一種航空電子模塊的輕量化設(shè)計(jì)及仿真分析

吳晗

摘要：航空電子設(shè)備對(duì)產(chǎn)品重量要求十分嚴(yán)格，而隨著模塊化理念的推廣，電子設(shè)備內(nèi)數(shù)量眾多的電子模塊的重量會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生巨大的影響。因此設(shè)計(jì)合理的模塊結(jié)構(gòu)對(duì)航空電子設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)十分重要。同時(shí)，模塊內(nèi)導(dǎo)熱板的重量通常占模塊總重量的50%以上，因此導(dǎo)熱板的減重設(shè)計(jì)對(duì)于模塊的輕量化設(shè)計(jì)效果明顯，且導(dǎo)熱板的減重相對(duì)于PCB的減重更容易實(shí)現(xiàn)。但是，導(dǎo)熱板過(guò)度減重會(huì)導(dǎo)致模塊的整體強(qiáng)度和散熱能力迅速下降，因此合理的設(shè)計(jì)十分重要。通過(guò)提出一種輕量化模塊導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和有限元軟件的仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行靜力學(xué)和熱力學(xué)分析和校核，得到輕量化設(shè)計(jì)前后導(dǎo)熱板的最大應(yīng)力和溫升，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，然后通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證得出最終結(jié)果。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)對(duì)電子模塊的減重效果明顯，且產(chǎn)品的強(qiáng)度和散熱能力滿足設(shè)備的使用需求。

關(guān)鍵詞：航空;模塊;導(dǎo)熱板;輕量化設(shè)計(jì);強(qiáng)度;熱力學(xué);有限元

中圖分類號(hào)：V243

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492 （2022）02-0124-05

0 引言

隨著航空電子設(shè)備的發(fā)展，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式也經(jīng)歷了從分立式到高度綜合模塊化的發(fā)展[1-2]。同時(shí)隨著飛機(jī)性能的提升，其裝機(jī)環(huán)境適應(yīng)性要求和重量要求也變得越來(lái)越嚴(yán)格。綜合模塊化的航空電子設(shè)備為了便于安裝和維護(hù)，廣泛地使用插入式PCB模塊[3]，其數(shù)量多，占總重量的比例也大。然而對(duì)于航空電子設(shè)備，其必須在各種嚴(yán)酷的振動(dòng)和沖擊環(huán)境中工作，因此電子模塊如果在缺少加固的條件下使用將很難達(dá)到環(huán)境適應(yīng)性要求。

當(dāng)前航空電子設(shè)備通常采用的鋁合金材料的導(dǎo)熱板加固PCB模塊的方式加固PCB板，該方法不但能提供更好的散熱條件，而且提高了模塊的剛度和固有頻率，使其在各種條件下可以滿足使用要求[4-6]。但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱板質(zhì)量往往較大，以6U板為例，質(zhì)量通常高達(dá)800 g以上，占據(jù)模塊總質(zhì)量的50% - 70%，若大量使用這樣的導(dǎo)熱板，將使設(shè)備的總重量無(wú)法滿足裝機(jī)要求。因此必須對(duì)模塊導(dǎo)熱板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，且導(dǎo)熱板的減重設(shè)計(jì)相對(duì)于PCB的減重設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。然而過(guò)度的減重又會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱板的強(qiáng)度和散熱能力迅速下降[7]。因此，本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)6U航空電子模塊輕量化導(dǎo)熱板的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)和熱力學(xué)的理論計(jì)算和有限元仿真分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和校核，驗(yàn)證最大應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，導(dǎo)熱板溫升滿足散熱需求.然后通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為航空電子模塊輕量化設(shè)計(jì)提供一種可靠的思路和方法。

1 理論計(jì)算

1.1 導(dǎo)熱板彎曲簡(jiǎn)化假設(shè)

導(dǎo)熱板彎曲時(shí)，可以將其假設(shè)成一個(gè)截面為矩形的梁，而通過(guò)梁的純彎曲試驗(yàn)及簡(jiǎn)化假設(shè)[8]，可以知道以下前提條件。

（1）彎曲的平面假設(shè)：導(dǎo)熱板的各個(gè)橫截面在變形后仍保持為平面，并且仍然垂直于變形后的導(dǎo)熱板軸線，只是繞橫截面上的某軸轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)角度。

