某型便攜發(fā)控系統(tǒng)觀瞄發(fā)控裝置瞬態(tài)熱仿真分析

曾志 惠博 周航

摘? 要：某型便攜發(fā)控系統(tǒng)觀瞄發(fā)控裝置是某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，本文根據(jù)觀瞄發(fā)控裝置內(nèi)部各組件的功耗情況以及工作的環(huán)境溫度，對觀瞄發(fā)控裝置三維模型進(jìn)行了合理簡化，應(yīng)用熱仿真分析軟件進(jìn)行了觀瞄發(fā)控裝置任務(wù)周期內(nèi)的瞬態(tài)熱仿真分析，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，所獲得的結(jié)果對觀瞄發(fā)控裝置的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：發(fā)控系統(tǒng)? 密閉機(jī)箱? 瞬態(tài)? 熱仿真

中圖分類號：V243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0083-06

Abstract： The sighting and launch control device of a portable launching control system is an important part of a missile weapon system. According to the power consumption of each component of the sighting and launching control device and the working environment temperature， the three-dimensional model of the sighting and launching control device is rationally simplified and the transient thermal simulation analysis of the sighting and launching control device in the mission cycle is carried out by using Flotherm XT thermal simulation analysis software. The simulation results are analyzed， and the obtained results have important reference value for the design of the sighting and launching control device.

Key Words： Launching control system; Sealed case; Transient; Thermal simulation

某型便攜發(fā)控系統(tǒng)觀瞄發(fā)控裝置是某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)控系統(tǒng)是保障導(dǎo)彈發(fā)射成功的重要設(shè)備，承擔(dān)著數(shù)據(jù)交互、導(dǎo)彈射前信息處理和安全發(fā)射控制等重要使命[1]。觀瞄發(fā)控裝置作為某型便攜發(fā)控系統(tǒng)的核心組件，是一個(gè)高度集成的機(jī)電一體化密閉機(jī)箱。在設(shè)計(jì)上要面臨多功能集成帶來的高熱流密度、更嚴(yán)酷的抗振要求和復(fù)雜電磁環(huán)境，同時(shí)還要兼顧良好的維護(hù)性和輕量化設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求[2]。在自然散熱的情況下， 完全密閉的箱體熱傳導(dǎo)路導(dǎo)路徑長， 其散熱能力基本不太理想[3]。

便攜發(fā)控系統(tǒng)屬單兵反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射裝置，與射手之間結(jié)合緊密[5-6]，高溫對射手的操作使用帶來一定的影響，熱設(shè)計(jì)也屬的裝備人因工程設(shè)計(jì)的一部分[7]。

隨著電子產(chǎn)品的集成度及組裝度的不斷提高，產(chǎn)品內(nèi)各種模塊的功耗也在不斷增加，尤其是大功率模塊，如果不進(jìn)行有效合理的散熱，會(huì)造成大功率模塊在工作過程中失效甚至損壞。大功率模塊的散熱問題是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵[7]。大多數(shù)電子元器件工作溫度在 80℃以上時(shí)，其失效率會(huì)隨著工作溫度升高急劇上升，因此高溫導(dǎo)致的設(shè)備工作故障成為了影響可靠性的重要因素[8]。由于電子元器件密度的增加以及傳熱路徑的復(fù)雜性，其熱分析和熱設(shè)計(jì)成為了一個(gè)不容忽略的問題[9-10]。

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)各設(shè)備往往需要經(jīng)受環(huán)境條件的復(fù)雜變化，因此電子設(shè)備將經(jīng)受工作溫度的復(fù)雜變化，對其進(jìn)行瞬態(tài)溫度場及熱特性的分析是很有必要的，這將對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值[11-12]。仿真計(jì)算誤差較小，在5%以內(nèi)，滿足工程應(yīng)用需求。因此，數(shù)值仿真技術(shù)的使用能大幅提高產(chǎn)品的研發(fā)效率，并保證產(chǎn)品可靠性[13]。

1? 觀瞄發(fā)控裝置瞬態(tài)熱仿真分析條件

1.1 觀瞄發(fā)控裝置模型簡介

觀瞄發(fā)控裝置主要由內(nèi)部設(shè)備以及殼體等組成，各模塊在觀瞄發(fā)控裝置內(nèi)部布局如圖 1所示。箱體為密封箱體，各部件通過螺釘與殼體固連，其中設(shè)備一底面與殼體中部連接，設(shè)備二與殼體后端面接觸，設(shè)備三與殼體后端面接觸。

觀瞄發(fā)控裝置中主要熱源共計(jì)11個(gè)，總功耗110W，各組件功耗見表 1。

1.2 觀瞄發(fā)控裝置瞬態(tài)熱仿真物理特性參數(shù)

觀瞄發(fā)控裝置殼體材料為鑄鋁合金ZL101A，25℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為150W/（m·K），殼體外表面噴涂軍綠色漆，材料的物性參數(shù)如表 2所示。

1.3 觀瞄發(fā)控裝置工作條件及仿真工況

仿真環(huán)境溫度為35℃，在35℃環(huán)境溫度下，觀瞄發(fā)控裝置連續(xù)工作4個(gè)周期，每個(gè)周期持續(xù)時(shí)間30min，每個(gè)任務(wù)周期內(nèi)的前26min，數(shù)據(jù)鏈和制冷熱像不工作，其余設(shè)備正常工作，工作設(shè)備的總功耗為40W;每個(gè)任務(wù)周期內(nèi)的后4min，制冷熱像不工作，其余設(shè)備正常工作，各設(shè)備總功耗為95W，共計(jì)2h，任務(wù)剖面示意圖如圖 2。

