基于ANSYS Workbench的某航空電子設備結構設計

摘 要：隨著航空技術的不斷發展，航空電子設備的復雜程度越來越高，對電子設備結構設計的要求也越來越高。合理的結構設計直接影響著現代航空電子設備的性能發揮，保證其能在各種環境條件下發揮最佳性能。ANSYS Workbench軟件為電子設備結構設計提供了豐富的仿真工具，能夠高效、快捷地對電子設備結構進行力學分析和熱設計仿真，驗證結構設計的合理性，為電子設備結構優化設計提供指導。

關鍵詞：航空電子設備；結構設計；ANSYS Workbench；力學仿真；熱仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0168-05

Structure Design of an Avionics Based on ANSYS Workbench

MENG Wei

（The 20th Institute of CETC， Xi'an 710068， China）

Abstract： With the continuous development of aviation technology， the complexity of avionics becomes higher and higher， and the requirements of structure design is also increasing. A good structure design can directly affect the performance of modern avionics， and ensure its best performance under various environmental conditions. ANSYS Workbench software provides kinds of simulation tools for avionics structure design， which can perform mechanical analysis and thermal design simulation efficiently and quickly. And it verifies the rationality of structure design and provides guidance for the structure optimization design of avionics.

Keywords： avionics; structure design; ANSYS Workbench; mechanical simulation; thermal simulation

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.034

0 引 言

現代航空領域評價一架飛機性能時，不再只關注其氣動特性和發動機特性，航空電子設備的性能也變得越來越重要，當前大多數飛機的航空電子設備在飛機總體制造成本中的占比已經超過了30%，少數具備特殊功能的飛機能超過50%，航空電子設備的升級也直接改善和提高了飛機整體性能水平，成為航空領域發展重點研究的方向之一[1]。

電子設備性能分為電氣性能和結構性能兩部分[2]。結構性能是電氣性能的直接承載，是電子設備在各種復雜環境條件下能穩定工作的重要保證。

本文針對某航空電子設備，根據其設備組成、使用環境等，依據相關行業標準進行結構設計，并借助ANSYS Workbench平臺對設計結果進行力學分析以及熱設計仿真，驗證其結構設計的合理性。

1 外形尺寸

早期飛機上配備的電子設備較少，因此電子設備在設計外形尺寸時采用按需設計的原則，尺寸外形各異，互換性差。隨著電子技術的發展以及航空技術升級的需求，飛機上各種功能先進的電子設備逐漸增多，對空間分配及互換性提出了新的要求，因此全球各系統廠及設備廠均展開了標準化系列化的研究工作。

美國是航空電子設備發展較早并且較成熟的國家之一。美國航空無線電公司先后發布了外形尺寸代號為“ATR”（ARINC404）以及“MCU”（ARINC600）行業標準，美國軍方也發布了外形尺寸代號為“LRU”和“LRM”的軍用標準，這幾種外形尺寸系列在全球范圍內都有廣泛的應用，特別是在以歐美為代表的民用航空領域占據絕對的主導優勢[3]。

蘇聯也發布了“航空無線電電子組裝機箱”國家標準，兼容了美國“ATR”機箱標準，并進行了擴充。

我國航空電子設備發展起步較晚，早期主要引用美國“ATR”和“MCU”尺寸系列標準，后經過自主發展，先后制定了“機載電子設備機箱、安裝架的安裝形式和基本尺寸（GJB441）”以及“機載電子設備機箱和安裝架通用規范（GJB779）”等一系列標準，彌補了相關領域的技術空白，但在民用航空領域，依然遵循美國“ATR”和“MCU”尺寸系列標準[4]。

參考上述各行業標準，根據設備內部組成，并結合設備的使用平臺以及對原有設備的原位互換性，該電子設備采用符合ARINC600標準的2MCU外形尺寸標準機箱，即57.2 （±0.5） mm×318 （±1） mm×194 （-1～

0） mm。

2 結構形式

2.1 整機結構

航空電子設備通常具有體積小、器件多以及熱量相對集中的特點，因此良好的結構設計對航空電子設備特別重要。一般的，航空電子設備主要有拼接式、框架式和插箱式[5-7]三種結構形式：

1）拼接式結構是目前應用最廣的形式，機箱內部的模塊、印制板等合理分布，利用螺釘固定在機箱側板上，各模塊之間利用線纜連接。拼接式結構形式簡單，當設備需要維修時，只需要取掉相應的側板，斷開連接線纜就可以將所需模塊取掉，對其他部分不產生影響，整體維修性好，加工工藝簡單。

