某艦載電子設備的造型與結構設計*

生建友

(總參第六十三研究所 南京 210007)

1 引言

隨著科學技術的不斷發展,時代的不斷進步,人們對產品的質量要求已不僅僅是內在質量(多功能、高性能),現在又提出外觀質量和使用質量(產品顯示、操作的宜人性)要求,即造型設計要求,為適應新形勢的需要,在進行設備的結構設計時應同步進行造型設計。由于艦載電子設備的特殊性,如使用環境惡劣、品種多、數量少等,使得設備的結構設計難度大,造型設計水平也較民品差一截。針對這些特點,結構設計師應加強結構、造型、環境適應性設計方面的理論、方法、技術的學習和綜合運用,將結構設計、造型設計與艦載環境有機結合起來,在提高產品結構設計質量和外觀造型水平的同時,提高產品的環境適應性能力和可靠性水平。下面結合某艦載設備的研制情況談一點設計體會。

2 設計思路及原則

該設備用于艦載,按照GJB367A-2001的有關要求[1],總的設計思路是:設備具有足夠的機械強度、剛度和三防能力,以滿足艦載使用要求,同時,力求使設備外型美觀、結構簡單、重量輕、成本低,方便操作、安裝和維修。設計的基本原則是:

1)實用,針對艦載環境的特點[2],如腐蝕嚴重、海上風力大、船體顛簸厲害等,制定詳實、可行的設計方案,并據此采取有效的技術措施,為全面實現設備的技術性能指標從結構上提供保障,同樣,外觀造型設計也不能脫離實用這一原則,如果設備性能上不去、功能完成不了,外觀再時尚、美觀也沒有實際價值。

2)美觀,在確保實用的前提下,盡可能使設備尺寸合理、比例協調、外形漂亮、層次分明、形色和諧,以滿足用戶要求。

3)經濟,設備的結構與造型設計應力求最簡化,使每個零部件都成為最簡設計,在保證機械強度的前提下,盡量去除多余的材料,力爭使用最少的物力、人力和時間,實現設備的功能、性能、高可靠、美觀要求,做到“經濟實惠,價廉物美”。

4)創新性強,針對現代海戰的特點以及艦載環境的特殊性,采用先進的理論、技術、工藝進行創新設計,設計出更獨特、更新穎、更實用的新型結構和時尚外形,以滿足現代戰爭對艦載電子設備的結構要求和人們的審美要求。

5)工藝性好[3],結構與工藝是密切相關的,設計的結構和外形應具備良好的工藝性,即與當前先進、成熟的工藝方法、工藝措施以及加工設備、人員相適應,盡量不用或少用特殊工藝,選用的材料也是普通、常規材料,從而保證設備加工的進度、精度、質量,進一步節約研制成本。

6)“三化”[1](通用化、系列化、模塊化)原則,按照三化設計原則,將設備設計成若干個模塊的組合體,以滿足裝備研制的標準化工作要求。設備的三化能有效縮短研制周期,提高設備的可靠性和可維修性,加快裝備重新投入作戰的過程。

3 造型設計[3,5]

造型設計主要考慮的是設備“體”的構思和“面”的布局。從設備用途和功能角度出發,整個設備設計成現時流行的扁平長方體,給人以輕便、精巧的感覺,整個設備的外型以及上下左右四個面上的凹面總體上設計為對稱型,給人一種嚴肅、莊重、有條理的靜態美。設備各部分的尺寸綜合采用了黃金比、均方根比、等不同的比例關系,如設備的高寬比與顯示窗口的長寬比為整數比,機箱的深寬比和蓋板、側板上凹面的尺寸比為均方根比,薄膜鍵盤的寬長比為黃金比。黃金比是公認的優美比例,均方根比符合人們的現代審美需要,整數比具有明快、勻整的美感,多種比例關系的綜合運用,能產生一種有秩序的和諧美。薄膜鍵盤粘貼在金屬面板右側的凹面內,其高度方向及四周與凹面高度和四周均小0.5mm,這樣不僅有層次感,而且四周的間隙有利于薄膜鍵盤的熱脹冷縮,避免由于溫度變化產生鼓包而影響美觀,機箱的上下左右四個外表面各加工了1.2mm深的凹面,其中右側面的一個凹面內用于安裝標志牌,所有這些措施均體現了造型設計的統一中求變化、變化中求統一的表現技法,使得設備外形既簡潔、美觀,又有層次感,而且,變化中又反襯了簡潔的外形,形成了良好的視覺效果,給人一種清新、跳躍的感覺。設備外形的所有棱邊分別采用了R1～R2的圓角過渡,使得設備外形剛勁中帶柔和,豐富飽滿中顯得堅實莊重。設備的外觀造型效果參見圖1。

