某星載設備環境綜合仿真*

管宇輝

(中國電子科技集團第36研究所, 浙江 嘉興 314033)

1 引 言

國外曾對機載電子設備進行過故障剖析，結果發現，由于振動、溫度造成的故障率高達44%[1]。由于航天電子產品工作環境的特殊性，不可能在地面上完全在試驗狀態下模擬電子設備的工作環境，因此，計算機仿真就成為星載電子設備結構設計中至關重要的一個環節。筆者介紹了采用有限元分析軟件ANSYS和Flotherm對某星載設備進行有限元動力學仿真和熱仿真的完整過程。

2 設備簡介

本單機采用模塊化結構形式，直接在模塊上設計安裝支角，如圖1所示，這樣的結構使設備的空間利用率較高。整個設備由3個模塊盒組成，模塊盒之間采用螺桿相互連接；模塊印制板和模塊盒蓋板采用螺釘和模塊盒連接。整個設備直接固定在荷載艙內，模塊端面直接與衛星安裝平臺接觸，熱傳導路徑最短，熱設計比較合理。圖2所示為模塊內部的示意圖。

圖1 備結構示意圖

圖2 模塊示意圖

3 動力學仿真

3.1 模型建立以及網格劃分

本文的分析對象為某星載電子設備，有限元分析模型如圖3所示。

圖3 動力學仿真分析模型示意圖

由上所知，整個裝配體具有下列特點：①部件比較多，但是連接形式固定，均可以看成是用螺釘連接，而且連接點很多；②印制板結構形式比較統一，均為多層板結構形式。

由于比較關注模型的整體動力學特性和印制板的局部動力學特性，因此根據實際模型的特點，做了以下簡化：①印制板采用多層板單元建模，印制板上元器件安裝產生的附加結構剛度不予考慮，同時印制板上的安裝器件按照均布質量考慮；②忽略實際模型中對于整體印動力學特性影響不大的孔、槽等結構，比如螺釘孔等；③螺釘和螺桿連接簡化為有限元模型中結點之間的自由度耦合；④模塊盒上方的插座采用集中質量建模。

整個模型網格數量大概在10萬左右，對于應力關注的部位，比如印制板等采用網格加密，使結果更加準確。

材料性能參數：銅：屈服強度60 MPa，e=128 GPa,密度8.9E3,泊松比：0.3；FR4: 抗拉強度96.5 MPa,e=21 Gpa,密度1 800，泊松比：0.2；鋁LF5:屈服強度140 MPa,E=70.6 GPa,密度2 700，泊松比：0.3；鋼：屈服強度200 MPa,E=210 GPa,密度7 850，泊松比：0.28。

3.2 邊界條件的設置

正弦掃頻振動試驗條件見表1。隨機振動頻譜圖如圖4所示。隨機振動試驗條件如表2所列。

表1 正弦對數掃頻試驗條件

表2 隨機振動試驗條件

圖4 隨機振動頻譜圖

3.3 有限元結果分析

3.3.1固有頻率分析

設備固有頻率(Hz)，為了隨機振動計算的考慮，結果取了前2 000 Hz的頻率點，從結果可以看出，總共有100階的固有頻率點。

從表3和圖5結合模態振型分析,我們可以發現，由于該設備中具有比較多的子裝配體(印制板)，同時子裝配體由于部分結構相似，因此計算得到的固有頻率點靠的比較近。一般情況下，局部模態并不能真實的反映一個結構的整體剛強度特性。同時從結果來看，整個設備剛性較好，固有頻率點頻率較高。

圖5 設備固有頻率仿真結果

階數頻率(Hz)階數頻率(Hz)1240.411722.792439.7612783.783471.5913789.384493.1214803.995502.4215837.286528.0816841.17545.7317845.758596.818848.019637.3619848.7610661.8620861.9

3.3.2正弦振動分析

從模態分析結果看，處理機固有頻率遠高于100 Hz,在試驗頻段沒有共振響應。頻率為100 Hz時應力最大，仿真結果如圖6所示。

最大應力值：從圖6、7可以看出，盒體上的最大應力出現在模塊之間連接點附近也就是有限元模型中結點耦合的附近，而其余位置的應力值都不是很大，最大值為17 MPa。我們最關注的印制板上的最大應力出現在印制板固定孔附近，但是數值較小，為7.5 MPa，由仿真結果可以看出整個設備的結構比較合理，能夠有效的改善印制板的受力情況。

