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導(dǎo)語(yǔ)：在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
【關(guān)鍵詞】電磁兼容；電子設(shè)備；接地；屏蔽
1.前言
國(guó)軍標(biāo)（GJB72A-2002）中給出電磁兼容（Electromagnetic Compatibility即EMC）的定義是：設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)：包括以下兩個(gè)方面：
a）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)正常的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；
b）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會(huì)給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來(lái)不可接受的電磁干擾。
對(duì)于從事軍工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)尤為重視產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)。在飛機(jī)上，狹小的空間中裝備著大量的各種類型的電子設(shè)備，如通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、天線、雷達(dá)等等，導(dǎo)致電磁環(huán)境極為復(fù)雜，相互間的電磁干擾十分嚴(yán)重。因此，電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)性能有著重要的影響。
2.電磁兼容設(shè)計(jì)的目的
電磁兼容的主要課題就是研究控制和消除電磁干擾，使電子設(shè)備與其它設(shè)備在一起工作時(shí)，不引起設(shè)備任何部分的工作性能的惡化或降低。一個(gè)設(shè)計(jì)理想的電子設(shè)備應(yīng)該既不輻射任何不希望的能量，也不受任何其他能量的影響。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面介紹相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法。
在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，電磁兼容設(shè)計(jì)思想就是通過(guò)合理的接地、搭接和屏蔽等方法，將外系統(tǒng)對(duì)本設(shè)備干擾以及本設(shè)備對(duì)外部的干擾減弱。
3.電磁兼容設(shè)計(jì)方法
對(duì)于新研制的電子產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)從方案設(shè)計(jì)階段就考慮電磁兼容問(wèn)題，進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容要遠(yuǎn)比研制樣機(jī)采取措施來(lái)滿足電磁兼容要求容易的多。況且在很多的時(shí)候，對(duì)已成型的產(chǎn)品，電磁兼容問(wèn)題已經(jīng)很難解決甚至無(wú)法解決，造成產(chǎn)品研制的反復(fù)。因此，電子設(shè)備必須在設(shè)計(jì)階段就考慮電磁兼容問(wèn)題。
3.1 接地
3.1.1 接地的目的
電子設(shè)備的接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要問(wèn)題，正確的接地方法可以減少或避免電路間的相互干擾。接地目的有三個(gè)：1）接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。2）防止外界電磁場(chǎng)的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過(guò)大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對(duì)于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。3）保證安全工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。
因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。盡管從功能的觀點(diǎn)出發(fā)并不需要將一個(gè)等電位面端接至大地，但端接至大地對(duì)工頻和射頻信號(hào)都呈現(xiàn)出很低的阻抗。
3.1.2 電路接地的方式
不同的電路采用不同的接地方法。以下介紹幾種電路的接地方法：
串聯(lián)一點(diǎn)接地
將各電路串聯(lián)后在一點(diǎn)接地。這種情況一般是將接地點(diǎn)放在低電平點(diǎn)。這種接法最簡(jiǎn)單，抑制干擾能力差，僅適用于低頻電路。
并聯(lián)一點(diǎn)接地
將各電路并聯(lián)后在一點(diǎn)接地。這種接法各電路的電流自成回路，彼此獨(dú)立，避免了各電路的相互串?dāng)_。但接地電阻較大，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，底線容易產(chǎn)生輻射干擾。因此，并聯(lián)一點(diǎn)接地也僅適用于1MHz以下的電路。
多點(diǎn)接地
多點(diǎn)接地時(shí)接地電阻較小，電路在高于10MHz時(shí)可用多點(diǎn)接地。但此時(shí)總地線應(yīng)適當(dāng)?shù)膶捫L(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)，最好不超過(guò)0.15波長(zhǎng)，同時(shí)地線與機(jī)殼應(yīng)絕緣。
3.1.3 整機(jī)的接地
整機(jī)接地也是保障產(chǎn)品電磁兼容性的主要措施之一。由于各功能不同，電路差別很大，接地狀況也就大不相同。一般常用方式是：將模擬電路、數(shù)字電路、機(jī)殼分開，各自獨(dú)立接地，避免相互間的干擾。最后再三地合一接入大地。這種方式較好的抑制了電磁噪聲，減少了數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的干擾。
3.1.4 搭接與接地的關(guān)系
電子設(shè)備的簡(jiǎn)單接地，是為了獲得安全保護(hù)或者實(shí)現(xiàn)抑制噪聲防止干擾所采取的措施之一。為了給交流供電電流和接地系統(tǒng)提供一條有效的低阻抗通道，必須把各種導(dǎo)體、電極、設(shè)備和其他金屬物體連接或搭接在一起。這種搭接點(diǎn)的性能必須在很長(zhǎng)的時(shí)間期限內(nèi)保持不變，以免起始建立起來(lái)的搭接性能質(zhì)量逐漸衰減。搭接是金屬物體之間獲得低阻抗的互連，因此還要防止由互連建立起的通路因腐蝕或機(jī)械松動(dòng)逐漸變壞。
a）在搭接之前所有搭接表面必須予以清潔處理；
b）如果金屬材料的防護(hù)涂層的導(dǎo)電性低于金屬材料的導(dǎo)電性，在搭接前要清除搭接區(qū)域的該防護(hù)層；
c）搭接面的防護(hù)涂層被去除后，應(yīng)立即進(jìn)行搭接實(shí)施，以免氧化；
d）當(dāng)不同金屬材料之間彼此直接接觸時(shí)，避免化學(xué)電位相差大的兩種金屬緊密接觸，防止形成電化偶產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。
3.2 屏蔽
3.2.1 屏蔽的作用
屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。屏蔽技術(shù)是電磁兼容技術(shù)的重要組成部分，是解決電磁輻射的最有效手段之一。
3.2.2 屏蔽措施
3.2.2.1 采用屏蔽罩
對(duì)于已確定的干擾源或易擾器件（敏感器件），可將其封于金屬材料的屏蔽罩內(nèi)；屏蔽罩采用鋁、銅等金屬結(jié)構(gòu)件，選用導(dǎo)電性較好的表面處理。屏蔽罩的設(shè)計(jì)要注意：
屏蔽罩上盡量減少孔洞，如果無(wú)法避免時(shí)，可使用多個(gè)小圓孔避免使用大圓孔，尤其是長(zhǎng)度較大的長(zhǎng)條孔；
通過(guò)屏蔽罩的引線加裝穿心電容，引線通過(guò)穿心電容穿過(guò)屏蔽罩與元件連接。
3.2.2.2 緊固點(diǎn)的間距
緊固點(diǎn)的緊固方式指采用螺釘連接、鉚接、點(diǎn)焊等方法使兩個(gè)零件的結(jié)合面結(jié)合在一起的措施。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于其他因素往往會(huì)受到限制，緊固點(diǎn)的間距一般就直接決定了縫隙的最大尺寸（長(zhǎng)度），是影響縫隙屏蔽效能的最主要因素。由于目前尚無(wú)實(shí)用的計(jì)算方法計(jì)算縫隙的屏蔽效能，緊固點(diǎn)的間距只能按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值：
無(wú)線電產(chǎn)品或工作頻率超過(guò)100MHz的產(chǎn)品，緊固點(diǎn)的間距取值20～50mm；
工作頻率不超過(guò)100MHz的產(chǎn)品，緊固點(diǎn)的間距一般為取值50～100mm。
3.2.2.3 電纜的屏蔽
電纜的屏蔽有以下幾種形式：
a）一般情況下使用屏蔽電纜，將電纜的屏蔽層與連接器的外殼連接。這種形式下的屏蔽效能取決于插頭的屏蔽效果；
b）通過(guò)EMI濾波器連接。即電源線通過(guò)電源濾波器連接，信號(hào)線采用濾波連接器轉(zhuǎn)接。這種方式即可濾波，又可實(shí)現(xiàn)屏蔽。
3.2.2.4 屏蔽材料的選用
選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧霞罢_地使用這些材料，是達(dá)到目標(biāo)屏蔽效果的重要環(huán)節(jié)。以下是幾種常用的屏蔽材料：
鈹銅指形簧片
鈹銅具有優(yōu)良的彈性和導(dǎo)電性，是非常理想的電磁密封材料。指形簧片允許滑動(dòng)接觸的，壓縮形變范圍大?；善澈髱в胁桓赡z，可直接粘接在接觸面上。另外，這種簧片可以在其中填充磁場(chǎng)吸收材料，增加磁場(chǎng)的屏蔽效能。 （下轉(zhuǎn)第165頁(yè)）（上接第163頁(yè)）
導(dǎo)電橡膠
導(dǎo)電橡膠是在硅橡膠中均勻分布微細(xì)導(dǎo)電顆粒制成的，能同時(shí)提供環(huán)境和電磁密封。常用的填充顆粒有銀顆粒，鍍銀鋁顆粒和鍍銀玻璃球顆粒。
導(dǎo)電橡膠材料主要有導(dǎo)電橡膠板和導(dǎo)電橡膠條，導(dǎo)電橡膠條又有各種形狀截面的實(shí)心導(dǎo)電橡膠條和空心導(dǎo)電橡膠條。
金屬絲網(wǎng)
利用金屬絲編織而成的屏蔽材料。屬于一種廉價(jià)的電磁屏蔽材料，可用于高頻屏蔽效能要求不高的屏蔽場(chǎng)合。
屏蔽膠帶
由銅或鋁箔加上導(dǎo)電背膠構(gòu)成的膠帶。直接貼在屏蔽體上的縫隙處消除縫隙的泄漏。使用時(shí)要注意粘接的金屬表面必須是導(dǎo)電的，并要反復(fù)碾壓膠帶，否則導(dǎo)電膠不能發(fā)揮其高導(dǎo)電性。
屏蔽玻璃
在玻璃中間夾一層絲網(wǎng)或者在玻璃上鍍金屬膜實(shí)現(xiàn)屏蔽的玻璃。絲網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能較高，但是屏蔽網(wǎng)會(huì)使光線損失15%～20%左右，從而造成觀察困難。通過(guò)合理選擇屏蔽網(wǎng)的目數(shù)達(dá)到在光線損失允許的范圍內(nèi)使得電磁兼容達(dá)到要求。鍍膜屏蔽玻璃的屏蔽效能較絲網(wǎng)屏蔽玻璃略差，對(duì)光線的損失也較小，但要防止鍍膜損傷對(duì)屏蔽效能造成影響。
近年來(lái)，電子儀器向著“輕、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向發(fā)展。塑料機(jī)箱、塑料部件或面板廣泛地應(yīng)用于電子儀器上，于是外界電磁波很容易穿透外殼或面板，對(duì)儀器的正常工作產(chǎn)生有害的干擾，而儀器所產(chǎn)生的電磁波，也非常容易輻射到周圍空間，影響其它電子儀器的正常工作。為了使這種電子儀器能滿足電磁兼容性要求，人們?cè)趯?shí)踐中，研究出塑料金屬化處理的工藝方法，如濺射鍍鋅、真空鍍（AL）、電鍍或化學(xué)鍍銅、粘貼金屬箔（Cu或AL）和涂覆導(dǎo)電涂料等。經(jīng)過(guò)金屬化處理之后，使完全絕緣的塑料表面或塑料本身（導(dǎo)電塑料）具有金屬那樣反射（如手機(jī)）。吸收、傳導(dǎo)和衰減電磁波的特性，從而起到屏蔽電磁波干擾的作用。實(shí)際應(yīng)用中，采用導(dǎo)電涂料作屏蔽涂層，性能優(yōu)良而且價(jià)格適宜。在需要屏蔽的地方，做成一個(gè)封閉的導(dǎo)電殼體并接地，把內(nèi)外兩種不同的電磁波隔離開。實(shí)踐表明，若屏蔽材料能達(dá)到30～40dB以上衰減量的屏蔽效果時(shí)，就是實(shí)用、可行的。
4.結(jié)束語(yǔ)
保證設(shè)備的電磁兼容是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)任務(wù)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題不存在萬(wàn)能的解決方法。電磁兼容技術(shù)涉及面很廣，電磁兼容領(lǐng)域也正在發(fā)展，重要的是掌握有關(guān)電磁兼容的基本原理，認(rèn)真分析和試驗(yàn)，就能選擇合適的解決問(wèn)題方法。
參考文獻(xiàn)
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[3]莫世禹.通信設(shè)備中的電磁兼容設(shè)計(jì)方法[D].南京：中國(guó)電子學(xué)會(huì)機(jī)械電子工程（微波）分會(huì)，電子機(jī)械與微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會(huì)，2006：58-62.