面板是人觀察與操作最頻繁的部位,也是設備外觀的核心,其造型好壞直接影響到設備的整體造型效果。設備的面板用鋁合金材料加工制成,經化學處理、噴沙后進行了表面涂覆,涂層為丙烯酸亞光桔紋漆,漆層飽滿,裝飾效果和附著力好。根據人的觀察和操作習慣,開關布置在面板左下側,顯示窗口放置在面板左側中間偏上一點,薄膜鍵盤粘貼在面板右側中間位置,使用表明這種布局合理,符合操作人員的思維規律,為了使面板整體看起來不呆板,在顯示窗口和鍵盤四周加工了凹槽,增加了面板的層次感和立體感。薄膜鍵盤上的按鍵采用手感型的,操作時節奏感較強,按鍵四周用帶有小圓角的方框做標識,面板上的文字、字符、指示燈以及按鍵的位置嚴格對稱布置,給人一種端莊、安詳的美感。

由于是艦載設備,海灰、深灰、中綠灰色等是必選顏色,外接電連接器為黑色,緊固件為不銹鋼本色,這幾種顏色的和諧搭配既顯軍品之威嚴莊重,又不失樸素大方之本。設備的主色調是中綠灰色,為了使之與鍵盤的顏色產生色差,鍵盤的主色調為海灰色,數字鍵為橄欖灰,確認鍵和菜單鍵位深灰色,其余鍵位駝灰色,按鍵四周的方框為黑色,字符顏色為白色,充分利用色彩對比法這一變化技法,使這幾種顏色形成了鮮明的對比,避免有效誤操作。

圖1 設備造型效果圖

4 結構設計中的幾個關鍵問題

4.1 總體布局

總體布局作為結構設計的主要內容,是結構設計的第一步,總體布局是否合理將直接影響到設備的性能和可靠性。按照三化設計原則,設備主要由功能、結構、接口相互獨立的模塊組裝而成,該艦載電子設備主要有操作顯示模塊、功放模塊、數據處理模塊、主控模塊、電源模塊、轉接模塊、接口模塊以及收發模塊等組成,各模塊間主要通過轉接模塊進行連接。綜合考慮設備的重心、穩定性、熱設計、電磁兼容和走線、扎線工藝以及模塊間的連接關系,操作顯示模塊安裝在設備前面,功放模塊安裝在設備后面,收發模塊安裝在設備內部左側,其它模塊安裝在設備內部右側,最后的試驗、使用證明:這種布局、組裝工藝合理,走線美觀,連接可靠。設備的外形及內部布局參見圖2～3。

4.2 結構設計

綜合考慮材料的機械性能、物理性能以及防腐蝕和成本等因素,設備主要結構件均選用防銹鋁合金材料。設計了薄壁焊接結構,進一步減輕了設備重量,設計了防水薄膜鍵盤,既有利于解決重量問題又有利于解決防水問題。設備機箱由左右側板、底板和前后安裝架組成,采用氬弧焊焊接成形;面板和功放模塊盒體采用銑削加工成形,所有零部件在保證機械強度的前提下最大限度地去除多余材料,有效減輕設備重量。按照設備內部總體布局要求,操作顯示模塊、功放模塊、收發模塊和轉接模塊用螺釘直接安裝在機箱上,使它們和機箱之間形成近似剛性體,進一步增加箱體的剛度和防振動、沖擊能力,為方便設備的調試、裝配,設計了印制板安裝架,安裝架直接固定在底板上,其余五個模塊利用楔形鎖緊裝置固定在安裝架內,通過矩形電連接器直接與轉接模塊連接,這種結構形式可大大提高設備的可維修性,參見圖3,由于楔形鎖緊裝置的大夾持力和良好防松脫效果,設備的抗振動、沖擊效果比較好。大部分模塊直接通過插座進行連接,個別模塊通過電纜進行連接,電源開關板與薄膜鍵盤通過線纜與轉接模塊連接,按照扎線工藝要求,所有線纜均進行了綁扎并固定在機箱底板或機箱壁上,避免線纜在使用、運輸過程中,由于機械應力的作用而產生變形和位移,確保設備內部各模塊、單元之間數據的可靠傳輸,提高了設備的可靠性。

