電子設備平板類結構優化設計方法

劉欣

摘要：電子設備產品中的平板類結構，形式如：分機蓋板、模塊蓋板等，在航空、航天、汽車、船舶等行業應用廣泛。該類結構本身不起支撐承力作用，但對于電子產品的密封性、電磁兼容性卻不可或缺。在航空航天領域，對產品的結構重量要求苛刻，希望以最輕的結構重量，獲得最優的結構功能。

關鍵詞：電子設備；平板；結構優化；設計

產品設計時，對于采用何種減重設計方式，沒有相關的標準作為指導，基本上是憑借個人的設計經驗選取。當然，目前商用軟件可以對復雜幾何結構、復雜工況進行拓撲優化，但設計和時間成本都相對較高。本文通過力學仿真分析，總結出圖1所示幾類結構模型，在相同力學邊界、相同外形尺寸、相同重量等條件下，剛度最好的結構形式，以指導設計人員快速開展結構設計工作。

1分析方法

1.1結構剛度

剛度是指結構在受力時抵抗變形的能力，是結構彈性變形難易程度的表征。在產品中，結構需要足夠的剛度保證外形穩固。剛度分為動剛度和靜剛度。靜載荷作用下抵抗變形的能力成為靜剛度，動載荷下抵抗變形的能力成為動剛度。平板類結構如蓋板等本身不起支撐作用，但需要保證一定的剛度以滿足密封性，避免局部共振等問題。

1.2固有頻率

固有頻率也稱為自然頻率，物體做自由振動時，其位移隨時間按正弦規律變化，振動的頻率與初始條件無關，而僅與系統的固有屬性有關。一般而言，固有頻率越高，結構的剛度越大，固有頻率是評價結構剛度大小的重要指標。因此，利用仿真分析手段，可以得出結構的固有頻率，從而判定其剛度的大小。

1.3模型建立

根據減重方式，以薄板結構（如圖1基準模型O所示）為基準建立模型。利用CAD三維實體設計軟件，分別建立三種平板結構減重模型，如圖1模型A、B、C所示。其中，四種模型的外形尺寸相同，模型A、B、C三種模型凹槽深度、邊框尺寸相同，重量與基準模型O一致。

在外形尺寸、重量條件相同的情況下，頻率最高的模型被認為是最優的減重優化模型。

2算例分析

2.1外形尺寸

給定基準模型O外形尺寸A=210mm，B=210mm，厚度T=1.403mm。

2.2材料屬性

計算材料選取常用工程材料鋁合金，牌號：5A06-H116，參數如表1所示。

2.3模型參數

方法建立結構模型，參數如表1所示。

2.4頻率計算結果

利用有限元分析軟件，對建立的模型進行模態仿真計算，所有模型均為固支邊界條件，前三階固有頻率結果如表2。

由計算結果可以看出，在相同重量、相同尺寸外形、相同厚度、相同邊界條件的等情況下，模型A的固有頻率最高，被認為是最優的減重模型。

3電磁兼容設計

隨著電子技術的發展，電子設備的種類與日俱增，電磁環境日益復雜，電子設備想要在電磁環境中正常運行就一定要避免受到電磁的干擾。在電子設備結構設計中充分考慮電磁兼容的問題，才能夠提高電子設備運行效率。在電子設備結構設計中，需要通過采用特定的技術手段保證電子設備的電磁兼容性，最常見的方法有濾波、屏蔽、接地三種。

3.1電磁濾波

電子設備的運行過程中，電路會產生一些較強的干擾信號，會對整個電路產生巨大的干擾作用。采用濾波技術可使電子設備傳導干擾電平降低，借助阻抗失配原理，使電磁干擾的信號衰減。設置濾波電路可以保證電路安全穩定，減少電路干擾，提高電子設備安全穩定。

