高比功率微小衛(wèi)星電源控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

解曉龍 何明珠

（中國電子科技集團公司第十八研究所 天津市 300384）

近年來，隨著我國商業(yè)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，低軌微小衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用，電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的“心臟”，為衛(wèi)星平臺和載荷提供能源，電源控制器作為電源分系統(tǒng)中重要的單機，起到能量管理、變換和分配的功能。比功率作為電源控制器的重要性能指標，是指整機功率與整機重量的比值，在整機功率不變的前提下，電源控制器的輕量化設(shè)計能夠提升比功率，有效的降低發(fā)射成本，符合商業(yè)航天領(lǐng)域低成本的需求。本文結(jié)合高比功率微小衛(wèi)星電源控制器項目的研制，在滿足可靠性要求的前提下，應(yīng)用鎂鋁合金作為電源控制器的主體結(jié)構(gòu)材料，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并利用軟件仿真分析和環(huán)境試驗驗證其工程實用性，為高比功率微小衛(wèi)星電源控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 電源控制器結(jié)構(gòu)材料的選取

為有效降低衛(wèi)星的發(fā)射成本，密度小的輕金屬是目前航天領(lǐng)域主要采用的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主體金屬材料。其中鋁合金密度低，具有較高的比強度和比模量，工藝性能良好，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，且價格低廉，是衛(wèi)星電源控制器主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的材料。相較于鋁合金，鎂鋁合金是目前輕金屬材料中密度最小的材料，其密度更小，比強度和比模量均比較高，減振性能好，可承受較大的沖擊載荷，同時具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性[1]。

鋁合金和鎂鋁合金物理性能對比見表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可知，鎂鋁合金材料的密度約為鋁合金的2/3，可大大減輕電源控制器結(jié)構(gòu)主體重量，有效提高電源控制器比功率，且其實際的剛度性能指數(shù)一般高于鋁合金。雖然鎂鋁合金抗拉強度、延伸率及熱導(dǎo)率低于鋁合金，但可通過電源控制器主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、合理布局和發(fā)熱量大的元器件的布置，滿足整機抗力學環(huán)境及熱設(shè)計，具備一定的設(shè)計裕度，滿足工程應(yīng)用要求。

表1：鋁合金和鎂鋁合金物理性能對比

圖5：Y 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

本電源控制器結(jié)構(gòu)選取鎂鋁合金作為主體材料。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電源控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計需在給定的各類載荷條件下通過選擇構(gòu)型，確定印制板的結(jié)構(gòu)尺寸、印制板上元器件布局、印制板的邊緣固定，調(diào)整電路板組件的安放位置以及通過改變結(jié)構(gòu)阻尼等一系列措施達到滿足設(shè)備的強度和剛度的要求，并改善元器件的力學環(huán)境條件，保證電源控制器能正常工作。在設(shè)計中應(yīng)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分級進行分析，除對整機結(jié)構(gòu)進行分析外，還需對電路板內(nèi)部組件進行模態(tài)和動力響應(yīng)分析，電路板上的元器件是電源控制器的關(guān)鍵部分，其性能直接影響整機的性能。另外，也需對產(chǎn)品熱環(huán)境進行分析，具體分析元器件的溫度滿足降額設(shè)計。

本項目電源控制器結(jié)構(gòu)由4 類共6 個模塊組成，按功能分為分流模塊、充放電模塊、濾波模塊以及配電模塊，均采用鎂鋁合金材料作為主體材料，總體結(jié)構(gòu)重量相較鋁合金結(jié)構(gòu)減重1kg。根據(jù)各功能模塊內(nèi)部元器件種類及PCB 板的布置，綜合考慮力、熱和工藝性等設(shè)計要求，合理布局，優(yōu)化整機外形尺寸及單模塊壁厚，以減輕重量，提高機箱整體的結(jié)構(gòu)強度與剛度，保證單機的熱特性。

采用鎂鋁合金優(yōu)化設(shè)計后的電源控制器三維結(jié)構(gòu)外形圖如圖1所示。

圖1：電源控制器三維結(jié)構(gòu)外形圖

3 結(jié)構(gòu)抗力學環(huán)境仿真分析

電源控制器結(jié)構(gòu)抗力學環(huán)境設(shè)計中的設(shè)計校核主要有兩部分工作，分別為強度校核和剛度校核。其中，結(jié)構(gòu)強度主要是指結(jié)構(gòu)抵抗破壞或者塑性變形的能力，強度分析主要包括電源控制器的結(jié)構(gòu)在隨機振動載荷條件下的應(yīng)力分析，使其應(yīng)力安全裕度大于零。安全裕度是表示結(jié)構(gòu)部件強度的剩余系數(shù)，其計算方法如下所示：

表 3：高溫工況整機主要功率元器件溫度

其中：MS——安全裕度；

fs——安全系數(shù)，一般取為1.35；

σf——許用破壞應(yīng)力，MPa，脆性材料取強度極限σb，其它材料取彈性極限 σ0.2；

σmax——計算應(yīng)力，在各種載荷作用下計算得到結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力值，MPa，在各種載荷（各種振動，最大準靜態(tài)載荷）作用下計算得到結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力值。

