求。本方案采用機架風冷冷板和LRM傳導冷卻的設計，LRM內元器件產生的熱量經模塊內的冷板傳導至LRM上下端面的肋條，經肋條傳到機架風冷冷板，熱量由環控風經冷板翅片帶走。

機架采用直接風冷散熱方案，在預計空氣溫升為15 ℃的情況下，所需風量計算如下：

取定性溫度（60 ℃）下：

定壓比熱容：Cp=1009 J/（kg·℃）；

空氣密度：ρ=1.045 kg/m3；

設計空氣溫升：ΔT=15 ℃（兩層溫升）；

依據散熱需求，需要帶走的熱量:（含預留功放模塊）；

所需空氣體積流量：（即132.3 CFM）。

根據計算設計了6個總風量約為280 CFM的風機組合的機架的風道設計主要考慮：

1）構筑機架完整的風道通路，實現冷卻風的流入和流出；

2）提供熱沉，滿足功能模塊的散熱。

機架由上、中、下三塊冷板，左、右側板及風機組件這幾個零部件來構成完整的風冷流道。

整機所處環境高溫為+60 ℃，采用標準大氣環境。風機工作在28 V額定電壓下，其中機架內帶入發熱量最高的某信道類模塊。

機架仿真結果見圖 4所示。機架冷板肋條最高溫度為71.7 ℃；風機工作壓力為226 Pa，氣流平均溫升為5.8 ℃。整機流場粒子圖如圖5。裝入機架的某信道類模塊仿真結果如圖 6。

圖4 機架溫度云圖

圖5 整機流場粒子圖

圖6 通用信號處理模塊印制板溫度云圖

根據仿真結果，機架冷板肋條最高溫度為71.7 ℃，風機工作壓力為226 Pa，氣流平均溫升為5.8 ℃；機架內發熱最高的某信道類模塊內部器件計算結溫均低于許用結溫值，滿足熱設計要求。

4 力學適應性設計及分析

機架的振動譜線為寬帶加窄帶的典型譜線，其中一階頻率為107.5 Hz，比較容易誘發設備結構共振，導致設備振動耐久性變差。設備在進行設計時需盡量避免在該頻段出現共振放大。根據平臺的安裝條件以及工程經驗，該機架選用4只高阻尼干摩擦隔振器對設備進行隔振。

為保證其機架有足夠的剛度和強度，同時兼顧輕量化設計要求，機架在設計時采取了以措施：

1）主體結構選用輕質、高強度的防銹鋁5A06；

2）結構上采用沖肋、加筋、翻邊等結構形式來提高結構件的剛強度；

3）安裝在基板上的元器件連接可靠，同時對易損元件應加保護件；

4）對于振動敏感元件、質量、體積較大的元器件在安裝時進行結構加固或灌封，提高其裝聯剛強度和固有頻率，從而提高耐沖振性能；

5）結構件及元器件之間的連接牢固可靠，并采取了防松措施和消隙措施，避免相互耦合振動。

采用ANSYS Workbench軟件進行模態分析以及隨機振動分析，采用solid186單元對機架進行網格劃分，約束位置在所有隔振器阻尼彈簧末端。

仿真分析結果表明，設備整體前6階模態都表現為機架作為整體圍繞隔振器的晃動，其頻率如表 1所示。

表1 設備前六階振型

提取整機的（10～2 000）Hz范圍內的模態，進行耐久振動試驗隨機振動分析。分別施加在約束點處。隨機振動響應結果如表 2和圖 7所示。

圖7 機架在耐久振動條件下隨機振動響應云圖

表2 機架的隨機振動響應結果

通過整體強度仿真分析以及結構強度隨機振動仿真試驗分析可知，設備在設定的隔振器參數情況下，整體隔振效果比較好，設備在振動過程中，最大位移響應標準差為0.3 mm，設備晃動幅度滿足要求。最大等效應力響應標準差為12.3 Mpa，遠遠小于鋁合金或鋼的強度極限。

5 三防設計

濕熱、鹽霧、霉菌(簡稱“三防”)對電子設備的影響很大。為了使設備能在惡劣的環境中高可靠工作，須進行“三防”設計：

1）材料選型：機架的金屬材料選5系鋁合金，316 L不銹鋼，印制板選用FR-4材料。

2）表面處理：有導電要求的鋁制零件，采用導電氧化處理；無導電氧化要求的鋁制零件，采用微弧氧化氧化處理；對于不銹鋼制零件均采用鈍化處理，同時設備外表面按規定噴涂氟聚氨酯磁。

3）三防保護：對印制板、元器件和焊點進行三防保護，高低頻連接電纜在插頭座尾端與電纜連接處用帶膠熱縮套管熱縮后進行連接密封處理，以保護電纜焊點不被鹽霧腐蝕。

4）結構形式：采用豎直安裝模塊及印制電路板，以防止冷凝水和雜物殘片的聚集；機架各零件之間，在垂直表面進行安裝時，為減少滲漏，在接縫局部使用墊圈或密封墊；所有尖銳棱邊都盡量設計為圓角，保證油漆的連續性。

6 降噪設計

機架在工作時噪聲要求不大于80 dB，按GJB 1357《飛機內噪聲級》要求執行。根據該要求對機架開展降噪設計。

機架所選風機可在（28～18）V電壓下工作，在28 V時其單只噪音為67 dB，在18 V時其單只噪音為58 dB。機架采用了24臺風機進行散熱，根據相同聲強級多源疊加公式：

式中：

Lc—總噪聲級；

L—一個噪聲源的噪聲級；

N—噪聲源的數量。

可得出：

1）當風機電壓28 V下工作時，24臺疊加后的總噪聲級為80.8 dB；

2）當風機處于18 V下工作時，24臺疊加后的總噪聲級為71.8 dB；

由于該機架實際工作環境主要為試驗室環境和飛機設備艙的空調環境，工作出現最高+55 ℃的情況幾率很小。因此為降低長期實際工作環境中的噪音情況，在設計中對風機采用分2檔電壓工作的模式：28 V和18 V。

在設計中通過監測關鍵芯片溫度指標，當其達到最高許用溫度80 %的閥值時，即通過電源模塊控制調整電壓到28 V，而當芯片溫度降低到最高許用溫度70 %后，即通過電源模塊控制調整電壓到18 V，從而實現常規工作環境中機架噪音由80.8 dB降低到71.8 dB。

7 結束語

本文設計了一種自帶風機的綜合化機架，為滿足設備的環境適應性，在力學適應性和溫度適應性方面開展了理論計算及仿真校核確保設備的強度和散熱滿足要求；在三防設計方面，通過材料選型、表面處理、三防保護以及合理的結構形式保證設備的三防要求；同時為降低設備的噪音，采取了風機調速降噪策略。