某新型船用模塊結構設計與振動沖擊分析*

汪 洋 黃東籬

（中船黃埔文沖船舶有限公司 廣州 510715）

1 引言

隨著現代船舶電子設備不斷的更新與升級，設備計算能力呈現集成化、密集化發展趨勢[1]。這就對于設備的基礎模塊功能需求不斷提升，單個6U規格母板的表面已經無法容納更多的元器件進行布線，不能夠滿足功能計算需求，在這種趨勢下，越來越多的船用模塊開始使用功能拓展子卡[2]。

XMC類型子卡是目前使用較多的子卡類型之一，其通過一個垂直于母板TOP面的對插連接器直接與母板通信連接，布置于母板TOP面的正上方，形成了一種空間疊層結構[3]。該種類型的子卡在長度方向與6U母板幾乎持平，在寬度方向尺寸約為母板的一半，能夠極大地拓展模塊元器件的有效布線空間，適應目前船用電子設備計算環境對模塊的要求。

隨著新型拓展子卡引入的同時，也給船用模塊的工程化帶來了一些亟需解決的實際問題[4]。模塊的元器件布線有效面積增大，高功耗的元器件增加，整個模塊的熱功耗呈線性增加，在傳統6U模塊有限狹窄的空間內，要求模塊的導熱盒能夠同時滿足整體結構強度和散熱需求，要求模塊能夠適應船用振動和沖擊環境[5]。如此嚴苛的外部限制條件約束，給模塊的結構設計提出了更高的要求。

綜合考慮船用模塊的結構特點[6]，為了能夠在距離6U模塊母板TOP面單個槽位間隔的高度空間內對XMC拓展子卡的BOT面元器件和母板TOP面元器件導熱，本文在已知各印制板具體元器件布局的前提下，設計出了一種夾層導熱方式的新型導熱盒結構，并利用有限元仿真技術建立模擬出該結構的裝配模型[7]，對模塊在船用振動和沖擊的工況下進行了仿真計算分析，通過計算分析發現，該模塊形變應力指標能較好地滿足設計要求，耐振抗沖性能良好[8]。

2 結構設計

本文所述新型模塊的6U母板和XMC拓展子卡的結構形式如圖1所示。

圖1 母板與XMC子卡對插結構

上圖展示了該新型模塊的母板和XMC子卡的相對位置關系，拓展子卡直接通過兩個連接器與母板進行信號傳遞通訊，為保證信號強度，一般使連接器盡可能地接近母板主連接器。子卡的上下表面均布有GPU等核心元器件，具有較高的功耗，有散熱的需求。為充分利用印制板母板空間，于子卡的正下方的母板上也布置有一些功耗較低的元器件。因此，在子卡和母板之間需要有一層金屬隔板，將上下兩側的元器件熱量傳導至模塊的傳熱面上進行散熱。

圖2 模塊縱剖結構示意

XMC子卡通過連接器與母板對插，需要有額外加固方式使子卡相對母板固定且符合船用振動沖擊環境。考慮到母板通過螺釘固定于導熱盒上，本結構方案使子卡通過位于四角的螺釘最終固定于導熱盒上。

XMC凹槽的存在使得導熱盒剛度大打折扣，在導熱盒中部位置必然產生應力集中且變得極易發生形變，需要專門設計沿凹槽邊緣的縱向加強筋，和在凹槽接近中部的橫向加強筋，對整個導熱盒零件進行加固設計。

圖3 導熱盒結構示意

隔板的厚度越厚，導熱盒的剛度越好，子卡附近元器件散熱熱阻越低，整個模塊的使用性能越高。結合實際工程化的生產加工工藝，本方案的隔板設計厚度定為2mm。

模塊的母板一般厚度[9]為1.6mm，子卡板厚與母板保持一致，子卡連接器通過凹槽上的通道，實現子卡與母板的安裝與對插[10]。結合圖2，子卡與導熱盒于四角安裝固定后，再加裝蓋板以形成子卡上下表面元器件的散熱通道。整個模塊結構外形如圖4所示。

圖4 模塊結構裝配

本方案所述模塊的結構裝配形式能夠完成對整個模塊的加固、保護和散熱需求。

3 有限元仿真分析

為進一步驗證本文所述設計的新型隔振器方案能否滿足船用工況[11]下的技術指標要求，在有限元分析軟件Abaqus中建立了其有限元仿真模型如下圖，該有限元網格模型共由15304個單元，8329個結點組成，如圖5所示。

圖5 模塊網格模型

在仿真軟件中模擬模塊在電子機箱中的安裝狀態添加相關約束。模塊的傳熱面和鎖緊條緊固在機箱的卡槽中，設定為固定約束，模塊母板的連接器與機箱的印制底板對插后同樣簡化為固定約束。模塊中相關零件和母板子卡相對固定。

約束設定好后計算模塊的整體振動模態，模態分析主要通過頻率和陣型來展現結構的振動特性，以此進行合理的振動評價。模態基本理論為

其中K為系統的剛度矩陣，ωi為第i階模態對應的固有頻率[12]。設定模塊的導熱盒、盒蓋、蓋板等零件材料為鋁合金牌號為6A02，對應的材料密度為2870 kg/m3，印制板材料密度約為1100 kg/m3，在軟件材料庫中選擇相關類似材料賦予網格模型[10]。仿真計算結果如圖6所示。

圖6 模塊前18階模態結果

通過分析仿真結果，模塊的一階固有頻率為78.6Hz。依據國軍標GJB 150.16A-2009中表C.9《安裝在艦船上設備的振動試驗量值》，水面艦船掃頻試驗頻段為0～60Hz。模塊的模態仿真結果高于60Hz，所以在艦載掃頻試驗中不會出現共振現象，滿足基本振動試驗要求。

圖7 模塊一階模態仿真結果

模塊安裝于機箱中，機箱設備一般由自身單獨安裝或由機柜總體配置減振器。本文所述模塊沖擊仿真方案中設定減振器平均傳遞率為0.6。依據國軍標GJB 150.18中對于沖擊試驗的描述模擬船用電子設備的沖擊試驗，取試驗經驗數據，最大加速度峰值為300g，減振器衰減40%后作用到模塊上為180g，三角波，作用時間為20ms。依據以上數據設定模塊的邊界條件[13]，仿真計算模塊在沖擊條件下的狀態，計算結果如圖8所示。

圖8 模塊沖擊應力云圖

從仿真結果可知，整個模塊殼體的最大應力集中位于蓋板螺釘的安裝處，仿真結果約為100MPa，一般硬鋁的抗拉強度約為370Mpa，在許用應力范圍內。單獨提取PCB印制板的仿真結果，如圖9所示。

圖9 印制板應力云圖

通過上圖可知，仿真計算印制板應力主要集中于子卡的四個安裝螺釘處，遠小于導熱盒和蓋板應力，滿足使用加固需求。

4 結語

針對傳統6U模塊在常規尺寸下布線空間不足，功能受限，達不到電子設備需求性能指標的現狀，本文根據工程實際中模塊增加拓展XMC子卡的要求，對該新型模塊進行了結構設計，給出了導熱盒具體的內部結構方案和整體裝配方案。本文在此基礎上利用有限元分析軟件Abaqus建立了該新型隔振器的三維仿真模型，綜合考慮約束、邊界條件和不同的振動沖擊工況，分析計算出了仿真模型的振動和抗沖性能，通過與設計指標和材料相關應力指標進行對比，得出了該模塊振動沖擊性能均能滿足設計要求。本文所述該新型模塊結構方案可進一步在其它船用電子設備模塊上推廣和參考。