掃海探照燈結構設計關鍵技術研究

張志富

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇連云港 222006）

0 引言

掃海探照燈是一款用于船舶夜間搜索的強光探照燈。在探照燈結構設計的過程中，燈具的結構強度、散熱及可靠性的設計是重點要解決的問題，如何將材料力學及熱學的理論知識及計算機仿真技術很好地應用于產品結構設計，成為提升產品技術水平和設計質量的關鍵，本文主要從這兩個方面對該產品的開發(fā)進行研究和探討。

1 計算機有限元仿真分析技術

在對一些受力零部件進行設計時，最重要的就是要通過材料選擇和合理的結構設計來保證零件強度能承受其所受外力的作用而不致變形或損壞，從而保證產品的質量和可靠性。這一問題可以歸結為材料力學中的應力分析問題。應力分析主要是研究構件在外力作用下的變形、受力與破壞的規(guī)律，為合理設計構件提供有關強度、剛度與穩(wěn)定性分析的理論方法[1]。應力分析通常采用有限元分析的方法，將實體分解成一定數量的單元要素，在對每一個單元進行力學方面的計算，求出總體應力分布情況。隨著計算機技術的不斷進步，可以將應力分析問題通過計算機仿真的方法來解決，通過應力分析輔助軟件，可以在三維設計環(huán)境中直接對零部件進行應力分布檢查，可以快速地找出設計的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，提高產品設計效率。

本產品的設計正是基于這一思想，通過對零部件進行應力仿真分析從而判斷設計的合理性。本文主要通過Solidwoks軟件的simulink模塊進行關鍵結構件的靜力學應力分析，SolidWorks Simu?lation是一個與SolidWorks完全集成的設計分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析和優(yōu)化[2]。

設計的掃海探照燈整體效果如圖1所示。燈體主要由燈體、面罩、光學裝置、風扇、密封墊、前蓋和后蓋七個主要部分組成。產品的受力零件主要是燈殼和內部的支撐托架，為了仿真方便直觀，在建模時去掉了燈具中其他零部件，只保留燈具外殼和內部的支撐架（如圖2所示），主要通過應力分析來驗證這兩個零件設計強度是否符合要求。

圖1 掃海探照燈燈體組成分解圖

1.1 燈殼應力仿真分析

根據產品的設計要求，燈具外殼表面要求能承受海水鹽霧腐蝕，且有足夠的強度承受外界的沖擊，同時滿足重量設計及美觀的要求，鑒于以上考慮，選擇1.5 mm厚度的不銹鋼鋼板，通過折彎和焊接成型。此不銹鋼牌號為0Cr17Ni12Mo2的不銹鋼，具有較強的耐海水腐蝕性能，材料的密度為7.78 g/cm3，屈服強度為206 MPa。下面對燈殼進行應力分析，根據有限元分析特點，首先對建好的模型進行網格化，如圖3所示。

圖2 燈具外殼簡化模型

圖3 網格化的燈具外殼模型

為了使分析結果更加準確，選擇網格單元大小為0.2 mm。根據燈具的結構特點可知，燈具將作為負載通過兩側安裝孔固定在承載體上，因此燈具的主要受力點為兩側安裝孔處，按設計重量為30 kg估算，由于兩側對稱，每邊受力點承受的力約為30*9.8/2=147 N。在確定好受力位置和受力大小后，開始對燈殼進行應力分析，其結果如圖4、圖5所示。

圖4 燈殼應力及變形分布圖解

圖5 燈殼安全系數分布圖解

根據以上圖解可以得知，零件所受最大應力為11.35 MPa，最大變形位移為2.15×10-4mm，最小安全系數為18.21。由于材料的屈服強度為206 MPa，且最大變形位移很小可以忽略，最小安全系數遠大于1，可以得出結論：該零件結構強度滿足設計要求，零件受力點在承受147 N的情況下是安全的。

1.2 支架應力分析

支架為燈具內部安裝結構件，主要起支撐內部構件的作用，考慮燈具總體重量的限制，設計原則是內部構件在滿足安裝的前提下盡量輕便且加工簡單，為此選用輕質鋁合金2A12作為支架材料，采用折彎成型。其材料屈服強度為125 MPa，密度為2.7 g/cm3。支架受力面為其水平面，按內部零件重量為15 kg估算，由于兩側對稱，每邊承受的力約為15*9.8/2=73.5 N。同樣，對支架進行應力分析計算，結果如圖6、圖7所示。

圖6 支架應力及變形分布圖解

圖7 支架安全系數分布圖解

根據以上圖解可以得知，零件所受最大應力為6.9 MPa，最大變形位移為2.47×10-2mm，最小安全系數為18.08。由于材料的屈服強度為125 MPa，且最大變形位移很小在允許誤差范圍內，最小安全系數遠大于1，可以得出結論：該零件結構強度滿足設計要求，零件受力點在承受73.5 N的情況下是安全的。