作者簡(jiǎn)介：
【關(guān)鍵詞】軍用設(shè)備；機(jī)載通信設(shè)備；機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.引言
機(jī)載通信電子設(shè)備一般為獨(dú)立設(shè)備，是機(jī)載電子系統(tǒng)中重要的組成部分。軍用設(shè)備通常在非常惡劣的環(huán)境下服役，工作環(huán)境、使用要求和用戶要求比其他電子設(shè)備更為嚴(yán)苛，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求具有特殊性。
為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)要求，機(jī)載平臺(tái)通信系統(tǒng)一直維持高科技化的發(fā)展，對(duì)軍用機(jī)載通信電子設(shè)備要求越來(lái)越高。對(duì)于機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足多功能、高性能、高可靠性、小型輕量化、通用化、維修快速化等要求。軍用通信設(shè)備研制周期短，產(chǎn)品變化多，往往是電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)并行，多專業(yè)同時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以成熟可靠的機(jī)箱設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，才能實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
2.設(shè)計(jì)要求
軍用機(jī)載通信設(shè)備的環(huán)境條件是用戶根據(jù)GJB 150A、GJB 367A或HB 5830系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)備的實(shí)際使用、運(yùn)輸、貯存環(huán)境制定的。
機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)滿足工作環(huán)境以及技術(shù)指標(biāo)要求：
1）機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)簡(jiǎn)捷，且細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)到位。零部件加工工藝性良好，機(jī)箱具有良好的操作維修性，便于裝配、調(diào)試、使用、維修。機(jī)箱的內(nèi)部走線工整，牢固。
2）機(jī)箱的模塊化設(shè)計(jì)程度高，繼承性高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用通用件、標(biāo)準(zhǔn)件。
3）機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮散熱，對(duì)于功率放大器件等熱耗大的器件，應(yīng)在方案設(shè)計(jì)階段闡明采取的熱設(shè)計(jì)措施。
4）機(jī)箱應(yīng)具有足夠的剛強(qiáng)度，能適應(yīng)搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)環(huán)境，機(jī)載通信設(shè)備在飛機(jī)行駛中的振動(dòng)環(huán)境下能正常工作。同時(shí)，還應(yīng)能適應(yīng)在使用、搬運(yùn)、裝卸和和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可能遭受的非重復(fù)性沖擊。
5）機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循小型化、輕量化要求，采用減重設(shè)計(jì)。
6）機(jī)箱應(yīng)有電磁兼容性設(shè)計(jì)。
7）機(jī)箱應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)，保證在氣候惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期服役。
3.機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
機(jī)箱是實(shí)現(xiàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)，通常也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要對(duì)象。通信設(shè)備通常為獨(dú)立的箱殼式機(jī)箱，按結(jié)構(gòu)形式可細(xì)分為鈑金式機(jī)箱、銑制機(jī)箱、焊接機(jī)箱、模塊化鋁材機(jī)箱等。除另有規(guī)定外，軍用機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)箱尺寸其附件應(yīng)符合GJB 441和GJB 780的規(guī)定。
軍用機(jī)載通信設(shè)備通常置機(jī)艙內(nèi)，根據(jù)GJB 376A要求，機(jī)箱的外觀為黑色（無(wú)光澤）。設(shè)備外觀及內(nèi)部模塊都應(yīng)有標(biāo)識(shí)，名牌安裝于設(shè)備明顯位置，內(nèi)容清晰、耐久，除非特殊規(guī)定，不使用不干膠作為設(shè)備名牌。機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮“三化”的要求，采用模塊化的設(shè)計(jì)，最大化統(tǒng)一螺紋規(guī)格，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件。機(jī)載設(shè)備的機(jī)箱要求小型化、輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段需采用減重措施。為滿足機(jī)箱安全性要求，機(jī)箱外觀不應(yīng)有尖銳棱角，外殼的不連續(xù)性（蓋板、窗口等）應(yīng)盡可能少，外露器件（接插件等）要有防護(hù)措施，前面板安裝把手可以在前面板向下放置時(shí)能保護(hù)面板上的突出器件，外部安裝的不連續(xù)使用的插座均應(yīng)裝保護(hù)罩，前后面板排布要美觀合理，設(shè)備超過(guò)10kg時(shí)考慮用雙把手，所有緊固件都要有效防松脫，機(jī)箱還應(yīng)有漏電保護(hù)措施等。
3.1 鈑金結(jié)構(gòu)機(jī)箱
鈑金結(jié)構(gòu)是軍用機(jī)載通信設(shè)備機(jī)箱的常見形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、規(guī)則、對(duì)稱、重量輕，而且有成本低和便于加工的優(yōu)點(diǎn)。鈑金結(jié)構(gòu)的機(jī)箱整體是由折彎零件裝配而成，具有良好的剛、強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1）材料選擇塑性好的防銹鋁，機(jī)箱用料厚度一致。
2）折彎內(nèi)緣半徑過(guò)小會(huì)引起開裂，而過(guò)大會(huì)產(chǎn)生回彈。應(yīng)以工藝要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，合理設(shè)計(jì)折彎內(nèi)徑，利用現(xiàn)有的折彎模具加工。
3）考慮鈑金零件機(jī)械加工的工藝性，如單邊折彎高度不宜過(guò)小，沖孔落料直接要有安全間距，以及彎邊沖孔邊距合理等問(wèn)題。
4）鈑金折彎后以彎邊為基準(zhǔn)的尺寸公差應(yīng)放至0.3mm較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)機(jī)箱外形、孔位等尺寸的精度，避免公差過(guò)高增加不必要的成本。
圖1是鈑金結(jié)構(gòu)機(jī)箱，圖2為銑制結(jié)構(gòu)機(jī)箱。
3.2 銑制結(jié)構(gòu)機(jī)箱
銑制機(jī)箱在軍用機(jī)載通信設(shè)備中非常普遍。銑制機(jī)箱結(jié)構(gòu)靈活、復(fù)雜，突破了其他種類傳統(tǒng)機(jī)箱的局限性。現(xiàn)代通信設(shè)備呈小型化、多功能化、外觀時(shí)尚化的發(fā)展趨勢(shì)，銑制機(jī)箱適應(yīng)性強(qiáng)，而且機(jī)箱銑加工成薄板和加強(qiáng)筋的形式利于增強(qiáng)整體剛度和減重。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1）銑制機(jī)箱螺紋全部屬于緊固連接螺紋，應(yīng)合理布置緊固處的間距，鋁合金強(qiáng)度不夠時(shí)應(yīng)采用不銹鋼螺套來(lái)增強(qiáng)螺紋強(qiáng)度。
2）機(jī)箱應(yīng)避免使用沉頭、半沉頭螺釘，且必有防松脫措施。
3）機(jī)箱的零部件設(shè)計(jì)，應(yīng)便于加工和裝夾，僅在必要時(shí)提高精度。
4）機(jī)箱外部的門、板應(yīng)方便拆卸。裝配、維修方便，避免使用特制工具。
3.3 焊接結(jié)構(gòu)機(jī)箱
焊接機(jī)箱框架牢固且剛、強(qiáng)度高，焊接縫強(qiáng)度高于基材的一半。軍用設(shè)備工作于惡劣的機(jī)械環(huán)境中，焊接機(jī)箱在抗沖擊和振動(dòng)的性能優(yōu)越。軍用機(jī)載通信設(shè)備機(jī)箱的焊接結(jié)構(gòu)常采用真空釬焊，其他種類的焊接也多有應(yīng)用。焊接機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1）航空鋁合金中3A21、5A06、5A05、6061、6063適用于手弧焊、電子束焊、點(diǎn)焊。在真空釬焊爐加熱溫度不大于800℃的條件下，只有3A21、6063適合用于釬焊（因?yàn)殁F焊溫度低）。
2）采用鋁合金3A21、6063焊縫致密度較好，但應(yīng)避免垂直焊縫，焊接面的寬度不小于10mm。焊前用不銹鋼或與母材同材質(zhì)的螺釘緊固被焊零件，螺釘間距20-30mm為宜，精度要求高處采用不銹鋼圓柱銷定位。
3）機(jī)箱采用等厚度的板料焊接，不等厚時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)以達(dá)到等厚。使用手弧焊主要用V型坡口，板厚度不大于3mm可以不設(shè)計(jì)坡口。
4）焊后加工會(huì)削弱焊縫強(qiáng)度，應(yīng)避免焊后加工。
圖3是焊接結(jié)構(gòu)模塊化的機(jī)箱，圖4為模塊化結(jié)構(gòu)機(jī)箱。
3.4 模塊化機(jī)箱設(shè)計(jì)
模塊化設(shè)計(jì)是軍用通信設(shè)備的顯著特點(diǎn)。歐美有SEM-E、ASAAC標(biāo)準(zhǔn)模塊規(guī)范等，國(guó)內(nèi)也制定了GJB 1422、HB 7091和HB 7092等針對(duì)航空機(jī)載電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)=通用模塊（大量）+專用模塊（少量）+模塊連接器。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員只需注重專用的結(jié)構(gòu)形式和接口設(shè)計(jì)，而不必從頭開始，可以有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，縮短研制周期。
