機載電子設備輕量化設計

周海亮

（洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

對于機載電子設備設計而言，輕量化已成為整機產(chǎn)品開發(fā)的重要目標，貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期中。產(chǎn)品重量已成為與對手競爭時的重要致勝指標。機載電子設備包含電路部分和結(jié)構(gòu)部分，其輕量化目標實現(xiàn)，需要基于產(chǎn)品功能和性能進行整體布局緊湊型設計、模塊輕量化設計、線束輕量化設計和結(jié)構(gòu)輕量化設計，在設計過程中進行了多輪反復迭代，來實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設計。

2 主要應用技術(shù)

機載電子設備性能主要包括電氣性能和結(jié)構(gòu)性能兩方面，輕量化作為機載電子設備性能評價的重要指標，也應從電氣和結(jié)構(gòu)兩方面開展相關工作。

下文主要闡述機載電子設備輕量化設計的主要應用技術(shù)。

2.1 整體布局緊湊性設計

機載電子設備包含電路部分和結(jié)構(gòu)部分，電路部分一般包括功能模塊、母板、航空連接器等；結(jié)構(gòu)部分一般包含機箱和安裝支架，作為電路部分的固定和支撐平臺,。機載電子設備整體布局設計時需要考慮：

首先結(jié)合產(chǎn)品的功能需求進行合理的功能模塊劃分，在產(chǎn)品有限空間內(nèi)進行整體布局緊湊型設計，實現(xiàn)各功能模塊、母板、航空連接器等信號交聯(lián)；保證各功能模塊在產(chǎn)品內(nèi)的布局緊湊、功能齊全和維修方便。

其次綜合考慮環(huán)境適應性，包括高低溫、振動、電源特性和電磁兼容性等，對產(chǎn)品的散熱方式、模塊安裝和排布進行綜合評估設計。

常見的機載電子設備布局如圖1 所示。

產(chǎn)品在整體布局緊湊性設計時，要逐項檢查各項結(jié)構(gòu)需求，保證結(jié)構(gòu)滿足緊湊性設計需求。

2.2 功能模塊輕量化設計

各功能模塊作為機載電子設備電路部分的重要組成部分，主要由印制板、冷板、元器件和鎖緊裝置等組成，如圖2 所示。目前機載電子設備設計時功能模塊優(yōu)先考慮成熟的標準模塊（寬度和高度方向尺寸標準），隨著產(chǎn)品輕量化設計要求的提出，越來越多的功能模塊需要進行定制化設計以實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。

圖1 機載電子設備常見布局

圖2 功能模塊組成示意圖

圖3 有限元分析步驟

功能模塊的輕量化設計主要包括以下方面：

a.根據(jù)產(chǎn)品功能需求，合理分配功能模塊組成，盡量減少功能模塊數(shù)量；

b.根據(jù)模塊功能需求，選用體積小重量輕的元器件，合理布局電路板空間，設計出集成度高、功能強大的模塊；

c.根據(jù)模塊散熱需求，對模塊冷板進行輕量化設計，降低冷板重量在功能模塊總重中的比例。

2.3 線束輕量化設計

線束設計作為機載電子設備的重要設計部分，在輕量化設計時由于此部分復雜且不易直接測量，往往被忽略，同一批次產(chǎn)品在交付過程中個別產(chǎn)品出現(xiàn)超重現(xiàn)象，其主要原因就歸結(jié)于線束走線問題，隨著產(chǎn)品輕量化設計的要求越來越強烈，線束輕量化設計也逐漸提上日程。

線束重量主要包括以下幾個方面：

a.線纜自身重量；

b.線束結(jié)構(gòu)件（主要為壓線夾）重量；

c.其他輔料（捆扎線、熱縮套管和黃蠟綢）重量。

因此，線束輕量化設計時可采取以下設計措施：

線束結(jié)構(gòu)件輕量化設計:

線束結(jié)構(gòu)件主要是壓線夾，在強度允許的情況下，壓線夾設計選用鋁材，同時在滿足使用要求的情況下，可以適量開一些工藝減重孔，以減少零部件的重量。

結(jié)構(gòu)輕量化設計:

狹義的輕量化設計對象專指結(jié)構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)件在滿足使用要求的情況下，結(jié)構(gòu)剛強度好、體積小、質(zhì)量輕為結(jié)構(gòu)設計所追求的目標。在結(jié)構(gòu)輕量化設計中,有限元分析法（FEA）是不可或缺的(有限元分析法的產(chǎn)生得益于飛機制造的輕量化)。有限元分析法近年來已應用的非常廣泛，現(xiàn)已成為創(chuàng)收達數(shù)十億美元的相關產(chǎn)業(yè)的基礎，即使是很復雜的應力問題的數(shù)值解，現(xiàn)在用有限元分析的常規(guī)方法就能達到。聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導致聯(lián)立方程組。在實踐中，有限元分析大致可分成三個步驟，前處理、分析和后處理。如圖3 所示。

前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。設計者總是通過有限元分析軟件來實現(xiàn)有限元法對工程的求解，程序性工作都變成由CAE 軟件來完成。建立正確的有限元模型、制定合理的網(wǎng)格劃分方式、施加與實際相符的激勵、根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，這就構(gòu)成了設計師的主要工作。

機載電子設備結(jié)構(gòu)一般包括機箱和安裝支架，二者的組成均為板類零部件，對于板類零部件，開孔與開槽是最常用的結(jié)構(gòu)減重方式。在傳統(tǒng)的設計中，設計師通常根據(jù)設計要求，依靠自身的設計經(jīng)驗參考其他類似的結(jié)構(gòu)粗略地設定減重孔與減重槽的初始構(gòu)型，從而去除結(jié)構(gòu)中對傳力影響較小的材料，然后基于形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對減重孔的形狀尺寸及深度進行參數(shù)優(yōu)化；盡管應用傳統(tǒng)的設計方法得到的設計結(jié)果滿足設計要求，但這種設計方法得到的設計結(jié)果往往不是“最輕的”，仍有巨大的提升空間，且難以得到輕量化的設計結(jié)果。

因此需結(jié)合有限元分析法，通過設定了一定的約束條件（如材料和最大應力等）和目標（如質(zhì)量最小等）下，在設定的可行域內(nèi)，尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式和減重方案。有限元分析法克服了傳統(tǒng)設計中對設計師經(jīng)驗的依賴性，從根本上對結(jié)構(gòu)進行精細化減重，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設計。

總結(jié)與展望:

本文以機載電子設備為研究對象，展開輕量化設計技術(shù)的研究。結(jié)合整體布局輕量化設計、功能模塊輕量化設計、線束輕量化設計和結(jié)構(gòu)輕量化設計，對機載電子設備的輕量化設計進行了闡述。

結(jié)構(gòu)輕量化設計的有限元分析手段，對模型進行了簡化，無法準確分析細節(jié)特征對分析結(jié)果的影響，導致分析結(jié)果存在偏離情況，應結(jié)合試驗及客戶使用情況，進一步修正輕量化設計參數(shù)。