一種航空終端設備的多學科優化減重設計

曹 紅

中國西南電子技術研究所，成都，610036

0 引言

航空電子產品的不斷發展以及部分平臺的特殊要求，使得人們對航空電子產品的小型化和輕型化的要求越來越高，設備的質量指標已經成為其是否具備競爭力的一項至關重要的指標，在滿足質量要求的同時，還應具備高可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性，對設備的研制開發提出了嚴峻的挑戰，因此需要開展以減重為首要目標，同時兼顧各項性能指標要求的多學科優化設計。在國內外電子設備設計的減重設計中，多以新材料應用、芯片高度集成為主，多學科優化設計方法應用較少［1］。

1 設備的組成、減重指標及減重的幾種重要手段

設備整體采用穿桿式設計，由5個模塊組成，分別為發射模塊、接收模塊、天線信號處理模塊、信號處理模塊和電源模塊(圖1)。模塊采用相同的截面尺寸，厚度根據電路需要進行設計，通過長螺桿組裝起來，穿桿形式具有耐振動沖擊好、維修性好等優點。

圖1 初樣機的外形和模塊分布示意圖

根據初樣機的設計，設備體積為203mm×180mm×164mm(不包括隔振器)，質量為7.2kg，其中發射模塊2.54kg、接收模塊1kg、天線信號處理模塊0.68kg、信號處理模塊1.2kg、電源模塊1.3kg、附件 0.48kg。設備的質量分配指標為5.6kg，為了滿足該指標，在正樣設計時需要在初樣機的基礎上減重1.6kg，即減重22.2%。

為了完成在初樣基礎上減重22.2%的目標，在正樣機設計時從以下多個方面采取措施。

1.1 優化結構件

該屏蔽盒類別的模塊中，結構件和印制板(包括元器件)大約各占質量的50%。在保證核心電路設計不改動的情況下，對結構件進行優化，是最直接和最簡單的減重手段。

分析5個模塊的特點，其中2個信號處理類模塊主要是數字電路，可以取消屏蔽蓋板，取消后不影響整個設備的性能，后續相關電磁兼容試驗證明，取消蓋板未影響模塊性能。其余3個模塊可以對盒體壁厚進行進一步優化減薄，從平均3.5mm減為平均2.5mm。對薄弱環節進行相關結構強度仿真分析，后續亦進行了相關力學試驗，結果證明，盒體壁厚減為平均2.5mm，未影響模塊力學性能。

從表1中可以得出，通過優化結構件的措施，可以減重0.48kg，但是只能在初樣質量基礎上減重6%。

表1 優化結構件后的減重效果

1.2 優化電路

模塊電路部分所占質量比例也非常大，在外圍結構件已經無法進一步減重的情況下，電路的優化以及減少電路冗余設計，也是減重設計中不可缺少的手段之一。經過初步核算，優化電路部分后可在初樣質量基礎上減重4%。

因為電路設計指標為設備實現其核心功能的重要指標，為了保證其在初樣機基礎上的設計延續性，一般盡量慎重選擇該方法。

1.3 使用新材料

除了上述減重措施外，新材料的應用也是減重的重要手段之一。傳統屏蔽盒類模塊的材料多選用鋁合金，隨著新型材料的研究和應用，鎂合金、復合碳纖維等材料也越來越多地應用到工程中。鎂合金密度約為鋁合金的2/3［2］，復合碳纖維密度約為鋁合金的50% ～60%［3］，其減重效果不言而喻。但新材料在表面防護、機械加工、成本控制等方面還有待研究，新材料的使用，尤其是在可靠性和環境適應性要求高的工程項目中的使用更應慎重。

1.4 減小模塊截面積

在初樣機的基礎上優化了結構件和電路設計后，依然只能完成減重10%的目標，這必然要求考慮更有效的減重設計手段。根據該設備的特點，并分析初樣機電路板上的器件密度，最終考慮將模塊截面積減小20%(圖2)，結構和電路部分都重新進行設計。此方法優點是減重效果明顯，缺點是設計繼承性差，初樣機完成的設計分析和試驗均需重新驗證，并且安裝接口改變，需增加過渡板以保證安裝接口不變。在質量指標為首要指標的前提下，需克服其他困難，以保證實現目標。

從表2中可以計算得出，通過縮小截面積的措施，可以減重1.65kg，能在初樣質量基礎上減重23%，已經實現了減重目標。

圖2 減小模塊截面積后設備的外形示意圖

表2 截面積減小20%后的減重效果

綜合以上四種減重方法，在該設備的減重設計方案中以第四種為主，包含了第一種和第二種方法，最終達到質量要求。第三種方法因目前對新材料的工藝方法研究和使用驗證均不充分，暫緩采用。

2 多學科優化及仿真設計

對于本研究的目標設備，選用多學科優化設計中的一致性約束優化算法(CCO)進行優化分析。圖3為一致性約束優化法的算法結構圖，該方法又稱為IDF法。IDF法將耦合狀態變量作為輔助設計變量，使得各子系統能夠獨立地進行分析，從而避免了優化過程中各子系統分析之間的直接耦合關系。IDF法的優化過程不再調用系統分析，而直接調用學科分析。優化過程的中間點不一定滿足系統方程組，只有當算法漸進收斂后，隨著一致性約束的滿足，各學科狀態變量的兼容性才得到保證。該算法的分析過程和優化過程同時完成，因此又稱為同時分析和設計算法(SAND)。IDF適用于耦合變量較少、耦合關系較簡單的多學科設計問題［4］。