通信電子設(shè)備常見的模塊劃分：電源模塊、接口及數(shù)據(jù)處理、終端模塊、信道模塊、功率放大模塊。模塊間的電路互聯(lián)主要有低頻、射頻，有時(shí)會(huì)有光纖等模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1）模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)是有效的利用空間，尺寸與重量盡量小，一般能夠單人手持。
2）模塊應(yīng)是可維修、更換的，并且在正常安裝位置或從設(shè)備卸下時(shí)都能較容易地對(duì)其調(diào)試測(cè)試。模塊上應(yīng)使用快速分離式連接器，分離時(shí)不需要使用工具（或只需一般手工工具）。同一模塊接插件數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)考慮到插拔受力。
3）盲插模塊需用導(dǎo)向裝置和定位銷的導(dǎo)向與定位，安裝模塊時(shí)可輕易對(duì)準(zhǔn)，而且一定要有防插錯(cuò)的措施。盲插模塊接插件要有浮動(dòng)量，對(duì)于射頻接口浮動(dòng)量以1.5mm為宜，避免過(guò)小或過(guò)大。
4）固定模塊用的緊固件應(yīng)容易拆卸，要防止緊固件掉入設(shè)備，盡量使用松不脫組合螺釘。
4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
4.1 熱設(shè)計(jì)
軍用機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本理論和計(jì)算方法以及熱可靠性分析與鑒定的方法在GJB/Z 27、QJ 1474均有詳述。機(jī)載通信設(shè)備內(nèi)部的高密度集成電路和功率放大部位熱密度很高，散熱設(shè)計(jì)往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。
設(shè)備機(jī)箱在方案階段的設(shè)計(jì)方法，多數(shù)借助數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)模擬熱環(huán)境輔設(shè)計(jì)。最常用的熱分析軟件有FLOTHERM和ICEPAK，它們利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD：Computational Fluid Dynamic）和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)來(lái)模擬電子設(shè)備中的流體流動(dòng)、熱傳輸以及熱輻射（邊界條件），并以此計(jì)算電子設(shè)備周圍的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)。熱分析軟件的瞬態(tài)分析計(jì)算量非常大，因此絕大多采用穩(wěn)態(tài)的分析的方法，而且允許有較大（30%左右）的誤差。
軍用機(jī)載通信設(shè)備的工作環(huán)境溫度，以技術(shù)協(xié)議為依據(jù)，溫度范圍可達(dá)-50℃～+75℃。不少設(shè)備考慮占空比的因素后，平均熱功率仍不少于200W，機(jī)箱強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式被普遍采用。機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1）冷卻空氣的入口應(yīng)遠(yuǎn)離其他設(shè)備熱空氣的出口。
2）機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)箱內(nèi)的熱耗分布，為機(jī)箱內(nèi)部單元設(shè)計(jì)傳熱、散熱的途徑，必要時(shí)采用熱絕緣或熱屏蔽措施。功放管等器件熱耗突出，在機(jī)箱熱設(shè)計(jì)中要著重分析。
3）選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)具備合適的風(fēng)機(jī)尺寸和風(fēng)量，還要考慮到風(fēng)機(jī)的噪聲（轉(zhuǎn)速）、電磁干擾、振動(dòng)、振幅等因素對(duì)機(jī)箱內(nèi)的影響，要充分考慮風(fēng)機(jī)的可靠性。鼓風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓大、風(fēng)量集中，很適用于局部冷卻，應(yīng)盡量使風(fēng)機(jī)保持良好的工作點(diǎn)；抽風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)量大、負(fù)壓分布均勻，對(duì)流道結(jié)構(gòu)的要求比鼓風(fēng)低，但要避免氣流“短路”。通過(guò)風(fēng)機(jī)的特性曲線找出合適的工作點(diǎn)，作為仿真結(jié)果的對(duì)比。風(fēng)機(jī)有工作溫度范圍，不能超限值工作，有時(shí)必要配置風(fēng)機(jī)的控制電路。
4）強(qiáng)迫風(fēng)冷若不滿足要求，則首先應(yīng)優(yōu)化散熱器的幾何參數(shù)。增加肋片高度和肋片數(shù)，可以增加散熱表面積。但當(dāng)肋片增加到一定數(shù)量時(shí)，肋片間距變小，導(dǎo)致流過(guò)肋片的風(fēng)量變小，同時(shí)肋片間的溫度會(huì)相互影響，所以，增加表面積須考慮流動(dòng)阻力。
5）熱設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)（電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)）要同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí)應(yīng)權(quán)衡解決，但不得損害電氣性能。
4.2 隔振設(shè)計(jì)
軍用機(jī)載通信設(shè)備對(duì)隔振的要求很高，必要時(shí)會(huì)使用多級(jí)隔振技術(shù)。機(jī)箱通常選用剛度較大的隔振器，而不耐振的器件則選用剛度小的局部隔振器或采用加固的方式。機(jī)載通信設(shè)備減振系統(tǒng)中，鋼絲繩隔振器、金屬網(wǎng)阻尼隔振器、金屬干摩擦式隔振器（即無(wú)諧振峰隔振器）比較常見。對(duì)振動(dòng)敏感的器件通常采用體積小的橡膠隔振器或隔振墊。具體隔振設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1）機(jī)箱的設(shè)計(jì)應(yīng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛性（應(yīng)對(duì)較低的激振頻率），避免懸臂結(jié)構(gòu)和明顯的應(yīng)力集中。
2）機(jī)箱中重量大于7g的獨(dú)立器件，均應(yīng)考慮隔振加固，無(wú)法安裝隔振器可用有彈性的膠狀物質(zhì)充在需要隔離的部位。
3）緊固機(jī)箱的安裝架采用鋁合金鈑金結(jié)構(gòu)，盡量用鉚接或螺紋連接，以提高阻尼。應(yīng)避免使用焊接，以防開裂。
4）選擇隔振器須符合設(shè)備機(jī)箱的環(huán)境要求，尺寸盡量小、隔振效率盡量高。根據(jù)設(shè)備總重量及設(shè)備重心位置，遵循幾何對(duì)稱布置原則，確定每個(gè)隔振器的實(shí)際承載量。隔振器不超過(guò)額定載荷使用，如果各支撐點(diǎn)的載荷相差較大，則應(yīng)采用同一型號(hào)不同剛度的隔振器。安裝隔振器的部件應(yīng)該具有最高的強(qiáng)度，隔振器間距應(yīng)盡可能大，但要避免設(shè)備在靜載荷、動(dòng)載荷下發(fā)生彎曲變形。
4.3 電磁兼容設(shè)計(jì)
通信電子設(shè)備多是對(duì)靜電放電和磁場(chǎng)敏感的設(shè)備，應(yīng)采取諸如接地、隔離、屏蔽等措施以提高電磁兼容性。結(jié)構(gòu)的電磁兼容性設(shè)計(jì)應(yīng)與設(shè)備電氣設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，并按照GJB/Z 25標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)。機(jī)箱電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1）通信設(shè)備主要是高頻屏蔽，對(duì)此屏蔽體材料須選用良導(dǎo)體，如銅、鋁等，還需進(jìn)行表面處理，增加表面導(dǎo)電能力（對(duì)于低頻屏蔽體選用磁性材料，如鐵等）。
2）機(jī)箱上必有接地裝置（通常為通用件），用于接地的所有金屬或其它電氣連接件導(dǎo)電處應(yīng)良好緊固接觸，無(wú)間隙以及油漆等涂料。
3）機(jī)箱蓋板的緊固件間距，通常使用1/4屏蔽波長(zhǎng)。
4）機(jī)箱選用的導(dǎo)電材料應(yīng)考慮抗腐蝕能力，并滿足環(huán)境條件。導(dǎo)電橡膠條粘接用703硅橡膠分段單點(diǎn)粘接，每隔2.5cm～5.0cm分一點(diǎn)，切忌整段粘接。
4.4 三防設(shè)計(jì)
機(jī)載設(shè)備機(jī)箱考慮到材料的強(qiáng)度、剛度，一般選用鋁鎂合金作為主要材料。三防設(shè)計(jì)是機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，設(shè)計(jì)的相關(guān)要求應(yīng)符合GJB/Z80標(biāo)準(zhǔn)。軍用機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)箱均需滿足GJB 150A所規(guī)定的濕熱、鹽霧、霉菌試驗(yàn)要求，三防設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
外表防護(hù)層選用氟聚氨酯漆，其耐候性優(yōu)于丙烯酸聚氨酯漆。外表油漆不撒花比撒細(xì)花耐霉菌能力好。
2）機(jī)箱中所用不銹鋼零件須進(jìn)行鈍化處理，銅合金進(jìn)行鍍鎳、鍍銀或鍍金。
3）因?yàn)闀?huì)變色，鍍銀通常用于機(jī)箱內(nèi)部。在沒有導(dǎo)電性能要求的地方，可用三防漆防護(hù)鍍銀層。
4）機(jī)箱外部接插件外殼首選不銹鋼材質(zhì)鈍化，其次是防銹鋁合金表面鍍鎘。
5）機(jī)箱的接地柱和有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的器件，不能涂敷三防漆和油漆。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文是在實(shí)際工程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，概況闡述了軍用機(jī)載通信設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的要點(diǎn)，對(duì)同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考借鑒意義。技術(shù)進(jìn)步要通過(guò)不斷創(chuàng)新，只有遵從科學(xué)原理，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和成果，方能減少設(shè)計(jì)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)
[1]GJB367A-2001.軍用通信設(shè)備通用規(guī)范[S].總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2001，9.