2）框架式也叫串糖葫蘆，即將各模塊通過螺釘層層串聯起來，其內部各模塊之間多通過連接器直接對插進行數據交換。框架式結構機箱具有良好的散熱性能，各模塊散熱器件均能直接與各自的結構框架相接觸，利于熱量的快速導出。但框架式電子設備進行維修時，需要將整機緊固件松開，單獨取出需要維修或更換的模塊，對整機密封性能要求較高。同時，模塊之間的對插式設計，對尺寸精度要求較高，整體制造工藝相對復雜。

3）插箱式結構是最新發展起來的一種結構形式，它以標準化、系列化為設計原則。機箱內部模塊采用拔插式結構設計，通過起拔器及鎖緊條安裝固定于機箱內部，各模塊之間通過機箱內部的母板進行數據交換，模塊與母板之間多為盲插式設計。插箱式結構內部模塊通用性強，當發生故障時只需要拔掉故障模塊，插入正常模塊即可完成維修。相比于其他結構形式，插箱式結構對內部各模塊與母板之間的配合度要求較高。

2.2 前面板形式

通常情況下航空電子設備連接器置于后面板上，與安裝托架直接對插或通多線纜直接連接，前面板除指示燈以及必要的功能按鈕外，不允許布置任何連接器，以提高設備面板的簡潔性，減少設備艙內線纜交錯。

航空電子設備前面板一般有平板式和階梯式兩種形式：

1）平板式即面板整體平整，通常由一塊金屬板直接銑切或鈑金加工成型，制造工藝簡單，但沒有充分利用機內空間。

2）階梯式可以充分利用機上空間，在滿足標準規定的條件下允許前面板有所凸出，增大設備的可用空間。ARINC600規定前面板允許凸出63.5 mm [8]。

2.3 把手形式

把手是航空電子設備不可缺少的結構件之一。把手不僅可以在設備轉運時為搬運人員提供支撐，同時在電子設備安裝及拆卸時，工作人員可以通過把手施加力量。因此把手應具有足夠的剛度和強度。把手根據其結構形式可以分為固定式和折疊式兩種：

1）固定式把手為最常用的把手，結構形式簡單，通用性強，不受產品限制，在滿足安裝尺寸的前提下，可在任何產品之間互換安裝。但固定式把手所占空間較大，不適用于空間尺寸受限的地方。

2）折疊式把手解決了空間限制，使用時將把手拉出，使用完成后將把手收回，多用在階梯式面板結構上，把手藏于階梯式面板下方位置，不占用額外空間，但其結構形式復雜。

2.4 前緊定鉤

當航空電子設備被安裝到托架上時，為了保證設備安裝的可靠性，在飛機振動條件下航空電子設備與托架之間不發生相對位置變化，通常利用托架上的前鎖緊裝置與設備前面板所帶的前緊定鉤配合鎖緊。前緊定鉤是航空電子設備上的主要受力結構，受飛機振動、沖擊等各種外力，因此前緊定鉤應具有足夠的強度和剛度，一般情況下，前緊定鉤多選用優質合金鋼。此外，為保證前緊定鉤與托架前鎖緊裝置的配合，以及通用性和互換性，各航空電子設備設計標準都對前緊定鉤的外形尺寸做了規定。

對于2MCU外形尺寸的機箱，ARINC600規定前緊定鉤只需要安裝一個，位于前面板下部中心位置，與前面板下沿齊平，采用沉頭螺釘安裝。

2.5 后面板

后面板用于安裝航空電子設備專用的矩形連接器，常用的有美國的DP型連接器、600型連接器以及我國的J16型矩形連接器，其中在民用航空電子設備領域，600型矩形連接器是應用范圍最廣的。后面板安裝的連接器直接與托架上安裝的插座對接，完全對插后后面板與托架之間的間隙很小，因此，為了不影響連接器的對插，保證電性能的穩定性，后面板不允許有過高的突出物，ARINC600規定后面板用于安裝固定矩形連接器的螺釘不宜高出后面板2.5 mm。

3 散熱方式

航空電子設備機箱根據散熱形式可分為密閉式和開放式兩種形式[9-10]：

1）密閉式機箱多用于功耗較小的設備，自然散熱，設備內部熱量傳遞到殼體后，通過機箱表面與外部空間進行熱量交換。為提高散熱效率，密閉式機箱側板多設計有散熱槽或散熱翅片，以增大散熱面積。