2? 觀瞄發(fā)控裝置熱仿真建模

2.1 觀瞄發(fā)控裝置模型簡化原則

觀瞄發(fā)控裝置的實(shí)體模型比較復(fù)雜，含有大量緊固件、凸臺(tái)、圓角、孔隙等元素，這給后續(xù)的熱仿真分析帶來一定困難，所以在進(jìn)行熱分析前應(yīng)先對三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化。

簡化原則如下：

（1）在保留殼體及內(nèi)組件基本特征的前提下，去除對發(fā)熱及散熱影響不大的元素使之成為便于劃分網(wǎng)格的規(guī)整結(jié)構(gòu);

（2）剔除與熱的傳導(dǎo)路徑無關(guān)的元器件;

（3）對于簡化困難的組件，可采取等效替代的方法。

2.2 觀瞄發(fā)控裝置熱仿真建模

裝置的熱分析模型在仿真軟件中建立，主要進(jìn)行了以下工作：

（1）設(shè)置各組件主要材料的物性參數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)以及熱源功率;

（2）裝置為一封閉體，主要采取自然冷卻形式，打開輻射開關(guān)并設(shè)置材料發(fā)射率;

（3）檢查模型;

（4）根據(jù)模型的整體尺度，劃分網(wǎng)格;

（5）打開求解器，設(shè)置迭代步數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算;

（6）針對不同的工況，修改相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行多次求解。

仿真分析軟件中建立熱仿真模型及網(wǎng)格見圖3所示。

3? 觀瞄發(fā)控裝置瞬態(tài)熱仿真分析結(jié)果及分析

使用軟件進(jìn)行求解，得到觀瞄發(fā)控裝置任務(wù)剖面結(jié)束時(shí)刻各設(shè)備、箱體以及箱體內(nèi)部的環(huán)境溫度值以及溫度分布云圖和觀瞄發(fā)控裝置工作時(shí)間段內(nèi)各設(shè)備、箱體以及箱體內(nèi)部環(huán)境溫度的升溫曲線。圖4所示為觀瞄發(fā)控裝置任務(wù)剖面結(jié)束時(shí)刻的溫度分布云圖。

在每個(gè)任務(wù)周期中，變量為數(shù)據(jù)鏈單元的工作時(shí)間段，從整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)的各組件溫度曲線圖，如圖5，所示可以看到數(shù)據(jù)鏈單元中的收發(fā)模塊和圖像調(diào)解模塊的曲線變化趨勢是一樣的，除了在最開始的30min時(shí)間段中器件都剛開始，即使數(shù)據(jù)鏈單元在前26min不工作，也會(huì)和其他器件一樣，溫度會(huì)上升得比較迅速，而后的每個(gè)30min時(shí)間段也是在26min前數(shù)據(jù)鏈不工作，溫升較慢幅度很低;26min時(shí)因數(shù)據(jù)鏈開始工作出現(xiàn)，曲線呈近乎直線上升;30min時(shí)數(shù)據(jù)鏈停止工作，溫度開始驟降，之后呈現(xiàn)緩慢下降，下降幅度很小，下降到最低點(diǎn)時(shí)因整個(gè)裝置并未達(dá)到穩(wěn)態(tài)還會(huì)有一個(gè)很小的上升;到了56min時(shí)數(shù)據(jù)鏈重新開始工作，溫度又出現(xiàn)大幅度升溫直至60min時(shí)工作結(jié)束;在60min后數(shù)據(jù)鏈單元不工作溫度大幅度下降，但是因?yàn)槠渌麊卧獪囟认鄬_(dá)到平穩(wěn)，使得數(shù)據(jù)鏈單元在降溫后未出現(xiàn)小幅度升溫現(xiàn)象，而是逐漸趨向于平穩(wěn)，在其工作之后在大幅度升溫;因其他的器件與數(shù)據(jù)鏈單元的距離大小不同，使得其他單元的溫度曲線受數(shù)據(jù)鏈單元影響產(chǎn)生波動(dòng)的程度也不一樣，機(jī)殼距離數(shù)據(jù)鏈單元最近，其溫度曲線的波動(dòng)幅度也是最明顯的。從圖中也可以看到其他各組件的溫度曲線圖在數(shù)據(jù)鏈功耗變化時(shí)也出現(xiàn)了或小或大的波動(dòng)變化。

4? 結(jié)語

本文對某型便攜發(fā)控系統(tǒng)觀瞄發(fā)控裝置模型進(jìn)行了合理簡化，應(yīng)用熱仿真分析軟件計(jì)算得出了觀瞄發(fā)控裝置在其任務(wù)周期內(nèi)的溫度變化情況。每一個(gè)任務(wù)周期整個(gè)裝置中最高溫度的器件均為數(shù)據(jù)鏈單元中的收發(fā)模塊，在每一個(gè)任務(wù)周期的30min時(shí)達(dá)到最大溫度，第四個(gè)任務(wù)周期后最高達(dá)到61.85℃。由于設(shè)備三的功耗和最大溫度呈現(xiàn)一定的周期性變化，所以可考慮在設(shè)備三通過相變材料的相變特性進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，降低峰值溫度。

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