[關(guān)鍵詞]熱設(shè)計(jì)；熱仿真分析；輔助設(shè)計(jì)；提高工作效率；節(jié)省設(shè)計(jì)成本
中圖分類號(hào)：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）34-0248-02
1 引言
隨著我國(guó)軍事工業(yè)的不斷發(fā)展，軍工電子設(shè)備在保證其使用的可靠性、密閉性能的同時(shí)，還對(duì)設(shè)備的小型化和外觀等提出了更高的要求。另一方面，設(shè)備內(nèi)部使用的電子元器件及電子設(shè)備功率密度也在不斷增加。如果在密閉的環(huán)境內(nèi)，各種發(fā)熱元件散發(fā)出來(lái)的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)造成熱量的積聚，從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過(guò)各自所能承受的溫度極限，使得這些電子設(shè)備的可靠性大大降低，甚至使設(shè)備喪失工作能力。有資料表明，電子設(shè)備的失效率有55%是由于溫度超過(guò)了規(guī)定值而引起的。環(huán)境溫度每增長(zhǎng)10℃， 電子設(shè)備的失效率增大一倍以上，10 ℃法則給出了電子元器件的失效率隨溫度增加的變化規(guī)律，說(shuō)明了熱設(shè)計(jì)在電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是不可忽視的環(huán)節(jié)。因此，研究散熱方法，改善散熱方式，提高冷卻效果，對(duì)提高電子產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性都具有十分重要的意義。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，利用傳熱學(xué)中大量的公式、表格，通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行分析的，而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)就只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)獲得。本文詳細(xì)介紹了利用ANSYS軟件對(duì)某軍工密封式電子設(shè)備的復(fù)雜散熱器件進(jìn)行仿真、輔助設(shè)計(jì)，節(jié)省設(shè)計(jì)成本的過(guò)程。
2 某密封式電子設(shè)備上散熱器件的設(shè)計(jì)思路
2.1 某密封式電子設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)
某密封式電子設(shè)備中的功能單元板上有兩個(gè)75W的功放晶體管，設(shè)備正常工作時(shí)分收發(fā)兩個(gè)時(shí)段，發(fā)射和接收時(shí)間比例大約為1：3，發(fā)射時(shí)功放功率最大為150W，有效輸出功率為50W，接收時(shí)功放功率小于70W，有效輸出功率約20W。由于該功能模塊的發(fā)熱功率比較大，最大時(shí)可以達(dá)到100W；且該設(shè)備有密封防水性要求，因此要求單元板在設(shè)備內(nèi)部所處的空間是密閉空間。要求在不改變?cè)O(shè)備外輪廓的前提下分析晶體管直接通過(guò)導(dǎo)熱硅膠粘在翅片式散熱器上通過(guò)自然散熱時(shí)，晶體管和單元板的溫度變化能否滿足電路板和芯片正常工作的溫度要求，并對(duì)散熱器的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。
該密封式電子設(shè)備的工作參數(shù)如下：
1、正常工作溫度范圍：-40℃―55℃；
2、在60℃高溫環(huán)境下開機(jī)試驗(yàn)，設(shè)備可以連續(xù)正常工作4小時(shí)以上；
3、設(shè)備在工作溫度范圍內(nèi)的溫度應(yīng)該小于內(nèi)部單元板上電子元器件的結(jié)溫。一般來(lái)講，晶體管正常工作時(shí)的溫度應(yīng)控制在 90℃以下，單元電路板上元器件的溫度控制在80℃以下。
2.2 某密封式電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成
某密封式電子設(shè)備的外觀如圖所示
右側(cè)為盒體，左側(cè)有散熱凹槽部分即為后蓋板，本文討論的散熱器件即為后蓋板。
打開設(shè)備，盒體內(nèi)部印制板上有兩個(gè)發(fā)熱源，功率各為75W，共150W。后蓋板根據(jù)散熱要求，初步設(shè)計(jì)如圖。
3 ANSYS輔助設(shè)計(jì)
3.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的改進(jìn)
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)后，后蓋板如圖：
3.2 ANSYS仿真的應(yīng)用
由于該芯片的熱分析屬于典型的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)分析，因此選用了ANSYS 中Workbench里面的專業(yè)電子設(shè)備機(jī)箱級(jí)、芯片級(jí)、封裝級(jí)的熱分析軟件模塊ICEPAK來(lái)完成本次熱分析。
導(dǎo)入后蓋板模型如圖：
劃分網(wǎng)格如圖：
對(duì)建立完成的后蓋板散熱模塊熱分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后檢查網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，網(wǎng)格劃分后產(chǎn)生87450個(gè)單元和94588個(gè)節(jié)點(diǎn)，面匹配系數(shù)幾乎全部接近于1，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高。如圖所示：
計(jì)算過(guò)程
網(wǎng)格劃分后，需要進(jìn)行求解前的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置求解的步驟為100步，流體和能量殘差為系統(tǒng)默認(rèn)值，打開solution setting 中的basic settings 窗口，點(diǎn)擊reset，得到系統(tǒng)Rayleigh number 為2.23e6，并打開輻射radiation開關(guān)，設(shè)置重力方向，重力大小都選擇為默認(rèn)值，隨后設(shè)置環(huán)境溫度、輻射溫度、默認(rèn)流體等等，最后設(shè)置求解時(shí)電腦處理器為“并行”運(yùn)行，加快求解速度，減少求解時(shí)間。如圖所示：
求解
進(jìn)行完求解參數(shù)設(shè)置后，就可以如圖所示進(jìn)行求解，并打開求解監(jiān)視器開關(guān)，以詳細(xì)直觀地觀察求解過(guò)程中的步驟和收斂情況。
后處理過(guò)程
求解結(jié)束后，可以通過(guò)如下圖所示的ICEPAK軟件后處理模塊，查看模型的熱分布情況，熱流矢量圖，切面溫度分布等情況。
4 后蓋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了解后蓋板的散熱性能對(duì)后蓋板翅片的參數(shù)敏感度，本文針對(duì)相同厚度和高度散熱翅的個(gè)數(shù)、相同個(gè)數(shù)和高度散熱翅片的厚度、以及相同厚度和個(gè)數(shù)的散熱翅片的高度等參數(shù)對(duì)于散熱器穩(wěn)態(tài)溫度的影響進(jìn)行了多次熱分析。
4.1 后蓋板翅片個(gè)數(shù)不同時(shí)的熱分析
后蓋板中散熱翅片厚6.5mm，高24mm，環(huán)境溫度60℃時(shí)，后蓋板翅片個(gè)數(shù)為19個(gè)、23個(gè)和27個(gè)時(shí)后蓋板的穩(wěn)態(tài)熱分析溫度分布如圖
由此可知，散熱翅片個(gè)數(shù)越多，后蓋板穩(wěn)態(tài)熱分析下，散熱的最高溫度越低。
4.2 后蓋板翅片厚度不同時(shí)的熱分析
后蓋板中散熱翅片個(gè)數(shù)為24個(gè)，翅片高24mm，環(huán)境溫度60℃時(shí)，翅片厚5mm、6mm和7mm時(shí)，后蓋板的穩(wěn)態(tài)熱分析溫度分布如圖
4.2.3 后蓋板翅片厚度為7mm的穩(wěn)態(tài)分析溫度分布圖
由此可知，散熱翅片越厚，后蓋板穩(wěn)態(tài)熱分析下，散熱的最高溫度越高。
4.3 后蓋板翅片高度不同時(shí)的熱分析
后蓋板中散熱翅片個(gè)數(shù)為23個(gè)，翅片厚6.5mm，環(huán)境溫度60℃時(shí)，翅片高20mm、28mm和36mm時(shí)散熱器的穩(wěn)態(tài)熱分析溫度分布如圖
由此可知，散熱翅片越高，后蓋板穩(wěn)態(tài)熱分析下，散熱的最高溫度越低。
5 結(jié)果分析
從熱分析的結(jié)果來(lái)看，后蓋板的散熱翅片的個(gè)數(shù)越多，散熱翅片的高度越高，散熱翅片的厚度越薄，散熱的效果越好。但是，從該密封式電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝分析和美觀程度來(lái)看，后蓋板散熱翅片的個(gè)數(shù)也不能越多越好，散熱翅片的厚度也不是越薄越好，散熱翅片的厚度也不能加工地越高越好。在滿足后蓋板散熱的前提下，從實(shí)際需要，加工效率和加工成本等多方面考慮，故采用后蓋板散熱翅片的個(gè)數(shù)為23個(gè)，散熱翅片的厚度為5mm，散熱翅片的高度為24mm。
參考文獻(xiàn)
[1] 邱成悌，趙C殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2005
[2] 付桂翠，高澤溪，方志強(qiáng)，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程，2004 （1）：13-16
關(guān)鍵詞: 參數(shù)化設(shè)計(jì)；工程圖；三維模型；Pro/ Engineer
中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2011)04-0906-02
The Radar Electronic Cabinet Parameterized Design Based on Pro/ E
REN Hai-lin, PAN Yong-qiang
(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230031, China)
Abstract：According to its characteristics and procedures in the design, the structure design of the radar electronic cabinet parameterized design of Pro/ E so as to shorten design period of product, avoid repetitive design and improve design efficiency.
Key words：parametric design; drawing; 3D model; Pro/Engineer
電子設(shè)備機(jī)箱是雷達(dá)電子設(shè)備的載體，是雷達(dá)裝備的重要組成部分。從發(fā)射、接收、信號(hào)處理到終端，幾乎每一個(gè)分系統(tǒng)都離不開機(jī)箱的應(yīng)用。隨著軍事裝備的研制周期不斷縮短，需求的日益多樣化，帶來(lái)了設(shè)計(jì)時(shí)間緊，設(shè)計(jì)任務(wù)重的嚴(yán)峻局面。而電子設(shè)備機(jī)箱基本上都執(zhí)行有關(guān)國(guó)標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)的規(guī)定，機(jī)箱外形多呈扁平長(zhǎng)方體，一般由機(jī)箱框架和若干板組成?？蚣苁菣C(jī)箱承載的主體，所有的插件、底座、面板等都立足其上，如每次都重新設(shè)計(jì)，不僅增加重復(fù)勞動(dòng)，且出圖工作量也很大；而且也占用設(shè)計(jì)師的大部分時(shí)間和精力，延誤了新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。
在我們應(yīng)用由美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司( PTC)開發(fā)的Pro/ Engineer軟件（基于參數(shù)化設(shè)計(jì)思想而發(fā)展起來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件）后，這一局面得到大大的改善。 我們利用它的參數(shù)化和全相關(guān)功能強(qiáng)大的實(shí)體造型技術(shù), 以及全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改的主要特點(diǎn)，進(jìn)行二次開發(fā)從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智能引導(dǎo)設(shè)計(jì)。以下就電子設(shè)備機(jī)箱的設(shè)計(jì)來(lái)介紹下基于Pro/E的智能引導(dǎo)設(shè)計(jì)。
1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)
參數(shù)化設(shè)計(jì)亦稱尺寸驅(qū)動(dòng), 就是將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果用靈活可變的參數(shù)來(lái)表示, 以便根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)加以更改。它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。
目前參數(shù)化技術(shù)大致可分為如下三種方法：1）基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法；2）基于幾何原理的人工智能方法；3）基于特征模型的造型方法。我們采用基于特征模型的造型方法。特征造型方法是三維實(shí)體造型方法的新發(fā)展, 是CAD 建模方法的一個(gè)新里程碑, 它是在CAD/ CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展達(dá)到一定水平, 要求進(jìn)一步提高生產(chǎn)組織集成化和自動(dòng)化程度的產(chǎn)物。該文應(yīng)用Pro/ E 軟件的參數(shù)化和強(qiáng)大的全相關(guān)功能的實(shí)體造型技術(shù), 以電子設(shè)備機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例, 來(lái)實(shí)現(xiàn)插箱的三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的工程圖的自動(dòng)生成。
2 基本原理
基于Pro/E的雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分為零件設(shè)計(jì)、裝配、工程圖三個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。Pro/E三維的設(shè)計(jì)過(guò)程全相關(guān)性；這使得設(shè)計(jì)者在任何階段對(duì)設(shè)計(jì)的修改都會(huì)影響到其它階段, 設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常靈活和輕松, 大大提高了設(shè)計(jì)效率。我們采用的是三維模型與程序控制相結(jié)合的方式。三維模型（包含零件設(shè)計(jì)、裝配）的創(chuàng)建是手工創(chuàng)建的，在已創(chuàng)建的三維模型及其對(duì)應(yīng)的工程圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求建立一組可以完全控制三維模型外形和大小的設(shè)計(jì)參數(shù)。這樣就可以通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的修改來(lái)生生成新的三維模型，進(jìn)而利用Pro/ E 軟件的全相關(guān)功能帶來(lái)工程圖的自動(dòng)生成。（為了與一般的三維模型相區(qū)別，我們稱這種帶有參數(shù)化的模型為三維模型模板。）