4.3 屏蔽設計

由于同一船艙內安裝了多種不同的電子設備,如果設備的電磁兼容性能不好,勢必影響設備自身的正常工作,或者干擾其它設備,導致船艙內其它設備不能正常工作,因而必須重視設備的電磁兼容性設計,結構設計上主要采取屏蔽設計,屏蔽既能有效抑制通過空間傳播的各種電磁干擾,又能有效防止設備自身向外輻射電磁能量[3]。

屏蔽設計首先應選擇合理的屏蔽材料,由于設備的工作頻率達到數百兆赫茲,屬于高頻電磁場,應選用高導電率材料,我們選用的鋁鎂合金材料對高頻電磁場和低頻電場都具有良好的屏蔽效果,而且成本也不高。具體設計時,收發模塊和功放模塊單獨設計屏蔽盒,其它五個數字電路模塊由于安裝在印制板安裝架內,蓋上蓋板后,實際上也起到了屏蔽盒的作用,它們和機箱之間形成了雙層屏蔽結構,考慮到功放模塊的特殊性,為避免模塊內各單元之間相互干擾,各單元亦分別安裝在不同的腔體內,使之相互隔離,參見圖4。屏蔽設計主要著眼于縫隙和孔洞設計[3],設備由于裝配、維修、操作、顯示等要求以及數據傳輸線、電源線的引入與引出等等,機箱上有形狀各異、尺寸不同的孔和縫隙,造成機箱在電氣上不連續,從而降低其屏蔽效能,屏蔽設計的關鍵就是如何保證屏蔽箱體的完整性,使屏蔽效能盡量達到理論計算值。首先,機箱采用連續焊焊接工藝,形成永久性接縫,從而保證機箱接縫處電氣的連續性;其次,機箱與上蓋板、面板和功放模塊之間的安裝面上均安裝了導電密封圈,所有對外連接的插座均安裝了導電襯墊,顯示窗口采用了200目的屏蔽玻璃版,確保了縫隙處的電接觸,實現了窗口、縫隙處電氣上的連續性;再次,合理布置螺釘間距,螺釘不僅起緊固作用,其間距也直接影響到屏蔽效果,設備上的螺釘間距基本按照λ/10～λ/20進行布置,有效減小了接縫,保證了接縫的屏蔽效果,同時增加縫隙深度,縫隙深度越大屏蔽效果越好,在不增加設備體積的前提下,盡量增加縫隙處的接觸面積;最后,設備所用電連接器均為屏蔽型,而且數據插座選用的是帶濾波插針的多芯電連接器,電源線先通過濾波器盒再進入機箱。試驗、使用證明,設備的屏蔽效果比較理想,完全滿足GJB151A-97的相關要求。

