一種穿通風冷LRM 模塊環境試驗工裝設計及分析

黃文強

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

隨著綜合模塊化設計技術的逐步成熟，具有維護性更好的現場可更換模塊（簡稱LRM，Line Replaceable Module）越來越多的應用各種電子設備當中。穿通風冷模塊作為LRM 模塊中最常見的冷卻方式之一，其散熱效果既優于自然傳導散熱，又相對于穿通液冷模塊可靠性更高、故障率更低[1]，已經在我單位各個工程項目中得到廣泛應用。特別是航空機載產品平臺，每一套設備會配置多達10 余塊相同的LRM 模塊，而每一模塊在完成設計交付前都需要單獨進行環境試驗驗證，因此每一個模塊都需要單獨設計加工一個配套的專用環境工裝，導致這種環境試驗工裝的需求量也非常大。

本文以厚度24 mm 的標準ASAAC 模塊為典型對象，設計了一種穿通風冷LRM 模塊環境試驗工裝，具備標準ASAAC 模塊的裝夾接口，滿足模塊溫度、振動等試驗的環境界面控制要求，對模塊進行強迫風冷散熱。研究了外接風冷源的供風量與模塊兩側風速的關系，模擬模塊在真實機架上的工作環境，輔助其完成環境試驗驗證。

1 主要技術指標

該穿通風冷LRM 模塊環境試驗工裝能同時滿足4個以上厚度24 mm 的標準ASAAC 模塊同時進行環境試驗；采用外接風冷源的形式，實現模塊兩側風速在（2~10）m/s 之間可調；夾具振動響應特性滿足GJB 150.16A 的要求。

2 結構設計

基于模塊的環境試驗要求及上述技術指標，該穿通風冷LRM 模塊環境試驗工裝由夾具（配重模塊）、風冷源和管路組件三部分組成如圖 1 所示，各部分之間設計為直徑為50 mm 可拆裝的標準接口，可實現該工裝系統的系列擴展，具備較高的通用性[2]。按照模塊的實際安裝情況，該夾具設計為組合形式，模塊布局和熱流通道如圖 2 所示，主要由上端風口組件的導風區、前端的ASAAC 標準模塊承載區和后端背板安裝接線的電氣互聯區構成，各部分采用銷釘孔定位后通過螺紋連接的方式進行組合[3]，更換電氣互聯區的背板便可實現不同型號的模塊進行實驗。模塊承載區上下冷板的相鄰模塊插槽間距28 mm，能同時支撐6 個24 mm 厚度的標準ASAAC 模塊，相鄰模塊之間形成了寬度為4 mm 的熱流通道。

夾具的散熱形式為冷卻空氣從下冷板底部進入，流經被測模塊之間形成的風道，與模塊表面進行熱交換后到達風口組件，再由外置風冷源進行抽風將其帶走。通過調節外置風冷源抽風量對模塊間風道的風速進行控制。

3 熱設計及分析

3.1 仿真分析

為了滿足模塊間最大風速要求，根據風道之間截面積通過計算，外置風冷源選擇了型號為GCFZ-200A，最大循環風量270 m3/h，輸出流量可調的高溫抽風裝置。為了解風冷源供風流量與模塊間流速的情況，在供風量設置為220 m3/h 的工作狀態下，通過仿真分析發現最初設計的夾具，模塊之間各風道的風速大小相差較大，呈現出正對管口的風道流速大，靠近兩側的風道流速小的情況。通過分析夾具風速的仿真界面云圖發現，是由于各風道的路徑不同導致了風道了流阻不同進而影響了各風道的風速。故在夾具的導風區內設置了分風板，通過結構優化設計，最終分風板設計為兩側開口大，中間開口小的結構形式來改變流阻，解決了夾具各流道風速不均勻的情況，如圖 3 所示。

由于模塊間風道空間有限，無法通過設置風速傳感器來獲取風道的準確風速，因此本文采用了仿真與實測數據相結合的方式，如圖 4 和圖 5 所示，通過調整風冷源的供風量，測試單個模塊在36 W 相同熱耗條件下其溫度的變化情況來探究風冷源設定風量與模塊間風道風速關系。