3 參數(shù)化的三維模型模板及其相應(yīng)的工程圖的創(chuàng)建
設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品要求和零件的功能入手, 對(duì)產(chǎn)品的每個(gè)零件建立三維模型及其相應(yīng)的工程圖。零件和裝配可以統(tǒng)稱為模型, 所以本文此處所述的三維模型包括三維零件模型和裝配模型兩個(gè)部分。三維模型模板的建立與一般的三維模型大體上是相同的，主要有以下幾點(diǎn)需要注意：
1) 在繪制二維截面的繪制過(guò)程中，要盡量用相切、同心、共線、垂直及對(duì)稱等關(guān)系與尺寸的相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行約束，盡量減少尺寸的數(shù)量。
2）正確設(shè)置控制三維模型的參數(shù)。設(shè)計(jì)參數(shù)可以分為兩種：一是主參數(shù)，與其他參數(shù)無(wú)關(guān)的獨(dú)立參數(shù)；另一種次參數(shù)，是與其他參數(shù)相關(guān)的參數(shù)。主參數(shù)主要來(lái)控制三維模型的外形及拓補(bǔ)關(guān)系。而次參數(shù)主要是用主參數(shù)為自變量的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。
3）正確建立主參數(shù)與三維模型的尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系。主要兩種方法可以使它們關(guān)聯(lián)：一是在創(chuàng)建特征的過(guò)程中，在輸入尺寸的值時(shí)，直接輸入?yún)?shù)名；另外的就是在Pro/ E 軟件的關(guān)系式功能中建立特征的尺寸與主參數(shù)的關(guān)系，類似于賦值如d1=總長(zhǎng)。這里推薦后一種方式。這樣一來(lái)創(chuàng)建三維模型時(shí)就可以不考慮參數(shù)的問(wèn)題，完成以后再建立它們之間的關(guān)系不容易錯(cuò)和遺漏，并且便于修改。
4 詳細(xì)設(shè)計(jì)
機(jī)箱一般是由插箱、插件、面板、導(dǎo)軌等組合而成的（見圖1）。
4.1 機(jī)箱的外形
根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)機(jī)箱常用的系列如下：按照寬度系列有19inch（482.6mm）和24 inch（609.6mm）2個(gè)系列。按照高度系列有H有4U、5U、6U、7U、8U等（U=44.45mm）4個(gè)系列。按照深度系列有352.24mm、412.24mm、472.24mm 3個(gè)系列。
4.2 機(jī)箱的內(nèi)部布局
內(nèi)部從左向右依次放置插件或者假面板，它們的寬度一般都是N（5.08）的倍數(shù)，直到布滿為止。
據(jù)此我們創(chuàng)建三個(gè)數(shù)值型主參數(shù)來(lái)控制機(jī)箱的外形的變型；創(chuàng)建一個(gè)數(shù)值型參數(shù)用來(lái)輸入插件或面板的寬度，利用野火的程序模塊功能創(chuàng)建判斷語(yǔ)句去自動(dòng)判斷機(jī)箱是否布滿，如沒有布滿則提示剩下的面板的寬度，如果沒有布滿，提示繼續(xù)輸入插件或面板的寬度。
menu program edit design ,在Pro/ e 所提供的記事本中進(jìn)行編程。在INPUT END INPUT 建立這參數(shù)如下：
1）機(jī)箱深度NUMBER
"機(jī)箱的深度：請(qǐng)根據(jù)需要選擇352.24、412.24、472.24中的一個(gè)數(shù)值"。
2）機(jī)箱寬度NUMBER
"機(jī)箱的寬度：請(qǐng)根據(jù)需要選擇482.6mm （19inch）或者609.6mm （24inch）中的一個(gè)數(shù)值"。
3）機(jī)箱高度NUMBER
"機(jī)箱的高度：請(qǐng)根據(jù)需要選擇4U、5U、6U、7U、8U中的一個(gè)數(shù)值"。
4）插件寬度NUMBER
"插件或面板的寬度5.08的整數(shù)倍"。
在雷達(dá)機(jī)箱的裝配模式下，打開Pro/ E 軟件的關(guān)系式功能，然后創(chuàng)建基于這些參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系。（見圖2）
打開機(jī)箱的工程圖選擇再生,系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)提示, 詢問(wèn)用戶是否要對(duì)該機(jī)箱的主參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 用戶可以根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選取，對(duì)其重新賦值，確認(rèn)后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)你所輸入的值自動(dòng)生成新的工程圖。（見圖3）
5 結(jié)論
該文通過(guò)三維軟件Pro/ Engineer的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，以雷達(dá)機(jī)箱為例,論證了參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)際多次應(yīng)用，表明利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段來(lái)進(jìn)行雷達(dá)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎及重復(fù)性的繪圖工作中解脫出來(lái)，可以大大提高設(shè)計(jì)速度，改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。
參考文獻(xiàn)：
[1] 林清安.Pro/ Engineer2001 零件裝配[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.
首先分析機(jī)柜設(shè)計(jì)中常用的幾種散熱方式，例舉了機(jī)柜通風(fēng)孔設(shè)計(jì)中常見的幾種設(shè)計(jì)形式及其對(duì)應(yīng)的通風(fēng)率計(jì)算公式，然后從機(jī)柜整體設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將通風(fēng)孔設(shè)計(jì)作為機(jī)柜總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要元素，最后闡述了通風(fēng)孔設(shè)計(jì)與視覺傳達(dá)藝術(shù)與設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系。
關(guān)鍵詞：
民用雷達(dá)；電子設(shè)備；熱設(shè)計(jì)；通風(fēng)孔
電子科技的發(fā)展日新月異，電子設(shè)備中元器件和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也日趨小型化，這使得單位空間的設(shè)備越來(lái)越多，設(shè)備在相同的空間中功率也直線上升，電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)成為總體設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。因此，對(duì)電子設(shè)備必須配置冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。在民用雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，機(jī)柜是最常見的設(shè)備之一，機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)是民用雷達(dá)電子設(shè)備設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到機(jī)柜內(nèi)設(shè)備是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。高溫對(duì)于大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會(huì)引起電子元器件的失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的癱瘓。因此散熱設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，在民用雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜熱設(shè)計(jì)中，散熱方式多種多樣，風(fēng)冷是常用的熱設(shè)計(jì)方式之一。設(shè)計(jì)師需根據(jù)機(jī)柜中插箱、插件的數(shù)量、位置及發(fā)熱元器件的位置來(lái)綜合考慮風(fēng)扇的選型、風(fēng)道的路徑選擇以及合適的通風(fēng)孔位置和通風(fēng)孔型[1]。
1民用雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜散熱形式分析
機(jī)柜是民用雷達(dá)電子設(shè)備的重要載體，其散熱形式對(duì)民用雷達(dá)電子設(shè)備有著至關(guān)重要的作用。散熱形式有很多，包括自然冷卻、強(qiáng)迫冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電制冷、熱管制冷等。自然冷卻，是指利用外力迫使流體流過(guò)發(fā)熱器件進(jìn)行冷卻的方法。包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合。自然冷卻方法一般適用于功率較小的電子元器件，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需額外的散熱設(shè)備可靠性較強(qiáng)。其主要的散熱方式為金屬導(dǎo)熱。強(qiáng)迫冷卻是利用外力迫使流體流過(guò)發(fā)熱器件進(jìn)行冷卻的方法，其包括強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液態(tài)冷卻等，設(shè)備在熱流密度大于0.08W/cm2，體積功率密度超過(guò)0.08W/cm3時(shí)，就需要適用強(qiáng)迫風(fēng)冷或液冷的形式對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻，這也是最常用的散熱方法。風(fēng)冷是指利用通風(fēng)機(jī)或機(jī)組將設(shè)備中熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)風(fēng)道傳遞至熱沉。蒸發(fā)冷卻是利用液體汽化吸收大量汽化熱進(jìn)行冷卻的方法。熱電制冷是利用半導(dǎo)體期間的熱電效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)電與熱轉(zhuǎn)換的制冷方法[2]。
2機(jī)柜通風(fēng)孔開孔形式及開孔率計(jì)算
通風(fēng)孔的形式多種多樣，在民用雷達(dá)電子設(shè)備的機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)中我們常用的通風(fēng)孔型有圓孔、方孔、腰形孔、蜂窩孔等，不同的孔型其散熱效率有著不同的差別。在設(shè)計(jì)通風(fēng)孔時(shí)，需要根據(jù)元器件上的熱源位置、功率、風(fēng)扇位置、機(jī)柜內(nèi)部及外部環(huán)境來(lái)綜合考慮通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)形式。在熱設(shè)計(jì)中，開孔率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，下頁(yè)圖中分別例舉了不同的通風(fēng)孔開孔率計(jì)算公式。圖1例舉了三種圓孔的開孔率計(jì)算公式，圖2例舉了兩種腰形孔的開孔計(jì)算公式，圖3例舉了兩種方孔的開孔率計(jì)算公式，圖4例舉了蜂窩孔的開孔率計(jì)算公式。
3雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜前面板通風(fēng)孔的統(tǒng)一性設(shè)計(jì)
在民用雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜中,分布著若干不同的單元,它們大多是以標(biāo)準(zhǔn)的插件或插箱的形式存在，在這些插件及插箱中，有自然散熱設(shè)備也有需要通過(guò)風(fēng)機(jī)散熱的設(shè)備，那么其外露面板就需要進(jìn)行通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)。以工業(yè)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從機(jī)柜整體設(shè)計(jì)出發(fā)，機(jī)柜面板通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)柜整體設(shè)計(jì)的美觀性。在滿足散熱需求的基礎(chǔ)之上，統(tǒng)一形式的通風(fēng)孔會(huì)讓機(jī)柜更加整潔[3]。在視覺傳達(dá)藝術(shù)與設(shè)計(jì)中，平面構(gòu)成是視覺設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，平面構(gòu)成主要是運(yùn)用點(diǎn)、線、面的律動(dòng)組合構(gòu)成不同的畫面形式。平面構(gòu)成中通常會(huì)使用到形式美法則，它包括圖形的節(jié)奏與韻律，對(duì)比與調(diào)和，對(duì)稱與均衡和變化與統(tǒng)一。在機(jī)柜面板的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)中，我們可以將孔作為一個(gè)點(diǎn)狀元素，點(diǎn)的組合形成線狀元素，線的組合又演變?yōu)槊娴脑?，因此通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)在遵循熱設(shè)計(jì)的基本條件之上，可遵循一定的形式美法則。形式美法則中節(jié)奏與韻律、變化與統(tǒng)一原則，在通風(fēng)孔設(shè)計(jì)中可適當(dāng)應(yīng)用。節(jié)奏是指均勻的重復(fù)，是在不斷重復(fù)中產(chǎn)生頻率節(jié)奏變化，韻律在平面設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)為圖形在組織上合乎某種規(guī)律時(shí)所給人視覺和心理上的節(jié)奏感，有規(guī)律的節(jié)奏與韻律變化給你以輕松、優(yōu)雅的感覺，如圖5所示。這種規(guī)律應(yīng)用于通風(fēng)孔設(shè)計(jì)中，會(huì)給使用機(jī)柜的人帶來(lái)一種輕松、愉悅的感覺，相反雜亂無(wú)章的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)從視覺傳達(dá)的角度來(lái)看，會(huì)讓人感覺疲勞、煩躁，如圖6所示。變化與統(tǒng)一原則，在通風(fēng)孔設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為孔型在整個(gè)面板中的數(shù)量、排序及大小的變化，根據(jù)不同的面板寬度來(lái)綜合考慮通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)，從整體上來(lái)看遵循一定的規(guī)律，有一定的統(tǒng)一性。
參考文獻(xiàn)
[1]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2001(12):56-68.