從結果還能看出，幾塊印制板的應力分布不平均，進一步分析可以知道，尺寸小的印制板應力小，而尺寸大的印制板受力情況要差一些，應力值也大，因此以后設計印制板時要盡量減小印制板的尺寸，改善印制板的受力狀況。此外還可以知道相似結構的模塊盒受力狀況類似，因此，這些模塊盒的設計可以采用類似的設計。

圖6 設備正弦振動應力圖(整機) 圖7 正弦振動應力圖(印制板)

3.3.3隨機振動分析

由于在隨機振動中我們最關注的是印制板上的應力情況，因此選取對于印制板受力最惡劣的情況也即Z向(垂直印制板方向)進行隨機振動仿真分析。隨機振動仿真結果各模塊及模塊內印制板的應力圖見圖8、9所示。

圖8 模塊盒體隨機振動應力圖 圖9 印制板隨機振動應力圖

ANSYS中隨機振動分析是基于概率和統計的譜分析技術，主要是通過模態綜合的方法來計算響應值。由于隨機振動計算屬于統計概率的技術，因此最后計算結果為3б時的值，所有參數都是假定為0均值的正態分布。3б時的應力值如圖8、9所示。從圖中可以分析得到以下結論:隨機振動的強度大于正弦振動；盒體上最大應力值出現于盒體與安裝平臺固定孔附近，數值為87 MPa，而印制板的最大應力值出現于印制板的固定孔附近，數值為47 MPa左右；與正弦振動的類似，隨機振動的最大應力值也都是出現在耦合結點附近。

4 熱仿真

4.1 熱仿真模型建立

星載設備只需要考慮在真空環境下的傳導和輻射散熱，建立的仿真模型如圖10所示。

在建模過程中，忽略電連接器、螺孔等細節，考慮接觸熱阻、結構表面的輻射參數等因素，同時對于熱耗大于0.3 W的器件都進行了建模。對于散熱器件，采用了直接安裝在盒體上以及在散熱器件上增加導熱塊這兩種方式，如圖11所示。

圖10 熱仿真模型示意圖

圖11 器件散熱方式

4.2 熱性能參數和邊界條件

(1) 印制板傳導系數的設定 印制板為多層板(主要為兩層板和六層板)，傳導層共1或3層，每層厚度0.018 mm，覆蓋面積約為90%；還有銅基板，為傳導層和基材層，其中傳導層為1 mm厚的銅，覆蓋面積約為90%。

(2) 接觸熱導率的設定 一般情況下，接觸熱導取值范圍為200～1 000 W/m2·K，在本次熱分析中，鋁板直接接觸時，取接觸熱導值363.6 W/m2·K，涂導熱填料后，一般取接觸熱導值1 000 W/m2·K。

(3) 材料屬性的設定 材料屬性如表4所示。

表4 材料屬性表

(4) 熱分析邊界條件設定 根據實際環境，設定模塊安裝面溫度為70°，設備周圍的輻射環境溫度為70 ℃。

(5) 求解設置 根據使用條件，對模型進行傳導和輻射的仿真計算。熱仿真結果分析設備中3個模塊熱仿真結果如圖12所示。

圖12 模塊溫度云圖

從圖12中可以看出，模塊中器件最高殼溫為96度左右，根據器件資料可以知道滿足工作要求。

5 結 論

采用Ansys和Flotherm對星載設備進行動力學仿真和熱仿真計算，能夠有效地驗證設計的合理性，能在設計源頭將可能遇到的一系列問題考慮充分，并體現在具體的結構設計中，可有效降低后期的歸零成本，保證研制工作順利進行。

參考文獻：

[1] 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，2005.

[2] 楊宇軍.ANSYS動力學仿真技術在空間計算機結構中的應用[J].電子機械工程，2003(5)：57-59.

[3] 趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社，2009.