2）開放式機箱多為強迫風冷散熱，對功耗較高的設備，自然散熱無法滿足其散熱需求，需要額外的冷卻介質加強散熱，開放式機箱進風口一般位于機箱底部，出風口位于機箱頂部，機箱內部根據各模塊尺寸及功耗設計專門的風道，冷空氣從電子設備托架底部的送風口送入，由設備底部進風口進入設備內部，按照預先設計的風道流動，將功耗設備的熱量帶走后從頂部出口流出。

ARINC600標準嚴格規定了開放式機箱進出分口的分布區域，且進出風口通風小孔直徑應小于4 mm，以防有異物落入設備內部。

4 樣機設計

依據ARINC600標準規定，2MCU標準機箱電子設備采用自然冷卻時，整機熱耗不允許超過10 W，當采用強制風冷散熱時，整機熱耗不允許超過50 W。

該電子設備共包含三個模塊，其中電源模塊熱耗10 W，處理板模塊熱耗20 W，射頻模塊熱耗10 W，設備總熱耗為40 W，因此應采用強制風冷散熱。

依據上述設計思路，利用三維建模軟件UG進行模型設計，該電子設備樣機三維模型如圖1所示。

5 力學分析

航空電子設備一般安裝于機上設備艙內，設備艙一般位于客艙、貨艙或者駕駛艙下部，當飛機發動機啟動、起飛、著陸甚至正常飛行中遇到氣流擾動，都會使設備艙內的電子設備產生振動。電子設備的機箱結構應能保證電子設備在各種振動條件下正常工作，不出現變形、斷裂等損傷。

按照機載設備環境條件規定，標準振動條件如表1所示。

ANSYS Workbench提供了完整的結構靜力學及動力學仿真工具，能夠滿足各種工況下的結構力學仿真分析。在進行力學仿真前需要對三維模型進行簡化，去掉對力學仿真結果影響不大的螺釘孔、圓角、密封槽等細節特征，既能減少網格劃分數量，提高網格質量，還能縮短計算時間，提高效率[11]。

將上述條件添加到ANSYS Workbench中進行受力分析，得到設備應力分布如圖2、圖3及圖4所示。

從上述仿真結果可以看出，在規定振動條件下，設備垂向所受應力最大為14 MPa，遠小于鋁合金材料許用強度，整機結構強度滿足要求。

6 熱設計分析

飛機可以在一天時間內從熱帶地區飛到寒帶地區，也可以在幾分鐘內從地面爬升到幾千米高度，機上航空電子設備需要適應不同的環境溫度，保證各項功能正常。

ANSYS Workbench提供了電子產品散熱仿真的專業工具Icepak。與其他熱仿真軟件相比，Icepak具有界面友好、易上手的特點，對電子設備機箱散熱仿真有很強的針對性，能夠幫助設計人員高效、便捷地對電子設備進行熱仿真及優化設計。與力學仿真類似的，Icepak在進行熱仿真前，也需要多三維模型進行簡化，除了去掉一些對熱仿真結果影響不大的特征如安裝孔、圓角、密封槽外，Icepak還提供了專門的簡化模塊，用于對進出風口開孔特征、風扇等進行簡化，以提高網格劃分質量，縮短計算時間[12]。

按照使用環境要求，當環境最高溫度為50 ℃，機架所供冷空氣溫度為40 ℃，且冷空氣流量不超過8.8 kg/H時，設備應能正常工作。將上述熱仿真條件在Icepak中進行設置，并增加三個溫度監測點，監測設備內三個模塊的溫度變化，經仿真計算所得結果如圖5至圖9所示。

從圖5、圖6可以看出，整個計算過程收斂，內部模塊溫度隨時間趨于平穩，計算結果有效。

從圖7、圖8和圖9可以看出電源模塊最高溫度為56.4 ℃，信號處理模塊最高溫度為67.1 ℃，射頻模塊最高溫度為52.7 ℃，均低于模塊許用溫度85 ℃。因此，該電子設備整機結構熱設計滿足使用要求。

7 結 論

航空電子設備結構設計應遵循相關行業標準，滿足標準化系列化設計趨勢，提高設備的互換性、通用性能力。振動設計和熱設計作為航空電子設備結構設計的重要方面，是電子設備可靠工作的重要保證，借助ANSYS Workbench多物理場仿真平臺，可以對結構力學性能和熱性能進行仿真計算，驗證結構設計的合理性，為結構優化設計提供依據。

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作者簡介：孟瑋（1990—），男，漢族，陜西榆林人，工程師，碩士研究生，研究方向：電子機械。

收稿日期：2024-05-17