【關(guān)鍵詞】機(jī)加工；耐腐蝕；5A06鋁
0 引言
艦載電子設(shè)備在濕度高和鹽霧惡劣的條件下工作，所以防潮濕、防鹽霧、防霉菌的“三防”是設(shè)計(jì)艦載電子設(shè)備必須要考慮的因素。處于高濕度環(huán)境中的材料，水汽會(huì)吸附于物體表面或凝結(jié)成水膜，會(huì)通過(guò)擴(kuò)散、滲透、呼吸進(jìn)入材料或設(shè)備內(nèi)部，會(huì)加快材料的破壞程度，如沿海地區(qū)存在鹽霧，對(duì)材料有極強(qiáng)的破壞作用。
用于艦載電子設(shè)備的材料選擇大量使用硬鋁2A12，盡管其重量輕，強(qiáng)度高，但易腐蝕缺陷成為電子設(shè)備交付及交付后主要的質(zhì)量問(wèn)題之一，尤其在海洋上使用，腐蝕速度極快，腐蝕程度嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速下降，非但無(wú)法在實(shí)際使用中體現(xiàn)強(qiáng)度高的特性，反而因腐蝕造成產(chǎn)品外觀低劣。
1 研究方法和內(nèi)容
艦載電子設(shè)備用于惡劣的環(huán)境中，面臨著鹽霧、銹蝕、霉菌、老化等各種環(huán)境問(wèn)題，，應(yīng)盡量選用耐腐蝕性好的金屬材料和不長(zhǎng)霉菌、耐老化的非金屬材料。
為了使電子產(chǎn)品能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，提高艦載電子設(shè)備產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)行了防銹鋁5A06和硬鋁2A12的抗腐蝕性能、機(jī)械性能和加工性能的比較驗(yàn)證。以期在產(chǎn)品研制中做到材料的正確應(yīng)用，從根源上解決電子產(chǎn)品在惡劣氣候中結(jié)構(gòu)件的腐蝕問(wèn)題。
2 研究?jī)?nèi)容
2.1 兩種鋁合金的抗蝕性比較
2A12硬鋁合金在鹽霧試驗(yàn)條件下，不同程度出現(xiàn)腐蝕。未經(jīng)導(dǎo)電氧化表面處理的2A12硬鋁樣板已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕，出現(xiàn)較大腐蝕點(diǎn)（圖1中間）。經(jīng)過(guò)導(dǎo)電氧化表面處理的2A12硬鋁樣板已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕粉末（圖1兩側(cè)）。
5A06鋁合金在鹽霧試驗(yàn)條件下，未經(jīng)導(dǎo)電氧化表面處理的樣板表面僅是顏色變淡（圖2中間）。經(jīng)過(guò)導(dǎo)電氧化表面處理的5A06鋁樣板表面仍然很光潔（圖2兩側(cè)），無(wú)腐蝕粉末出現(xiàn)。
2.2 兩種鋁合金的機(jī)械性能比較
在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行材料拉伸性能測(cè)試，精確等級(jí)0.5級(jí)，加載速度為5mm/min，選用不同厚度硬鋁鋁（2A12-H112態(tài)，2A12-O態(tài)）和防銹鋁（5A06-H112態(tài)，5A06-O態(tài)）制成試棒，測(cè)試不同厚度板料的拉伸強(qiáng)度。拉伸破壞試驗(yàn)表明，熱軋態(tài)（H112）和退火態(tài)（O）的5A06鋁與2A12鋁均能滿足工程需要。且5A06鋁在H112態(tài)和O態(tài)的強(qiáng)度均大于同條件下的硬鋁2A12約25%，所以防銹鋁5A06抗拉強(qiáng)度略高于2A12態(tài)的硬鋁。
在這兩種鋁合金中，僅是2A12硬鋁可以熱處理強(qiáng)化的，淬火時(shí)效的硬鋁（2A12-T4）的強(qiáng)度即使與5A06防銹鋁相比還要高出30%左右，但是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在強(qiáng)度上的優(yōu)勢(shì)處于次要地位，因此，即使這兩種鋁里面強(qiáng)度最低的退火態(tài)硬鋁（2A12-O）已經(jīng)滿足大部分結(jié)構(gòu)件對(duì)強(qiáng)度等機(jī)械性能的要求。
2.3 兩種鋁合金的切削加工性能比較
工程手冊(cè)和生產(chǎn)實(shí)踐中5A06鋁合金切削加工性良好，而2A12鋁合金切削加工性一般。在相同加工參數(shù)條件下，5A06鋁合金零件加工表面質(zhì)量高，變形小，而2A12鋁合金零件加工表面質(zhì)量低，變形大。螺紋孔均能滿足螺釘抗拉和抗扭要求，且在設(shè)定最大扭緊力矩上再增加力矩，螺釘一般就會(huì)損壞（拉斷或者產(chǎn)生塑性變形），但鋁板上的螺紋孔仍完好無(wú)損。
3 分析結(jié)果
3.1 材料的成分和組織決定著材料的抗蝕性。硬鋁2A12為鋁-銅-鎂合金，合金組成為α（Al），θ（CuAl2）和S（Al2CuMg），其中腐蝕類型以由于過(guò)飽和固溶體不均勻析出所致的晶間腐蝕為主，隨著含鎂量的增加θ相減少，S相增多，當(dāng)含銅相析出后，沿晶粒周圍形成含銅較低的貧銅帶。在電解液中，貧銅帶為陽(yáng)極，而含銅較高的晶粒中心和析出相為陰極區(qū)。作為陽(yáng)極區(qū)的晶粒邊界面積小，陽(yáng)極電流密度高，在腐蝕過(guò)程中，晶粒邊界將遭到強(qiáng)烈的破壞。而含鎂量較高的5A06合金為鋁-鎂系列合金，其主要成為為α（Al）和β（Mg2Al3） 相，晶間腐蝕傾向較小。腐蝕發(fā)生時(shí)，首先是Mg2Al3被溶解，對(duì)材料中的Al形成保護(hù)，因此在工業(yè)大氣及海洋中均有較高的耐腐蝕性，在淡水、海洋、有機(jī)酸、濃硝酸中的耐腐蝕性也很好。
3.2 導(dǎo)電氧化獲得的氧化層薄，膜層容易被各種環(huán)境外力破壞，對(duì)材料保護(hù)有限，通常不單獨(dú)使用，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電氧化層基本退色，所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，在防護(hù)性較高的基材表面進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，而不導(dǎo)電氧化部位一般進(jìn)行涂層防護(hù)處理。
4 結(jié)論
5A06鋁合金抗鹽霧腐蝕能力顯著明顯，所以適合于在惡劣氣候環(huán)境下的艦載電子設(shè)備的應(yīng)用。同時(shí)電子設(shè)備的裝備環(huán)境復(fù)雜多變，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選材應(yīng)該嚴(yán)格按照耐腐蝕性、機(jī)械性能綜合評(píng)估，因此5A06鋁合金是一種航空、航天電子設(shè)備的優(yōu)選材料。其對(duì)電子設(shè)備的改善，產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率的提高以及電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性能的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【參考文獻(xiàn)】
[1]總裝備部.GJB 367A-2001軍用通信設(shè)備通用規(guī)范[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版社，2001
關(guān)鍵詞:熱仿真; 熱測(cè)試; 電子設(shè)備; ICEPAK
中圖分類號(hào):TN02; TP391.9
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
Thermal test and numerical simulation on heat transfer characteristics of forced air cooling for electronic equipment
CHEN Guoqiang,ZHU Minbo
(School of Mechano-Electronic Eng.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)
Abstract:With the heat issues that low the performance of electronic equipment,the thermal tests on heat transfer characteristics of forced air cooling are done for the Printed Circuit Board(PCB) in an electronic equipment. The PCB is thermally simulated using ICEPAK. The comparison indicates that the simulation results have better consistency with the test results. The factors which lead to simulation errors are analyzed and the improved numerical simulation method is presented. It is shown that such numerical simulation is suitable for thermal design of electronic devices.
Key words:thermal simulation; thermal test; electronic equipment; ICEPAK
0 引 言
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備不斷向高功率､高密度方向發(fā)展,如果各種發(fā)熱元件散發(fā)出來(lái)的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去,各個(gè)元器件的溫度就會(huì)超過(guò)各自所能承受的極限,導(dǎo)致電子設(shè)備可靠性大大降低.這就要求對(duì)工作溫度有較高要求的電子設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì).[1]目前,對(duì)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)工作主要采取數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法.在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行風(fēng)冷熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,進(jìn)行軟件熱分析仿真,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,從而指導(dǎo)軟件熱分析,為進(jìn)一步做好電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì),保證電子設(shè)備正常､可靠的工作打下基礎(chǔ).
1 熱測(cè)試方案與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1.1 熱測(cè)試方案
實(shí)驗(yàn)在西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院自行研制的DF―1型低速風(fēng)洞中進(jìn)行,被測(cè)試電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式見圖1.在PCB(Printed Circuit Board)板上用型號(hào)為HW200JB8的厚膜電阻模擬發(fā)熱元件,電阻值為25 Ω,其安裝形式見圖2.
每塊PCB板按順序排列25個(gè)發(fā)熱元件,6塊PCB板構(gòu)成5個(gè)通道,其中5和6號(hào)板為光板,1號(hào)板為元件并聯(lián)板,2,3和4號(hào)板為元件串并聯(lián)混合布置,通過(guò)加載不同的電壓可得到元件上不同的功率分布變化.[2]
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
(1)低速風(fēng)洞: 工作段面積為300 mm× 400 mm,風(fēng)洞通過(guò)嚴(yán)格設(shè)計(jì)完成,在工作段無(wú)物體時(shí)可保證段內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速相等.
(2)風(fēng)速測(cè)量?jī)x:用以測(cè)量風(fēng)洞的實(shí)際流速.
(3)ATM―3型多點(diǎn)溫度測(cè)試儀:可1次測(cè)量63個(gè)溫度點(diǎn).
(4)銅―康銅熱電偶:測(cè)溫范圍為-260~ +300 ℃.
(5)穩(wěn)壓電源:模擬PCB板加電狀態(tài).
實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究電子設(shè)備在不同工況條件下的散熱特性,因此測(cè)試時(shí)將被測(cè)電子設(shè)備放在低速風(fēng)洞工作段中,分別對(duì)4塊板加不同的電壓,以模擬功率變化的情況:1號(hào)板加電壓為1~3 V;2號(hào)板為5 V,10 V,20 V,30 V變化;3號(hào)和4號(hào)板為 10 V,15 V,20 V變化.通過(guò)改變?nèi)肟陲L(fēng)速與PCB板間距等進(jìn)行熱測(cè)試,主要測(cè)試元件表面､背面與入出口的溫度以及風(fēng)洞內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的流速.
2 數(shù)值模擬
2.1 模型的建立和求解
用ICEPAK進(jìn)行熱仿真的過(guò)程可分為5個(gè)基本步驟[3]:建立計(jì)算模型,設(shè)定問(wèn)題參數(shù),劃分網(wǎng)格,求解計(jì)算和后處理.
圖3為在ICEPAK中模擬該電子設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境所建立的物理模型.
被測(cè)電子設(shè)備水平放于風(fēng)洞工作段內(nèi),用openning模擬風(fēng)洞的入口與出口,在入口openning處可設(shè)定不同的流速;風(fēng)洞用cabinet模擬,4面絕熱;PCB板與底板固連,底板材料為鋁;設(shè)置厚膜發(fā)熱電阻與PCB板緊密固連.在數(shù)值仿真中先根據(jù)每個(gè)PCB板所加不同電壓計(jì)算出每個(gè)發(fā)熱元件的熱功率,再將所得熱功率加載到每個(gè)熱源上.
該模型的主要參數(shù)為流體狀態(tài).通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算得到的普朗特?cái)?shù)和雷諾數(shù)可以確定流體類型為紊流.根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況,設(shè)置環(huán)境溫度和風(fēng)速等邊界條件[4].實(shí)驗(yàn)主要為強(qiáng)迫風(fēng)冷,因此忽略輻射換熱與重力影響.