（2）單向受力假設(shè)：導(dǎo)熱板彎曲時(shí)縱向“纖維”之間互不牽擠，每根纖維都只受軸向的拉伸或者壓縮。

實(shí)踐表明，以上假設(shè)為基礎(chǔ)導(dǎo)出的應(yīng)力和變形公式，符合實(shí)際情況。同時(shí)，在純彎曲情況下有彈性理論也可得到相同結(jié)果。

1.2導(dǎo)熱板純彎曲時(shí)的正應(yīng)力計(jì)算公式

1.2.1 變形幾何關(guān)系

對(duì)任一指定橫截面，p為常量，因此，式（1）表明，導(dǎo)熱板橫截面上任一點(diǎn)處的縱向線應(yīng)變?chǔ)排c該點(diǎn)到中性軸的距離y成正比，中性軸上各點(diǎn)處的線應(yīng)變?yōu)?。

1.2.2 物理關(guān)系

根據(jù)單向受力假設(shè)，梁上各點(diǎn)皆處于單向應(yīng)力狀態(tài)。在應(yīng)力不超過(guò)材料的比例極限即材料為線彈性，以及材料在拉、壓時(shí)彈性模量相同的條件下，由虎克定律得：

σ= Eε=Ey/p

（2）

對(duì)任一指定的橫截面，Elp為常量，因此式（2）表明，橫截面上任一點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力σ與該點(diǎn)到中性軸的距離y成正比，即彎曲正應(yīng)力沿截面高度按線性分布，中性軸上各點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力為0。

1.2.3靜力學(xué)關(guān)系

如圖1所示，橫截面上各點(diǎn)處的法向微內(nèi)力σdA組成一空間平行力系，而且，由于彎曲時(shí)，橫截面上沒(méi)有軸力，僅有位于xy面內(nèi)的彎矩M，故按靜力學(xué)關(guān)系，則有：

這表明，y、z為橫截面上一對(duì)相互垂直的主軸。

根據(jù)式（5）～（6），結(jié)合關(guān)于平面彎曲的定義，可以得出關(guān)于平面彎曲與中性軸位置的重要結(jié)論：（1）中性軸垂直于載荷作用面是梁發(fā)生平面彎曲的充分必要條件;（2）梁平面彎曲時(shí)，若材料為線彈性，則中性軸為橫截面的形心主軸。

此即用曲率1/p表示的梁彎曲變形的計(jì)算公式。它表示梁彎曲時(shí)，彎矩對(duì)其變形的影響。式（7）表明，梁的EIz越大，曲率1/p越小，故將乘積EIz稱為梁的彎曲剛度，它表示梁抵抗彎曲變形的能力。

將式（7）代人式（2）得：

此式表明，橫截面上任一點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力與該截面的彎矩成正比;與截面對(duì)中性軸的慣性矩成反比;與點(diǎn)到中性軸的距離成正比即沿截面高度線性分布，而中性軸上各點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力為0。

1.3熱傳遞理論計(jì)算

導(dǎo)熱板表面的最高溫度為Tc，即：

1.3.2 導(dǎo)熱板熱阻引起的溫升計(jì)算

導(dǎo)熱板的傳導(dǎo)熱阻為R=L /K.A[7]，L為傳熱路徑上的距離，K為材料的熱傳導(dǎo)率，A為傳熱路徑上的橫截面積。

導(dǎo)熱板材料6063-T4，導(dǎo)熱系數(shù)200 W/ （m.K），最高溫度在中間芯片位置。溫升△T2將達(dá)6.3℃。

假定環(huán)境溫度為20℃，得：

TC=Ta+△T1+△T2=28.08℃

2 實(shí)例分析

2.1 模型選擇

實(shí)例選用了某航空用標(biāo)準(zhǔn)6U用PCB模塊，其導(dǎo)熱板外形尺寸：WxDxH=233.35 mmx145.25 mmx15.5 mm，重量775 G，如圖3所示。

2.2 建模

導(dǎo)熱板模型選擇用PRO/E建模，有限元網(wǎng)格的劃分和后處理通過(guò)Ansys workbench進(jìn)行操作。

模型選取尺寸WxDxH=233.35 mmx145.25 mmx15.5 mm，內(nèi)側(cè)WxDxH=218 mmx136.8 mmx3 mm方槽。

2.3 減重方案選擇

由于導(dǎo)熱板在使用中由鎖緊條固定，其實(shí)際在使用中最大彎曲變形發(fā)生位置在其上表面中部，最大應(yīng)力方向沿導(dǎo)熱板長(zhǎng)度方向，所以在減重方式選擇時(shí)，考慮滿足其散熱性能要求的前提下，選擇沿長(zhǎng)度方向的3.75 mmx3.75 mm減重方槽，如圖4所示。結(jié)果顯示：減重前導(dǎo)熱板質(zhì)量為775 G.減重后為648 kg，減重約16.4%。