結(jié)構(gòu)剛度在靜態(tài)時是指結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，在動態(tài)時指結(jié)構(gòu)的固有頻率高低，結(jié)構(gòu)需具備足夠的剛度，以便在經(jīng)受環(huán)境載荷作用下不回產(chǎn)生超額的彈、塑變形，并具有足夠高的結(jié)構(gòu)固有頻率，不致產(chǎn)生動力耦合現(xiàn)象和過大的動力響應(yīng)載荷。一般情況下，往往用固有頻率值作為剛度的設(shè)計要求，設(shè)計應(yīng)確保結(jié)構(gòu)基頻大于規(guī)定的值，按要求電源控制器結(jié)構(gòu)基頻應(yīng)大于100Hz。

本項目中，利用CATIA 軟件對應(yīng)用鎂鋁合金材料的結(jié)構(gòu)三維實體進行建模，并進行仿真分析前的模型簡化。后將簡化后的模型轉(zhuǎn)換格式，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 軟件中進行有限元分析，通過模型預(yù)處理、網(wǎng)格劃分等設(shè)置，在給定的抗力學環(huán)境輸入條件下進行模態(tài)分析及隨機響應(yīng)分析[2]計算，以進行電源控制器結(jié)構(gòu)的剛度和強度校核，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計提供理論依據(jù)。

利用ANSYS WORKBENCH 軟件中特定功能模塊在給定的輸入條件下分別對簡化的電源控制器模型進行模態(tài)分析和隨機響應(yīng)分析。

3.1 模態(tài)分析

利用Modal 模塊對前處理后的模型進行分析，結(jié)果如下：

電源控制器結(jié)構(gòu)基頻為221.63Hz，大于100Hz，其頻率特性滿足總體對電源控制器提出的設(shè)計要求。其第一階模態(tài)振型和第二階模態(tài)振型如圖2 和圖3所示。

圖2：結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型

圖3：結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)振型

3.2 隨機振動分析

利用Response Vibration 模塊對電源控制器結(jié)構(gòu)進行隨機振動響應(yīng)分析，以進行強度校核，給定的隨機振動輸入條件如表2所示。

表2：隨機振動條件

隨機響應(yīng)分析可以得出結(jié)構(gòu)在X、Y、Z 三方向輸入條件下的應(yīng)力響應(yīng)，如圖4-圖6所示，選取安全系數(shù)f=1.35，計算可得各方向安全裕度Ms>0，滿足強度要求，可以在星上安全可靠的使用。

圖4：X 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖6：Z 向應(yīng)力響應(yīng)云圖

通過以上抗力學環(huán)境分析仿真分析可知，在衛(wèi)星總體給定的輸入條件下，采用鋁鎂合金的電源控制器結(jié)構(gòu)剛度和強度符合設(shè)計要求，滿足星上使用要求。

4 結(jié)構(gòu)熱分析

結(jié)合電源控制器所處艙內(nèi)熱環(huán)境和本身的結(jié)構(gòu)布局，合理組織元器件散熱通道以及整機的散熱途徑，使元器件溫度（結(jié)溫）滿足國軍標規(guī)定的I 級降額溫度指標要求。

利用I-DEAS 軟件對結(jié)構(gòu)實體進行建模及模型簡化進行有限元分析，依據(jù)以下條件進行熱分析。

（1）邊界條件：為了計算高溫工況下電源控制器內(nèi)部各個元器件的溫度，將艙板設(shè)為定溫邊界50℃。

（2）熱耦合條件：根據(jù)元器件的安裝方式計算元器件與安裝板之間的熱阻 ，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。

在高溫工況下計算出電源控制器整機溫度分布如圖7所示。

圖7：高溫工況整機溫度分布

高溫工況下各主要功率元器件的溫度如表3所示。

通過表3 分析可知，采用鎂鋁合金材料的電源控制器結(jié)構(gòu)熱設(shè)計合理，在設(shè)定的邊界條件下各元器件均工作在正常溫度范圍內(nèi)，溫度指標滿足降額設(shè)計要求。

5 環(huán)境試驗

結(jié)合仿真分析的結(jié)果，對本項目電源控制器依照總體提供的試驗大綱進行驗收級力、熱環(huán)境試驗驗證，如圖8所示。試驗過程中電性能穩(wěn)定正常，結(jié)構(gòu)完整性良好，溫度在要求范圍內(nèi)，均滿足設(shè)計要求，證明采用鎂鋁合金材料的電源控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足工程應(yīng)用要求。

圖8：環(huán)境試驗

6 結(jié)論

采用鎂鋁合金作為主體材料的電源控制器結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)重量相較鋁合金主體材料減重1kg，在整機功率不變的情況下，比功率提高約40W/kg，且通過仿真分析及環(huán)境試驗驗證，合理可行，可以直接面向商業(yè)航天空間工程進行應(yīng)用。