由于PCB板上的發(fā)熱元件排列緊密,為了得到較精確的計(jì)算結(jié)果,要保證在發(fā)熱元件周圍有較細(xì)的網(wǎng)格劃分.然而整個(gè)風(fēng)洞容積較大,如果采用相同精細(xì)的網(wǎng)格對(duì)整個(gè)風(fēng)洞進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將使得求解時(shí)間大大增加.因此,對(duì)每塊PCB板及其安裝的發(fā)熱元件建立1個(gè)assemble ,適當(dāng)調(diào)整assemble的大小,以保證在PCB板與元件周圍有較細(xì)的網(wǎng)格劃分,風(fēng)洞內(nèi)其他部分使用較粗的網(wǎng)格,而計(jì)算精度不受影響.最終網(wǎng)格劃分HEXAS數(shù)量為128 830,NODES數(shù)量為142 084.在設(shè)置好求解殘差和迭代次數(shù)之后開始求解并最終收斂.
2.2 計(jì)算結(jié)果
對(duì)熱測(cè)試中幾組不同工況下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算,圖4為1號(hào)PCB板在入口風(fēng)速為1.5 m/s和25.5 ℃環(huán)境溫度條件下的溫度云圖.
從圖4中可見在流體入口處元件溫度低于出口處元件,與熱測(cè)試結(jié)果相同.熱分析結(jié)果相對(duì)于熱測(cè)試的大量數(shù)據(jù)結(jié)果顯得更加直觀明了.
對(duì)熱測(cè)試中幾組不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.圖5為環(huán)境溫度25.5 ℃,風(fēng)速1 m/s條件下2號(hào)PCB板加不同電壓時(shí),中間元件溫度變化的測(cè)試與計(jì)算結(jié)果.從圖中可以看出,當(dāng)電壓改變時(shí),元器件的溫升有較大幅度增長(zhǎng),顯示計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性.
圖6為環(huán)境溫度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V條件下1號(hào)PCB板上某一元件正面和反面測(cè)點(diǎn)溫度的測(cè)試與計(jì)算結(jié)果.從結(jié)果可見隨著風(fēng)速的增大,發(fā)熱元件正反面的溫度逐漸降低,這表明仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好.從圖中可以發(fā)現(xiàn)在0 m/s工況下計(jì)算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差,這主要是由于此時(shí)被測(cè)設(shè)備處于自然散熱狀況,而在仿真中沒有考慮重力與輻射傳熱的影響,造成溫度偏高.
圖7為環(huán)境溫度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V條件下2號(hào)PCB板入出口測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)試與計(jì)算結(jié)果.數(shù)值仿真結(jié)果表明隨著風(fēng)速的增大,PCB板入出口的溫差逐漸降低,與測(cè)試結(jié)果一致.由于在入出口處無(wú)熱源且流體相對(duì)處于層流狀態(tài),因此數(shù)值仿真誤差較小.圖 7 不同風(fēng)速下PCB2入出口測(cè)點(diǎn)溫度
將數(shù)值仿真結(jié)果與熱測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算發(fā)熱元件表面的溫度要高于實(shí)際測(cè)量結(jié)果,而計(jì)算PCB板入出口處的溫度要低于實(shí)際測(cè)量結(jié)果,這主要是因?yàn)閷?shí)際發(fā)熱元件與PCB板之間存在由熱源管腳到PCB板的熱傳導(dǎo),而在熱仿真中只是模擬熱源與PCB板的固連熱傳導(dǎo),沒有模擬管腳的熱傳導(dǎo),造成部分熱量沒有從熱源傳導(dǎo)至PCB板上,從而產(chǎn)生上述結(jié)果.預(yù)計(jì)如果考慮上述影響,通過(guò)更詳細(xì)的建模分析,可以得到更精確的仿真結(jié)果,這對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)熱分析,提高數(shù)值仿真精度具有指導(dǎo)意義.
3 結(jié) 論
在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷熱測(cè)試的基礎(chǔ)上,運(yùn)用熱分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,并將計(jì)算結(jié)果與熱測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,表明計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性,并從數(shù)據(jù)對(duì)比中得出改進(jìn)熱仿真的方法.電子設(shè)備的熱測(cè)試與數(shù)值仿真都是進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的重要手段,只有將兩者更好地結(jié)合運(yùn)用,才能進(jìn)一步做好電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證電子設(shè)備正常､可靠的工作.
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從上個(gè)世紀(jì)60年代起，我國(guó)的工業(yè)與軍用電子裝備開始從仿制走向自行研制，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已在電子裝備的設(shè)計(jì)與制造上走向世界的先進(jìn)水平，與此同時(shí)也深刻認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)與工藝對(duì)電子裝備的性能有著重要的影響，電子裝備中電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝是密不可分的，并趨向融為一體設(shè)計(jì)。電子機(jī)械是研究電子與信息系統(tǒng)中的機(jī)械與結(jié)構(gòu)問(wèn)題的一門機(jī)電光相結(jié)合的邊緣學(xué)科，它通過(guò)研究機(jī)械、電磁、熱之間的耦合關(guān)系，把電子設(shè)備的原理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為機(jī)械和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高其在機(jī)械、電磁、熱環(huán)境中的可靠性，以保證其電氣性能指標(biāo)。與一般機(jī)械專業(yè)相比，電子機(jī)械的研究有其自身的特點(diǎn)：在目的上，電子機(jī)械在于捉高電子裝備系統(tǒng)的電氣性能，而常規(guī)機(jī)械則是為了提高其機(jī)械性能。在實(shí)現(xiàn)手段上，前者主要通過(guò)改變、優(yōu)選機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，而后者則主要通過(guò)電子信息、光電子信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)電一體化的載體方面，前者是電子系統(tǒng)，后者為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。從對(duì)系統(tǒng)的重要程度看，機(jī)電一體化對(duì)電子裝備而言不但重要而且是其生命之所在。現(xiàn)代國(guó)防武器裝備對(duì)軍用電子裝備提出了越來(lái)越高的要求，突出表現(xiàn)為高頻段、高增益，快響應(yīng)、高指向精度，高密度、小型化。為適應(yīng)上述發(fā)展趨勢(shì)和要求，在電子信息行業(yè)，亟須培養(yǎng)具備電子機(jī)械專門知識(shí)，從事電子機(jī)械的工程應(yīng)用型人才和研究人才。
二、電子機(jī)械人才知識(shí)結(jié)構(gòu)體系和課程結(jié)構(gòu)體系
如何有效地培養(yǎng)出適應(yīng)電子信息領(lǐng)域需求的高層次電子機(jī)械人才，或者說(shuō)，如何科學(xué)合理地建立起電子機(jī)械人才培養(yǎng)模式和課程結(jié)構(gòu)體系，是我們從創(chuàng)辦這一專業(yè)開始就一直探討的問(wèn)題。一個(gè)真正合格的電子機(jī)械人才必須把機(jī)械知識(shí)和電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)等知識(shí)有機(jī)地融合在一起，全面、綜合地設(shè)計(jì)電子設(shè)備。在制定教學(xué)計(jì)劃和建立課程體系時(shí)，從構(gòu)建學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的角度，按模塊化分課程體系更容易建立知識(shí)結(jié)構(gòu)與課程體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將電子機(jī)械方向人才培養(yǎng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，劃分為基礎(chǔ)知識(shí)模塊、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)模塊和專知識(shí)模塊?；A(chǔ)知識(shí)模塊分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)、電子及信息基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)電控制基礎(chǔ)知識(shí)和工程測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)5個(gè)子模塊，重點(diǎn)是保證學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)、良好的外語(yǔ)能力和熟練的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)模塊主要是掌握機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的通識(shí)知識(shí)，包括機(jī)電一體化知識(shí)、機(jī)電控制工程知識(shí)等。專業(yè)知識(shí)模塊是在結(jié)合基礎(chǔ)知識(shí)模塊如何構(gòu)建交叉融合的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)于電子機(jī)械培養(yǎng)方向，除了掌握機(jī)電一體化方面的基礎(chǔ)知識(shí)之外，更重要的是掌握面向電子信息領(lǐng)域的電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和集成化制造方面的知識(shí)，這其中主要包括電子設(shè)備環(huán)境防護(hù)、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、辦公自動(dòng)化設(shè)備和高密度組裝等知識(shí)。
由于電子機(jī)械方向涉及多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，課程設(shè)置的主要問(wèn)題是如何在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)合理地安排機(jī)、電等多學(xué)科的課程問(wèn)題，如果只是將課程硬性疊加，則學(xué)生不堪重負(fù)，且學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用不能有機(jī)地結(jié)合，會(huì)使學(xué)生感到對(duì)各方面的知識(shí)都沒有學(xué)好，因此必須對(duì)原有機(jī)類和電類課程進(jìn)行優(yōu)化、精簡(jiǎn)、合理的組合并創(chuàng)新。我們結(jié)合自身的情況，所遵循的原則是：“面向電子信息領(lǐng)域，以電子設(shè)備CAD/CAM為主線，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為核心，強(qiáng)化基礎(chǔ)、注重實(shí)踐”。貫穿4年培養(yǎng)計(jì)劃的主線是電子設(shè)備設(shè)計(jì)制造綜合能力培養(yǎng)。在培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系的框架上，結(jié)合電子機(jī)械知識(shí)結(jié)構(gòu)體系要求，2005年，按照教育部新的專業(yè)目錄，本專業(yè)制定了新的教學(xué)計(jì)劃和課程體系，我們?cè)O(shè)計(jì)了平臺(tái)模塊式課程框架結(jié)構(gòu)，突出了課程的整體優(yōu)化與整合，突出了加強(qiáng)基礎(chǔ)，突出了方向的靈活性和適應(yīng)性。新的課程體系課內(nèi)總學(xué)時(shí)設(shè)定為2559學(xué)時(shí)，其中分為必修課、限選課與選修課程，開出課程總學(xué)分為272.5，準(zhǔn)許畢業(yè)的最低學(xué)分186.5。
課程體系為四級(jí)平臺(tái)(平臺(tái)體現(xiàn)了課程的分類與整合)：
1.公共基礎(chǔ)平臺(tái)。作為通識(shí)教育部分，對(duì)全校學(xué)生統(tǒng)一要求。課程分為5大模塊：數(shù)學(xué)、自然科學(xué)模塊，人文社會(huì)科學(xué)模塊，工具與方法類模塊工程概論模塊以及體育。
2.機(jī)械工程學(xué)科群技術(shù)基礎(chǔ)平臺(tái)。(這一平臺(tái)課程與部分機(jī)電工程學(xué)院其他專業(yè)共同使用。)
3.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)。
4.電子機(jī)械方向平臺(tái)。
三、課程的建設(shè)與改革工作
1.機(jī)電化合，解決機(jī)電結(jié)合、設(shè)計(jì)與制造相結(jié)合過(guò)程中教學(xué)時(shí)數(shù)劇增的問(wèn)題
正確處理機(jī)械與電子、設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)以機(jī)為主，以設(shè)計(jì)為主。在教學(xué)計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，機(jī)械類課程中基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課與一級(jí)機(jī)械類專業(yè)一致。電子類課程主要著重基本原理與定性設(shè)計(jì)，區(qū)別與電子類專業(yè)。專業(yè)課程中重點(diǎn)探討機(jī)械結(jié)構(gòu)如何保證優(yōu)良的電子性能。
2.設(shè)置與電子機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容
