某型便攜發控系統觀瞄發控裝置瞬態熱仿真分析

曾志 惠博 周航

摘? 要：某型便攜發控系統觀瞄發控裝置是某型導彈武器系統的重要組成部分，本文根據觀瞄發控裝置內部各組件的功耗情況以及工作的環境溫度，對觀瞄發控裝置三維模型進行了合理簡化，應用熱仿真分析軟件進行了觀瞄發控裝置任務周期內的瞬態熱仿真分析，并對仿真結果進行了分析，所獲得的結果對觀瞄發控裝置的設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：發控系統? 密閉機箱? 瞬態? 熱仿真

中圖分類號：V243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

某型便攜發控系統觀瞄發控裝置是某型導彈武器系統的重要組成部分。發控系統是保障導彈發射成功的重要設備，承擔著數據交互、導彈射前信息處理和安全發射控制等重要使命[1]。觀瞄發控裝置作為某型便攜發控系統的核心組件，是一個高度集成的機電一體化密閉機箱。在設計上要面臨多功能集成帶來的高熱流密度、更嚴酷的抗振要求和復雜電磁環境，同時還要兼顧良好的維護性和輕量化設計，對結構設計提出更高的要求[2]。在自然散熱的情況下， 完全密閉的箱體熱傳導路導路徑長， 其散熱能力基本不太理想[3]。

便攜發控系統屬單兵反坦克導彈武器系統的發射裝置，與射手之間結合緊密[5-6]，高溫對射手的操作使用帶來一定的影響，熱設計也屬的裝備人因工程設計的一部分[7]。

隨著電子產品的集成度及組裝度的不斷提高，產品內各種模塊的功耗也在不斷增加，尤其是大功率模塊，如果不進行有效合理的散熱，會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品熱設計中的關鍵[7]。大多數電子元器件工作溫度在 80℃以上時，其失效率會隨著工作溫度升高急劇上升，因此高溫導致的設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雜性，其熱分析和熱設計成為了一個不容忽略的問題[9-10]。

導彈武器系統各設備往往需要經受環境條件的復雜變化，因此電子設備將經受工作溫度的復雜變化，對其進行瞬態溫度場及熱特性的分析是很有必要的，這將對系統的設計提供重要的參考價值[11-12]。仿真計算誤差較小，在5%以內，滿足工程應用需求。因此，數值仿真技術的使用能大幅提高產品的研發效率，并保證產品可靠性[13]。

1? 觀瞄發控裝置瞬態熱仿真分析條件

1.1 觀瞄發控裝置模型簡介

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

觀瞄發控裝置中主要熱源共計11個，總功耗110W，各組件功耗見表 1。

1.2 觀瞄發控裝置瞬態熱仿真物理特性參數

觀瞄發控裝置殼體材料為鑄鋁合金ZL101A，25℃時導熱系數為150W/（m·K），殼體外表面噴涂軍綠色漆，材料的物性參數如表 2所示。

1.3 觀瞄發控裝置工作條件及仿真工況

仿真環境溫度為35℃，在35℃環境溫度下，觀瞄發控裝置連續工作4個周期，每個周期持續時間30min，每個任務周期內的前26min，數據鏈和制冷熱像不工作，其余設備正常工作，工作設備的總功耗為40W;每個任務周期內的后4min，制冷熱像不工作，其余設備正常工作，各設備總功耗為95W，共計2h，任務剖面示意圖如圖 2。

2? 觀瞄發控裝置熱仿真建模

2.1 觀瞄發控裝置模型簡化原則

觀瞄發控裝置的實體模型比較復雜，含有大量緊固件、凸臺、圓角、孔隙等元素，這給后續的熱仿真分析帶來一定困難，所以在進行熱分析前應先對三維實體模型進行簡化。

簡化原則如下：

（1）在保留殼體及內組件基本特征的前提下，去除對發熱及散熱影響不大的元素使之成為便于劃分網格的規整結構;

（2）剔除與熱的傳導路徑無關的元器件;

（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，主要進行了以下工作：

（1）設置各組件主要材料的物性參數的導熱系數以及熱源功率;

（2）裝置為一封閉體，主要采取自然冷卻形式，打開輻射開關并設置材料發射率;

（3）檢查模型;

（4）根據模型的整體尺度，劃分網格;

（5）打開求解器，設置迭代步數，進行運算;

（6）針對不同的工況，修改相關參數并進行多次求解。

仿真分析軟件中建立熱仿真模型及網格見圖3所示。

3? 觀瞄發控裝置瞬態熱仿真分析結果及分析

使用軟件進行求解，得到觀瞄發控裝置任務剖面結束時刻各設備、箱體以及箱體內部的環境溫度值以及溫度分布云圖和觀瞄發控裝置工作時間段內各設備、箱體以及箱體內部環境溫度的升溫曲線。圖4所示為觀瞄發控裝置任務剖面結束時刻的溫度分布云圖。

在每個任務周期中，變量為數據鏈單元的工作時間段，從整個工作時間段內的各組件溫度曲線圖，如圖5，所示可以看到數據鏈單元中的收發模塊和圖像調解模塊的曲線變化趨勢是一樣的，除了在最開始的30min時間段中器件都剛開始，即使數據鏈單元在前26min不工作，也會和其他器件一樣，溫度會上升得比較迅速，而后的每個30min時間段也是在26min前數據鏈不工作，溫升較慢幅度很低;26min時因數據鏈開始工作出現，曲線呈近乎直線上升;30min時數據鏈停止工作，溫度開始驟降，之后呈現緩慢下降，下降幅度很小，下降到最低點時因整個裝置并未達到穩態還會有一個很小的上升;到了56min時數據鏈重新開始工作，溫度又出現大幅度升溫直至60min時工作結束;在60min后數據鏈單元不工作溫度大幅度下降，但是因為其他單元溫度相對達到平穩，使得數據鏈單元在降溫后未出現小幅度升溫現象，而是逐漸趨向于平穩，在其工作之后在大幅度升溫;因其他的器件與數據鏈單元的距離大小不同，使得其他單元的溫度曲線受數據鏈單元影響產生波動的程度也不一樣，機殼距離數據鏈單元最近，其溫度曲線的波動幅度也是最明顯的。從圖中也可以看到其他各組件的溫度曲線圖在數據鏈功耗變化時也出現了或小或大的波動變化。

4? 結語

本文對某型便攜發控系統觀瞄發控裝置模型進行了合理簡化，應用熱仿真分析軟件計算得出了觀瞄發控裝置在其任務周期內的溫度變化情況。每一個任務周期整個裝置中最高溫度的器件均為數據鏈單元中的收發模塊，在每一個任務周期的30min時達到最大溫度，第四個任務周期后最高達到61.85℃。由于設備三的功耗和最大溫度呈現一定的周期性變化，所以可考慮在設備三通過相變材料的相變特性進行溫度調節，降低峰值溫度。

參考文獻

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