本設備的減重設計中，質量為一致性約束，目標為滿足環境適應性中的結構強度和散熱要求，設計變量主要為結構件形狀。學科分析主要為結構強度分析(力學性能分析)和熱分析。結構強度和散熱均與質量有密不可分的聯系。在正樣機分析設計中，主要考慮在初樣機設計基礎上改動較大的部分。通過簡化，建立一個典型的三學科分析模型，見圖4。其中，Xs為各學科共享的設計變量，如結構件厚度、外形尺寸等;Xi(i=1，2，3)為各學科單獨需要的設計變量。

圖3 一致性約束優化算法結構圖

圖4 典型的多學科耦合模型

2.1 結構強度分析

對設備進行整體減重后，將模塊部分與初樣機對比分析后發現剛度和強度差不多，但是新增加的過渡底板需要進行設計驗證。第一次底板設計如圖5所示，底板為一塊227mm×194mm×4mm的鋁板，為了減小質量，盡可能地加工去掉了多余部分。

圖5 底板示意圖

2.1.1對底板在給定隨機振動條件下的強度進行評估

模型中零件的材料為鋁合金，具體力學性能參數如下:彈性模量為71GPa，泊松比為0.33，密度為2770kg/m3，疲勞極限約為80MPa。根據分析結果:X、Y、Z方向的應力值分別達到了118MPa、103MPa、134MPa，大于鋁合金的疲勞極限，因此，底板損壞的可能性較大。

2.1.2優化設計底板后重新進行評估

從圖6中應力圖來看，底板中部承受的應力較小，材料在此處比較浪費，螺桿材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，強度足夠，所以考慮將底板一分為二(圖7a)，并重點加強底板與隔振器、底板與設備連接位置剛度。

圖6 振動條件及各方向的標準差應力結果

根據優化后分析結果(圖7b～圖7d)，X、Y、Z方向的應力值達到了 58MPa、60MPa、73MPa，小于鋁合金的疲勞極限，因此底板損壞的可能性不大。

圖7 改進后的底板及各方向的標準差應力結果

2.2 電源模塊熱分析

與初樣機相比，其余幾個模塊的散熱設計方案均無大的變化，而電源模塊由于面積縮小后取消了風機，由強迫風冷散熱改為自然散熱，因此，必須對散熱設計進行仔細的計算復核。

由初樣機熱測試結果可知，當電源內部主要散熱器件安裝底面溫度不超過110℃時，該模塊可以正常工作。因此，熱設計的目標是優化散熱齒，讓器件安裝底面溫度不超過110℃，同時質量最小。電源模塊原始模型如圖8所示(圖中數值表示熱產生率)。

圖8 電源模塊原始模型

由表3中5種方案的分析云圖(圖9)可知，方案5在滿足安裝底面溫度不超過110℃的同時，質量最小，在電路設計時將熱耗最大器件分布在邊緣位置，可進一步降低溫度0.5℃左右。

表3 各種散熱齒對比分析結果

圖9 各種形狀散熱齒熱分析溫度云圖

3 驗證結果

3.1 質量驗證

從表4中數據可知，該減重方案取得預期效果，達到設計指標。

3.2 環境適應性試驗

該設備順利通過高低溫、振動、沖擊和溫度高度試驗，證明結構強度分析和熱分析結論正確。

表4 各階段質量數據對比 kg

4 結束語

本文結合傳統的減重設計方法并在設計過程中結合結構強度、散熱等多個學科的優化設計以達到整體最優解，最終成功使設備減重23%。本文只運用了多學科綜合優化的設計手段中的其中一種，隨著電子設備結構的日趨精密復雜，其他更為先進和復雜的多學科綜合優化設計方法將得到更為廣泛的應用。

［1］盧涼，馮剛英，方偉.多學科優化技術在航空電子設備設計中的應用［J］.電訊技術，2009，49(4):20-23.Lu Liang，Feng Gangying，Fang Wei.Application of MultidisciplinaryDesign Optimization(MDO)in Avionics Equipment Design［J］.Telecommunication Engineering，2009，49(4):20-23.

［2］侯彬.鎂合金防腐蝕表面處理研究進展［J］.電子機械工程，2008，24(4):42-44.Hou Bin.Research Development of Anti－corrosion Surface Treatment for Magnesium Alloys［J］.Electro－Mechanical Engineering，2008，24(4):42-44.

［3］王春凈，代云霏.碳纖維復合材料在航空領域的應用［J］.機電產品開發與創新，2010，23(2):14-15.Wang Chunjing，Dai Yunfei.Application of Carbon Fiber Composite in Aerospace，Development＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2010，23(2):14-15.

［4］程輝明.先進電子制造技術［M］.2版.北京:國防工業出版社，2008.