針對(duì)電子信息行業(yè)特點(diǎn)，開設(shè)具有明顯電子機(jī)械特色的課程，如：電子設(shè)備熱控制技術(shù)、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、現(xiàn)代電子裝聯(lián)工藝學(xué)等課程，以使所培養(yǎng)的人才能自如地應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行電子行業(yè)電子設(shè)備設(shè)計(jì)的技術(shù)工作。
3.全方位提高學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)
通過(guò)豐富多樣的方式培養(yǎng)學(xué)生的多種能力，尤其是學(xué)生參加科學(xué)研究能力的培養(yǎng)，一直是課程體系改革追求的目標(biāo)。首先在加強(qiáng)教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)的同時(shí)，實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開放制度，增加電子機(jī)械方向上綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其次實(shí)行導(dǎo)師制，遴選優(yōu)秀學(xué)生在本科階段參加導(dǎo)師的科研工作。再者組織學(xué)生參加“全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽”，“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”、“全國(guó)挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽”、“全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”、“全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽”等活動(dòng)。通過(guò)這些措施，在相當(dāng)程度上激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高了科研能力，也進(jìn)一步夯實(shí)了基礎(chǔ)。
4.結(jié)合專業(yè)發(fā)展的要求，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生綜合素質(zhì)和科學(xué)思維培養(yǎng)的重要場(chǎng)所。為適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)需要，我們把本學(xué)科實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)和管理體制改革結(jié)合起來(lái)同步進(jìn)行，以先進(jìn)制造技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造信息技術(shù)為紐帶，建設(shè)學(xué)院的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室。在機(jī)電工程學(xué)院形成了一個(gè)集現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)試測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)為一體的院級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為本科生及研究生的基本技能訓(xùn)練、創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供強(qiáng)有力的支持。
5.抓好教材建設(shè)工作，形成具有本學(xué)科特色的教材體系
在本專業(yè)初創(chuàng)時(shí)期，我們編寫了首批機(jī)電結(jié)合型的教材，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。幾十年來(lái)，始終把教材建設(shè)放在十分重要的位置，常抓不懈，形成了統(tǒng)編教材、自編教材及實(shí)驗(yàn)講義相互配合的、比較完整的、有特色的機(jī)電結(jié)合型的教材體系。10年間出版了教材25部，獲國(guó)家優(yōu)秀教材獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)優(yōu)秀教材獎(jiǎng)7 項(xiàng)，校級(jí)優(yōu)秀教材和講義26項(xiàng)。我們?cè)诮滩慕ㄔO(shè)方面的體會(huì)是：第一，要有明確的教材建設(shè)規(guī)劃和目標(biāo)。第二，在教材建設(shè)的方向上，始終不渝地堅(jiān)持機(jī)電結(jié)合的特色。第三，堅(jiān)持國(guó)內(nèi)外著名教材與本專業(yè)特色相結(jié)合。第四，始終注意教材的社會(huì)效益。不僅僅局限于滿足大專院校教學(xué)的需要，而且非常注意其學(xué)科性與工程實(shí)用性，及時(shí)將科研體會(huì)與工程實(shí)踐的內(nèi)容加入教材中，以使教材成為本學(xué)科領(lǐng)域各部門各行業(yè)工程技術(shù)人員的參考用書，提高教材的社會(huì)效益。
[關(guān)鍵詞]電子設(shè)備；鐵路機(jī)車車輛；應(yīng)用故障
中圖分類號(hào)：U269；U279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）16-0350-01
將電子設(shè)備應(yīng)用到鐵路機(jī)車車輛中，主要目的即通過(guò)代替間機(jī)電部件，對(duì)以往所存損耗大問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)車車輛運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)還可以利用電子設(shè)備，完成各項(xiàng)復(fù)雜控制功能，使得機(jī)車各復(fù)雜運(yùn)行作業(yè)有更高可靠性。但是電子設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)受各項(xiàng)因素影響，而出現(xiàn)各類運(yùn)行故障，因此除了要分析其應(yīng)用方式外，還需要對(duì)常見故障進(jìn)行處理。
一、電子設(shè)備在鐵路機(jī)車車輛中應(yīng)用分析
將電子設(shè)備應(yīng)用到鐵路機(jī)車車輛中，與以往機(jī)電部件應(yīng)用效果相比，可以更好的提高車輛系統(tǒng)運(yùn)行綜合效率，減少故障的發(fā)生，一方面可以提高機(jī)車車輛運(yùn)行安全性與可靠性，另一方面也可以降低維修成本。例如交流器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)功率傳輸動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以及多種電流制的轉(zhuǎn)換，對(duì)工作任務(wù)功率匹配進(jìn)行優(yōu)化，是提高鐵路機(jī)車牽引技術(shù)水平的重要措施。針對(duì)控制電子設(shè)備與功率電子設(shè)備分析，機(jī)車車輛在做任意極限運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以穩(wěn)定的對(duì)牽引力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車最大負(fù)載狀態(tài)下有效牽引。并且電流交換時(shí)損耗更小，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果，以及應(yīng)用能量反饋再生制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)可以達(dá)到節(jié)能目的。一般情況下，近郊機(jī)車為達(dá)到電流變換目的，可以選擇應(yīng)用直流電流調(diào)節(jié)器與交流傳動(dòng)方式[1]。與傳統(tǒng)機(jī)電部件相比，電子器件靜止以及無(wú)損工作方式，還可以降低后期維護(hù)檢修工作量，減少維修成本。
二、電子設(shè)備在鐵路機(jī)車車輛中應(yīng)用故障
1.電力電子器件
就電力電子器件在鐵路機(jī)車車輛中應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，采用GTO機(jī)車車輛逆變器控制裝置的運(yùn)行故障比較少，而對(duì)于IGBT的機(jī)車車輛故障概率比較大。主要是因?yàn)镮GBT逆變器控制裝置早期檢查不到位，存在較大的故障隱患。且間現(xiàn)代逆變器控制技術(shù)應(yīng)用存在缺陷，還需要做更進(jìn)一步研究，爭(zhēng)取消除早期故障。
2.電解電容器
以其他電容器相比，電解電容器應(yīng)用具有更大的安全性與穩(wěn)定性，且能夠獲得更大容量，一般可用于鐵路機(jī)電車輛電源?，F(xiàn)在應(yīng)用多如圖1所示，以鋁箔作為電機(jī)浸入電解液結(jié)構(gòu)，電解液封口橡膠位置不斷蒸發(fā)，如果及時(shí)處理，便會(huì)因?yàn)楦珊曰蛐孤抖a(chǎn)生老化故障。而造成設(shè)備加速老化的原因，主要包括環(huán)境溫度、過(guò)電壓以及波紋電流等，其中如果運(yùn)行環(huán)境溫度超過(guò)10℃，則會(huì)縮短器件一般壽命[2]。目前應(yīng)用到鐵路機(jī)車車輛實(shí)例比較多，對(duì)于逆變器控制的機(jī)車車輛來(lái)說(shuō)，還存在眾多落后的零部件，故障發(fā)生概率更大。鐵路機(jī)車車輛應(yīng)選擇用耐熱壽命高的電容器，且控制好運(yùn)行環(huán)境溫度。另外，在部件使用階段，還需要定期進(jìn)行檢查，以免因電解液與鋁箔反應(yīng)生成強(qiáng)堿，造成封口橡膠老化而出現(xiàn)液漏問(wèn)題。
3.軟焊連接處理
如果印制板出現(xiàn)溫度變化現(xiàn)象，因不同部位溫升與線膨脹系數(shù)具有一定差別，便會(huì)造成安裝件與印制板間出現(xiàn)膨脹差。軟焊部位作為結(jié)構(gòu)最薄弱部位，變形過(guò)于集中，會(huì)因軟焊熱疲勞破壞出現(xiàn)斷線故障，而影響機(jī)車車輛的正常運(yùn)行。為避免軟焊熱疲勞問(wèn)題造成的部件壽命縮短現(xiàn)象，可以通過(guò)加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)設(shè)定溫度循環(huán)下壽命，重點(diǎn)分析產(chǎn)熱集中部位狀態(tài)，檢查是否存在龜裂問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取措施處理。
三、電子設(shè)備在鐵路機(jī)車車輛中應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)
1.變流器功率器件
變流器間功率器件逐漸發(fā)展成應(yīng)用大功率半導(dǎo)體元件，減少控硅元件數(shù)量。對(duì)于鐵路機(jī)車車輛來(lái)說(shuō)，每個(gè)功能僅需要一個(gè)元件便可以實(shí)現(xiàn)控制，功率為小于1000kw情況，無(wú)需對(duì)可控硅元件進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)處理。機(jī)車車輛均為交流傳動(dòng)方式，一般在相序逆變器臂上會(huì)設(shè)置一個(gè)可控規(guī)元件和二極管。而對(duì)于功率較大的機(jī)車車輛，還要適當(dāng)增加半導(dǎo)體元件數(shù)量，且功率超過(guò)1000kw后還要對(duì)可控硅元件進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)處理。為提高機(jī)車運(yùn)行效率，還要控制好半導(dǎo)體元件數(shù)量，結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)，組成環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)且維護(hù)要求低的變流器。另外，將可控硅元件安裝到散熱器之間冷卻氣流外，還可以有效避免灰塵積聚在塑料環(huán)中，并配置散熱器與通風(fēng)設(shè)備，還可以提高半導(dǎo)體元件散熱效率。
2.電磁屏蔽技術(shù)
鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到電磁干擾，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率降低，甚至全部喪失，或者對(duì)設(shè)備部件造成不可挽回的損壞，而影響車輛運(yùn)行安全性與可靠性。結(jié)合電磁兼容原理，對(duì)車輛電子裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用有效屏蔽方法來(lái)降低電磁干擾對(duì)電子設(shè)備性能的影響，減少信息丟失或部件損壞問(wèn)題的發(fā)生。一般可以通過(guò)增強(qiáng)電子裝置機(jī)箱對(duì)周圍電磁場(chǎng)發(fā)射損耗的方式，來(lái)降低吸收損耗，達(dá)到削弱間電磁干擾的目的。例如機(jī)柜屏蔽，利用金屬殼對(duì)整個(gè)電子設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行全面屏蔽，由金屬外殼吸收電磁干擾與反射損耗，切斷機(jī)箱內(nèi)干擾信號(hào)的傳播。以及模塊屏蔽，將屏蔽盒單獨(dú)安裝在輻射大或者抗干擾能力差的模塊內(nèi)，常見電抗器、變壓器可以外包一層或多層金屬短路來(lái)減少漏磁通量。
3.控制裝置系統(tǒng)
鐵路機(jī)車車輛變流器功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多樣化，負(fù)荷效率也接近了最大限制，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要重視監(jiān)控與控制功能的實(shí)現(xiàn)。電流型三相逆變裝置傳動(dòng)調(diào)節(jié)部位為兩層，且裝有LUB電網(wǎng)側(cè)整流器與相許逆變器。對(duì)機(jī)車車輛和變流器調(diào)節(jié)、控制功能進(jìn)行分析，并根據(jù)需求印制電路板，可以在保證功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)降低成本。同時(shí)利用微型計(jì)算機(jī)對(duì)控制裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯與算術(shù)運(yùn)算，滿足機(jī)車運(yùn)行調(diào)節(jié)、控制功能的計(jì)算需求。
結(jié)束語(yǔ)：
基于鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行特征進(jìn)行分析，對(duì)電子設(shè)備在機(jī)車實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，采取措施進(jìn)行優(yōu)化。并確定技術(shù)要點(diǎn)，爭(zhēng)取在后續(xù)發(fā)展中做好各節(jié)點(diǎn)功能的優(yōu)化，爭(zhēng)取進(jìn)一步提高車輛運(yùn)行可靠性。
參考文獻(xiàn)：