3.2 實驗測試分析

如圖 6 所示，將4 個25 Ω 的發熱電阻并聯粘貼在單個模塊內部，通過發熱電阻模擬模塊的工作發熱情況，輸入電壓設為15 V，單個模塊36 W，滿裝6 個模塊總熱耗216 W，溫箱溫度設置為65 ℃，然后調節風冷源的抽風風量，記錄模塊穩定工作狀態的各測試點的穩定溫度數據如表 2 所示。

圖1 設備組成

圖2 夾具組成及模塊布局和熱流通道示意圖

圖3 有無分風板夾具流道風速對比示意圖

圖4 不同風量下模塊溫度云圖

表1 風冷源設定風量與模塊界面溫度和風速仿真結果

表2 風冷源設定風量與模塊界面溫度

表3 模態分析結果

表4 隨機振動分析結果（3σ 值)

圖6 溫度實測狀態

圖8 Z 向振動響應結果

圖9 響應測試安裝圖

圖10 振動試驗測試響應結果

圖10 振動試驗測試響應結果

如圖 5 和表 1 所示，當風冷源風量設置大于230 m3/h 時，模塊間的所有風速均能大于10 m/s，且各流道風速差異較小，滿足指標要求。從圖 7 風冷源設定風量與模塊界面溫度仿真模擬分析與實物測試的數據可以看出，當風冷源向夾具提供一定風量時，模塊的溫度就能得到快速下降，但是并沒有隨著提供的風量增大而繼續大幅度降低，而是隨著風量的增加緩慢的降低，下降趨勢較為平緩，因此使用時推薦將風冷源風量設置在（80~180） m3/h 區間內，既能達到很好的散熱效果，又能風冷源的降低噪聲和能耗。

4 振動設計及分析

4.1 仿真分析

夾具主體采用（20~100）mm 的鋁合金板材銑削加工成型，各零件之間的連接采用M8 內六角螺釘，采用ANSYS Workbench 軟件進行模態分析以及隨機振動分析[4]。利用SOLID187 單元進行網格劃分得到分析結果表明，夾具前六階模態主要表現為頂端導風區管口處的晃動，整體剛度較高，頻率如表 3 所示。

振動載荷作用下，夾具各方向隨機振動分析響應結果如表 4 所示，夾具的X、Y、Z 向最大變形（3σ 值）為0.25 mm、0.32 mm、0.61 mm；如圖 8 所示，分析對象承載結構的最大等效應力（3σ 值）為82.65 Mpa，該應力小于鋁合金5A06 的屈服極限（約160 MPa），滿足使用要求。

4.2 實驗測試分析

在模塊獨立振動試驗過程中，專用夾具是一個非常重要的傳遞環節，為了保障模塊單獨振動試驗的可靠性和有效性，避免出現過試驗和欠試驗，需要對夾具本身的動態特性進行測試[5]。現場測試安裝情況如圖 9 所示，在現場分別對三個方向的控制點和測試點進行響應測試并采集相關數據，在測試過程中根據情況對控制點進行合理布置，測試各方向動態響應結果如圖 10 所示，滿足GJB 150.16A 的規定，在（300 ～1 000）Hz范圍內其不平坦允差不超過±6 dB ，且在整個頻率范圍內超過±3 dB 差的帶寬累積應小于300 Hz。

5 結束語

本文設計了一種穿通風冷LRM 模塊環境工裝，通過數字樣機模擬仿真和實物樣機實驗測試的方法，探究了風冷源供風量與各風道風速的關系，提高各流道風速的均勻性；并驗證了夾具的力學性能，最終滿足該工裝的各項指標要求，最多可同時實現6個24 mm 厚度的標準ASCCA 模塊進行獨立環境試驗的需求。目前該穿通風冷LRM 模塊通用環境試驗工裝系統已拓展出滿足不同厚度模塊的系列，用于不同項目模塊獨立試驗中，具備較好的經濟性。