某機載風冷機箱單元力學性能研究

王建

摘要：本文針對某機載風冷機箱單元，利用有限元分析方法開展了力學分析。文中詳解介紹了機箱單元在有限元分析過程中，幾何簡化原則、網(wǎng)格劃分、邊界條件處理的具體方法。最后通過分析機箱在各種工況下的應力分析結果，指導機箱結構的優(yōu)化設計。

關鍵詞：機載，機箱，力學，有限元

1 引言

隨著電子技術和飛行器技術的高速發(fā)展，要求電子設備能夠搭載各種平臺實現(xiàn)不同的任務目標。機箱作為最基本的設備單元，擔負了結構安裝、產(chǎn)品加固、器件冷卻、電磁屏蔽及小環(huán)境控制等多種作用，機箱的結構設計對電子設備功能的實現(xiàn)具有重要影響[1]。文獻[2-3]從冷卻設計、電磁兼容設計等方面對電子設備機箱結構開展了研究，但對于機載設備而言，除滿足上述性能外，其力學性能也是保障其全壽命周期可靠工作的重要因素。本文針對某機載風冷機箱單元，從建模、仿真等多方面開展了力學性能研究，采用虛擬手段預測驗證其力學環(huán)境適應性。

2 結構設計

某單元機箱由前面板、機箱殼體、后蓋板以及若干電器設備構成。其中機箱主體由上、下風冷板和左、右側板焊接成型。前后面板與箱體采用螺釘連接，具體情況如圖1所示。

3 結構力學仿真計算

3.1 仿真工具

本次仿真分析使用通用有限元軟件Ansys 17.0。幾何模型前處理采用ANSYS SpaceClaim 17進行簡化。

3.2 環(huán)境條件

（1）沖擊，按照GJB150.18-86中實驗五執(zhí)行，具體要求如下：a）垂直方向：15g;b）橫軸方向：10g;c）縱軸方向：10g;d）作用時間：11ms。

（2）振動，按照載機平臺的振動環(huán)境要求進行，功率譜密度譜形如圖2所示。

3.3 建模

在結構仿真分析計算中，在不影響仿真精度的前提下，為降低仿真模型規(guī)模，提高仿真效率，需對結構模型進行簡化處理。

簡化基本原則：

保留單元真實的物理連接關系;

保留單元受力、約束和連接關鍵細節(jié);

移除對結構剛度、強度無影響或影響很小的部分;

基于以上原則，機箱單元結構簡化情況如下：

去除顯著增加有限元網(wǎng)格數(shù)量，但對分析結果無影響的不重要的圓角、倒角細節(jié)。保留上下風冷板的內(nèi)部連接細節(jié)，前面板連接螺釘孔。對于厚度尺寸較薄的前后蓋板，左右側板均采用抽殼簡化。簡化后的幾何模型如圖3所示。

對機箱單元的各個零件單獨劃分網(wǎng)格。其中前、后蓋板與左右側板均主要采用四邊形結合少量三角形單元（SHELL181）劃分網(wǎng)格。機箱上下風冷板主要采用六面體混合四面體單元（Solid185）劃分劃分網(wǎng)格。最后通過連接關系將各個劃分好網(wǎng)格的零件進行組裝。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示。其中節(jié)點數(shù)量為30794個，單元數(shù)量為70054個。

機箱主體通過6顆螺栓連接外部結構。機箱機箱單元通過前面板22顆螺釘與機箱上下和左右箱體結構連接。后蓋板通過12顆螺釘與機箱上下和左右箱體結構連接。在仿真過程中，機箱支耳采用固定約束。為方便匹配網(wǎng)格單元協(xié)調關系，機箱主體上下冷板與左右側板均采用多點約束（MPC）方式模擬焊接連接;機箱前后蓋板與機箱主體連接通過局部MPC連接。

3.4 分析結果

3.4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學分析基礎，本機箱模態(tài)分析前10階結果如下表所示。

3.4.2 隨機振動分析

機箱單元在使用過程中會承受隨機振動環(huán)境，表2為機箱單元各個方向在振動條件下的最大應力情況。

由表2可見，機箱單元在Z方向振動下承受的應力最大，其受力狀況也最為惡劣，最大應力點部位在底部冷板支耳連接處，詳見圖6。

3.4.3 沖擊響應分析

沖擊響應計算時，時間步長選擇0.55ms，計算總時間為19.8ms。機箱在沖擊載荷作用下，最大應力發(fā)生在X向沖擊6.6ms處時刻，數(shù)值達到32.845MPa。其它方向沖擊結果詳見下表。

4 結論

該機箱單元在隨機振動和沖擊載荷作用下，所有部件受力強度安全系數(shù)均大于1.5。由此可以確定，機箱單元在裝機使用過程中，單元所有結構滿足強度設計要求，并具有足夠的強度安全裕度。

參考文獻：

[1]常春國.結構設計在電子設備中的重要性研究[J].電子質量， 2009， 12：48.

[2]王成亮.無人機載雷達發(fā)射機結構設計[J].電子機械工程， 2011， 27（3）：3436.

[3]胡唐生.某無人機載有效載荷的結構設計[J].電子機械工程， 2012， 28（2）：811.

[4]李帆，阮會.電磁兼容的機箱設計[J].船電技術，2012，32（1）：54.