圖4 功放模塊結構示意圖

4.4 熱設計

由于設備功耗比較大,內部聚集的熱量比較多,為防止元器件的高溫失效,確保設備工作穩定可靠,必須重視設備的熱設計。由于船艙本身具有較好的冷卻系統,可以提供冷卻空氣,因而,設計時充分利用這一優勢,采用常規熱設計措施[3],即設備內部的熱量首先通過熱傳導、對流換熱和輻射換熱傳向機箱,再由機箱通過對流、輻射換熱傳到周圍介質中,最后借助于船艙內的冷卻氣流將熱量帶走,這樣既經濟又實用、可靠。因此,設備熱設計的主要任務就是把各模塊產生的熱量通過低熱阻路徑迅速有效地傳到機箱外部環境中去。首先,我們采用導熱條式散熱印制板,即在元器件與印制板之間加入一層銅導熱條,安裝時,將所有發熱元器件跨騎在導熱條上,同時在元器件和導熱條之間充填導熱硅膠,以消除空氣間隙,進一步減小元器件和導熱條之間的接觸熱阻,使元器件產生的熱量迅速地傳到導熱條上,因而,設備的傳導散熱路徑為:元器件→導熱條→印制板→楔形鎖緊裝置→機箱→機柜→船艙。由于采用了楔形鎖緊裝置,不僅能產生較大的夾緊力,而且減小了兩接觸面之間的接觸熱阻,提高了熱傳導能力;其次,我們注意到在各單元模塊中功放模塊的功耗最大,是主要的發熱單元,為了提高其散熱能力,單獨制作了帶散熱器的盒子,參見圖4,盒體外表面進行黑色無光澤導電陽極化處理,提高其輻射換熱能力,同時將發熱量大的芯片直接安裝在盒體內側上,并在盒體外側相應位置安裝風機,對其進行強迫風冷,由于功放盒安裝在設備后面,風機吹出的熱量直接由船艙內的冷卻氣流帶走。試驗證明,整機的散熱效果非常理想,滿足GJB367A-2001的相關要求,用戶比較滿意。

4.5 三防設計

三防(防潮濕、防鹽霧、防霉菌)能力是艦載設備重要的性能指標之一,也是結構設計中必須重視、解決的難題。我們主要從以下幾個方面采取了措施:首先,選用了防護性能較好的鋁鎂合金作為設備結構件的材料,屏蔽玻璃選用了防鹽霧、防霉菌性能好的國外進口產品,導電密封圈中添加了防老劑和防霉劑;其次,將設備設計為密封結構,所有的接縫處均安裝了導電密封圈(墊),使各電路模塊與外界空氣隔離,不僅能阻止電磁波的穿出、穿入,起到電磁屏蔽效果,也能防止潮氣、鹽霧、霉菌的侵入,從而達到長期三防的效果;再次,采取表面防護措施,在機箱表面和印制板表面形成一層保護性涂層,使潮氣、鹽霧和霉菌無法接觸到零件,而達到防護效果。對變壓器和電感線圈利用酚醛絕緣漆進行浸漬;對印制板及其組件表面噴涂三防清漆;嚴格按照我所的涂裝工藝要求,選用丙烯酸漆對設備表面進行涂覆,根據隨機樣片的鹽霧、霉菌試驗結果,油漆層的防護效果比較好。如果條件允許,可以先采用達克羅噴涂技術,在機箱表面形成達克羅涂層,再在達克羅涂層上面涂覆油漆層,達克羅涂層有很好的防腐性能[5],尤其是防鹽霧性能,試驗表明,達克羅涂層與金屬、油漆涂層均有很好的結合力,采用這種復合防護涂層,既能進一步提高設備的三防效果,又不影響設備的表面裝飾效果。

5 結語

該設備按照上述設計原則、采取上述技術措施完成研制后,經環境試驗、試用、使用,設備外形及各項技術性能指標均滿足研制合同要求,受到了用戶的好評。由此可見,在艦載電子設備的結構設計中,只要把握住其關鍵問題,按照質量管理體系要求,運用已有的成熟理論、經驗和設計方法,并大膽使用新材料、新技術、新工藝,就能較好地實現現代高技術戰爭對艦載電子設備提出的諸多要求,滿足人們的審美要求,從而為設備的功能、性能、可靠性、可維修性從結構上提供強有力的保證。

[1]總裝備部.GJB 367A-2001軍用通信設備通用規范[S].北京:總裝備部軍標出版社,2001

[2]電子科學研究院.電子設備三防技術手冊[M].北京:兵器工業出版社,2000

[3]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2001

[4]生建友.談軍用電子設備的造型設計[J].電訊技術,2003,43(1):111～114

[5]吳勇.達克羅涂覆工藝應用研究探討[C]//軍事電子裝備防護技術交流會論文集,2006