2.4 減重前后導(dǎo)熱板抗彎分析

利用Ansys workbench分別導(dǎo)入減重前后導(dǎo)熱板模型，定義材料屬性[10]。

工況選擇：根據(jù)其實(shí)際使用情況選擇鎖緊條壓緊面為固定端約束，載荷選擇為垂直其上表面向下的1 000 N的壓力載荷，如圖5-6所示。

網(wǎng)格劃分，本次分析中選擇用SWEEP方法生成的最小尺寸為邊長(zhǎng)5 mm的四面體單元，如圖7所示。

2.5 熱分析

利用熱仿真軟件對(duì)導(dǎo)熱板模型進(jìn)行建模[11]，假定導(dǎo)熱板兩側(cè)鎖緊面為冷邊溫度恒定20℃，導(dǎo)熱板中部放置芯片，芯片功耗10 W，芯片表面設(shè)置熱阻5 W/ （m-K），仿真模型如圖8所示。

3 結(jié)果分析

3.1 減重前后強(qiáng)度分析對(duì)比

（1）減重前最大壓應(yīng)力理論計(jì)算結(jié)果

（2）通過(guò)solution單元的計(jì)算結(jié)果顯示減重前撓度為0.031 3 mm，減重后撓度為0.039 5 mm。前后數(shù)據(jù)差別不大，如圖9 - 10所示。

最大壓應(yīng)力減重前為1.026×10 7 Pa（與理論計(jì)算誤差小于10%，確認(rèn)仿真結(jié)果精度很高），減重后為8.5×10 6 Pa，如圖11 - 12所示。

由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用此減重方案后，導(dǎo)熱板的抗彎強(qiáng)度能力減弱不明顯，反而在某些方面甚至還有提升，如圖11-12所示，由于銑出方槽后突出的20根長(zhǎng)肋條形成了類似密布加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，使得原本撓度最大的位置，從導(dǎo)熱板邊緣移至導(dǎo)熱板中心處，使得其變形更容易控制，同時(shí)最大應(yīng)力也有所減小，這也提高了其長(zhǎng)度方向的剛度。

3.2 減重前后熱分析對(duì)比

（1）理論計(jì)算已知：導(dǎo)熱板減重前的芯片的理論溫升：

Te= Ta+△T1+△T2=28 .08℃。

（2）通過(guò)熱仿真軟件結(jié)果顯示，導(dǎo)熱板減重前芯片的溫升為28.1℃，導(dǎo)熱板減重后芯片的溫升為28.4℃，如圖13 - 14所示。

由仿真結(jié)果可知，使用該減重方案以后，導(dǎo)熱板的導(dǎo)熱散熱能力有所下降，但不明顯，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案滿足熱設(shè)計(jì)需求。

3.3 驗(yàn)證與結(jié)果分析

此減重方案已經(jīng)在某航空設(shè)備多個(gè)模塊導(dǎo)熱板上設(shè)計(jì)使用。在實(shí)際使用中可以為航空機(jī)箱內(nèi)的印制電路板組件減重15% - 35%，減重效果明顯，而其在實(shí)際使用中，也沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度和散熱能力大幅度減小而導(dǎo)致影響組件正常使用的情況，能力滿足要求。而在散熱性能和動(dòng)力學(xué)性能上，通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)證明設(shè)備的各項(xiàng)性能都能達(dá)到要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種航空電子設(shè)備模塊的輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)理論計(jì)算、有限元軟件的仿真分析和實(shí)際產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)方案可靠性。

輕量化設(shè)計(jì)在當(dāng)前綜合模塊化的航空電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要，以本文提出的導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)為例，其減重設(shè)計(jì)不但要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，還需要對(duì)其散熱能力進(jìn)行分析，另外還需要結(jié)合組件實(shí)際的裝配情況進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，抗振動(dòng)抗沖擊分析，EMC分析等。本文提供了一種可行性的設(shè)計(jì)，但實(shí)際并未找到最優(yōu)化的減重方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法，因此多場(chǎng)耦合的可靠性仿真和參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)是將來(lái)重要的研究方向。

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