3.2電磁屏蔽

電磁屏蔽是目前解決電磁兼容問題的最有效方法，在進行電子設備設計時需對屏蔽體材料進行合理的選擇。同時需要考慮縫隙的影響，對螺釘進行合理的布置，運用導電柔性介質使接觸面增大。在對孔洞進行設計時，孔洞的尺寸應該小于λ/20，大于λ/50。

3.3接地技術

接地技術，即為電源和信號提供回路和基準電位。接地技術的設計可以有效防止電磁干擾并且抑制電磁的噪聲，在進行接地技術的設計時需要考慮抑制接地干擾措施、接地點選擇等多種因素。在電子設備中具體的接地方式主要分為多點接地、單點接地、懸浮地三種。

4散熱設計

隨著電子技術的迅猛發展，人類對電子設備小型化、微型化和高集成化的追求越來越強烈，導致電子機箱的熱密度成量級增長。電子設備在過熱環境下工作，其工作效率及可靠性將會受到影響。在進行電子設備設計時，需根據其使用環境、產品功耗、尺寸參數等選擇合適的散熱方式，以達到散熱良好的目的，提高電子設備的工作可靠性。

4.1散熱槽

在電子設備結構設計過程中，發熱量大的元器件貼壁處理，機箱箱體外側通過不同形式的散熱槽來增加散熱面積，提高散熱效率。在進行結構設計過程中，可根據元器件功率、機箱尺寸要求、重量要求等設計不同形式的散熱槽。

4.2強迫風冷

在熱流密度較大、溫升要求較高的設備中，使用強迫通風冷卻。通過設置合理的風道，選用合適的通風機來實現強迫風冷。強迫通風冷卻系統的體積和質量較大，但對于要求不十分嚴格的地面設備是一種非常合適的散熱方式。

4.3強制液冷

當自然冷卻或強迫風冷不能滿足大功率電子設備散熱要求時，通過強迫液冷可提高散熱效率。在機箱箱壁內部設置合理的流體信道，外接冷卻系統，通過散熱介質的循環，將元器件的熱量帶走，實現散熱。

4.4熱管散熱

熱管技術是利用液體工質的相變傳熱，具有極高的傳熱效率，散熱效果好，噪音低，使用壽命長。它的工作過程為熱管兩端產生溫差時，蒸發端的液體會迅速氣化，將熱量帶向冷凝端，兩端溫差越大，蒸發速度越大。液體在冷凝端凝結液化以后，通過毛細作用，流回蒸發端，如此循環往復，不斷地將熱量帶向溫度低的一端。

5機械振動控制設計

電子設備在運輸或使用時，會受到環境的振動與沖擊，會對電子設備造成巨大的影響。因此在電子設備設計過程中需要進行機械振動控制設計。目前常用的方法主要有結構動力學修改與優化設計、附加振動控制結構器和振動自適應結構。

5.1結構動力學修改與優化設計

結構動力學修改與優化設計是通過修改系統動力學特性、優化設計系統結構，改善振動系統的動力學特性，以達到振動控制性能指標。結構動力學修改與優化設計法包括兩個方面的內容：結構動力學修改與靈敏度分析、結構動力學優化設計。

5.2附加振動控制結構器

附加振動控制結構器法是在原系統上附加各種振動控制器或結構，在目前的振動控制中應用最為廣泛，常用的主要有隔振消振法、動力吸振法、阻尼結構減振法等。隔振消振法是目前應用最廣泛的方法，如在設備整機上加外置減振器。

5.3振動自適應結構

振動自適應結構是一種較多應用智能材料與組件的智能結構，將分布式的傳感器、作動器與系統的結構高度融合為一體。振動自適應結構本身對振動條件的變化具有自適應功能，可以自動改變系統的動力學特性，抑制振動帶來不良影響。

結論

工程中的減重經驗設計方法很多，本文將幾種常見的經驗模型進行對比分析，得出模型A為平板類結構最優的減重設計方案，讀者可根據不同的應用場景，合理優化布局，得到最優的結構產品。

參考文獻

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（作者單位：天津光電通信技術有限公司）