2 散熱機理研究

2.1 散熱方式分類及選擇

實踐表明，電子元件的故障隨元件溫度升高呈指數關系增加。為了提高電子設備的工作性能和可靠性，必須進行合理的熱設計。要研究散熱設計，首先應了解散熱的方式和類型。根據熱量的傳遞方式及機理不同，可以分為導熱、對流和輻射三種主要方式。導熱是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞[3]。通常發(fā)生在相互接觸的固體之間，固體內部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的與之接觸的另一固體。對流是由于流體的宏觀運動，從而流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互滲透所引起的熱量傳遞的過程。就引起流動的原因而論，對流換熱可區(qū)分為自然對流和強制對流兩類。自然對流是由于流體內部各部分溫度的不均勻而引起的自然流動，強制對流是由于流體的流動是靠外部動力源產生壓差（泵和風扇）而形成的。對于本產品的結構而言，由于燈體為完全密封結構，內外流體不直接接觸，無法形成自然對流，燈體表面輻射散熱由于其量綱為10-5相比燈具功率來說很小可以忽略，這里主要研究燈體內部強制對流散熱設計過程及原理。

2.2 風道結構設計及風扇選型原理

本產品選用氙氣燈作為光源，由于熱源為氙氣燈光源，不與燈體外壁直接接觸，且燈體為完全密封結構，根據以往經驗，選擇在燈體內部安裝風扇的強制對流散熱方式。通過強制對流加速空氣流動，使熱量盡快地傳遞到壁上從而散發(fā)到外部。本文主要從風道結構設計和風扇選型兩個方面來研究對流散熱問題。

風道設計的主要原則是盡可能減少空氣沿途阻力，且保證有足夠空間循環(huán)通道使空氣在通道內不斷循環(huán)流動。這里綜合考慮燈具整體結構，同時保證有足夠空間來形成空氣對流且不致造成空間和材料的浪費，如圖8所示，殼體外壁和反光罩外沿之間的空白部分為氣流循環(huán)通道，風扇安裝殼體背部且軸心與反光罩重合，當風扇加速空氣流動時，氣流在燈具內部密閉空間中會沿通道流動形成循環(huán)氣流。

圖8 風道空間結構示意圖

強制對流研究風扇的主要參數是風速和風量。因此怎樣對氣體循環(huán)風扇進行選擇和控制，使其在經濟、適宜的風速范圍保證溫度場均勻，就顯得至關重要。要確定風扇的風速和風量，要借助傳熱學知識建立對流換熱方程來求解。

根據牛頓冷卻公式有：

式（1）中：Q—元件的損耗功率（W），這里主要是氙氣燈的消耗功率；

h—流體對流換熱表面換熱系數（W/m2K）；

S—散熱面積，這里指空氣通道的截面積；

tw—元件表面溫度（℃）流體溫度；

tа—環(huán)境溫度（℃）。

將燈體中流體通道近似為環(huán)形管道，則有：

式（2）中，D為燈外壁直徑（這里近似為圓形），d為反光罩直徑。

表面換熱系數的影響因數較多，理論研究及數學解析比較復雜，從實際工程應用的角度考慮，按照傳熱學實驗分析法將模型及流體狀態(tài)進行簡化，將流體流動近似等效為強制對流中內部流動紊流情況，同時將流體流速與溫度及表面換熱系數建立關系式，有如下對流換熱的特征數方程（也稱準則方程），具體推導過程比較復雜，這里僅給出表達式：

（3）式也稱為迪貝斯-貝爾特修正公式，是為簡化求解散熱方程步驟方便通過實驗法得到的經驗公式。其中，Nu稱為努塞爾數，是表征流體無量綱溫度梯度的物理量；Re稱為雷諾數，是決定流體流動狀態(tài)的一種度量；Pr稱為普朗特數，是熱量擴散能力的一種度量。l是流體界面高度，ω是流體的流速（m/s），λ是流體的導熱系數（W/m·K），v是流體的運動粘度，是在相同溫度下動力粘度與密度的比值，單位為m2/s。

綜合以上四式，其中，λ、Pr、v可由流體的物理特性表查得。溫度根據使用環(huán)境要求也為已知量，只有流體的流速為未知量，通過以上經驗公式可以求出流體流速，具體求解過程這里不再累述。這里近似認為流體流速等于風扇的轉速，至此風扇的參數可以確定。

3 結束語

本文主要對掃海探照燈結構設計的兩個關鍵技術進行了初步的研究，為產品的結構設計提供了充分的理論依據。首先采用計算機仿真分析技術對產品關鍵部件進行有限元分析計算，為結構件設計提供了可視化的數據分析，使各部分強度達到合理的匹配，有效地提高了設計效率，保證了產品設計質量。借助傳熱學的基本原理和經驗公式，為散熱方式和散熱裝置的設計選擇提供了充分的理論指導。

參考文獻：

［1］孫國均.材料力學［M］.上海：上海交通大學出版社，2006.

［2］任亞洲，張蕾.基于Solidworks Simulation刮板輸送機軌座結構優(yōu)化及有限元分析［J］.煤礦機械，2017（1）：152-153.

［3］楊世銘，陶文銓.傳熱學（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2010.