張登材，張杰，張義萍

一種艦載密閉機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張登材，張杰，張義萍

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十九研究所，四川 成都 610036）

在對(duì)比分析幾種典型密閉機(jī)箱優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了一種能在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下工作的艦載整體鑄造密閉機(jī)箱。簡要介紹了密封原理，重點(diǎn)研究了密封材料和密封結(jié)構(gòu)形式，最終解決了該機(jī)箱的密封問題。用ANSYS Workbench軟件建立了該機(jī)箱的有限元模型，計(jì)算了機(jī)箱的模態(tài)，得到了機(jī)箱的前五階固有頻率和振型。結(jié)果表明：該機(jī)箱有足夠的剛強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

密閉機(jī)箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

長期工作在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下，對(duì)艦載電子裝備的可靠性、設(shè)備壽命等影響極大[1-3]。研究和實(shí)踐表明，采用密閉機(jī)箱能有效防止潮氣、鹽霧、霉菌的侵蝕[4-6]。

某項(xiàng)目中的天線座安裝在艦艇的桅桿上，全天候工作，其組成如圖1所示。天線座上的機(jī)箱不僅要保護(hù)轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)，還要保護(hù)其上安裝的天線陣和射頻前端等電子設(shè)備，因此機(jī)箱采用全封閉的結(jié)構(gòu)形式，有效阻止雨水、濕氣和鹽霧進(jìn)入機(jī)箱，從而滿足這些電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)要求。

圖1 天線座結(jié)構(gòu)示意圖

1 密閉機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)有研究和實(shí)踐已經(jīng)表明，鋼鐵材料在惡劣的海洋環(huán)境中極易產(chǎn)生銹蝕，而鋁合金材料具有優(yōu)良的抗腐蝕能力。此外，鋼鐵材料比重大，幾乎是鋁合金的三倍，裝在艦艇桅桿上的設(shè)備要求重量輕，因此選定機(jī)箱材料為鋁合金。

常見的鋁合金機(jī)箱結(jié)構(gòu)有以下幾種形式。

（1）骨架加蒙皮式機(jī)箱。由鋁合金型材通過焊接或利用螺釘拼裝連接先形成機(jī)箱的骨架，然后在骨架上鉚接蒙皮成型。這類機(jī)箱的材料利用充分、重量輕、成本低，但這種結(jié)構(gòu)的密封性較差，容易漏水，環(huán)境適應(yīng)性較低。

（2）大板拼焊式機(jī)箱。由鋁合金板通過拼裝焊接而成，材料利用率很高、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)周期短，但焊接時(shí)變形較大，尺寸不易控制，難以消除殘余應(yīng)力，尺寸精度較低，表面質(zhì)量差，密封性較差。

（3）整體鑄造式機(jī)箱。采用鑄造鋁合金材料整體鑄造成型，具有良好的抗腐蝕性能，抗沖擊振動(dòng)性和抗彎抗扭剛度比較好。此外，機(jī)箱通過機(jī)械加工后表面質(zhì)量好、尺寸精度高。但這種機(jī)箱比上述兩種類型的機(jī)箱略重一些，制造成本較高，生產(chǎn)周期也較長。

考慮到海洋環(huán)境的惡劣氣候和本項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終選擇抗腐蝕能力強(qiáng)的鋁合金整體鑄造式機(jī)箱。設(shè)計(jì)上嚴(yán)格控制機(jī)箱壁厚并優(yōu)化布置加強(qiáng)筋來減輕機(jī)箱重量，如圖2所示，壁厚5 mm，整個(gè)機(jī)箱重量為48 kg。

2 機(jī)箱的密封

機(jī)箱與天線罩、門、射頻前端、轉(zhuǎn)臺(tái)等處均存在著接合面，可能存在的泄漏環(huán)節(jié)比較多。一旦形成泄漏，海水或潮氣進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)，將直接威脅到電子設(shè)備的正常工作，因此應(yīng)對(duì)密封進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2.1 密封原理

如圖3所示，密封件未受壓變形時(shí)的初始高度為1，受壓變形后的高度變?yōu)?，相對(duì)變形量就定義為：

圖3 密封原理示意圖

研究表明，當(dāng)＝10%時(shí)，即使密封件與裝配面之間的縫隙小至0.01 mm，仍然會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；繼續(xù)增大壓力，使＝20%～30%，由于密封件的彈性變形變大，密封件緊貼裝配面，形成可靠密封。進(jìn)一步研究表明，如果繼續(xù)增大壓力，使＞30%，密封效果沒有明顯改善，反而會(huì)由于密封件變形過大，導(dǎo)致密封件疲勞破壞，降低密封效果。因此在密封設(shè)計(jì)中，一般?。?0%～30%[7-8]。

2.2 密封材料

密封材料的自身性能和可靠性的高低直接影響到設(shè)備的密封能力和可靠性。在電子設(shè)備中，使用最廣泛的密封材料是橡膠，其具有彈性高、不透氣、不透水、電絕緣性好、比重低等性能，適當(dāng)處理后，還具有優(yōu)良的耐壓、耐腐蝕、耐老化、耐高低溫等性能。本項(xiàng)目選用便于裝配的異形硅橡膠繩（圖4）作為密封件。

圖4 雙密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 密封結(jié)構(gòu)形式

采用如圖4所示結(jié)構(gòu)，其在保證有效水密封的同時(shí)，能夠通過控制密封槽的尺寸來嚴(yán)格控制密封件的壓縮量，當(dāng)密封件達(dá)到設(shè)計(jì)需要的壓縮量時(shí)，兩個(gè)密封面就閉合，密封件不會(huì)被繼續(xù)壓縮變形，從而保證密封件不會(huì)因?yàn)樽冃芜^大而損壞。此外，這種結(jié)構(gòu)裝配后外觀無縫隙，不會(huì)因?yàn)槊芊舛绊懺O(shè)備的整體外觀，而且結(jié)構(gòu)裝配完成、結(jié)合面閉合后，兩個(gè)密封面電導(dǎo)通，對(duì)于提高設(shè)備的電性能，尤其是提高電磁屏蔽性能非常有利。雙密封可以進(jìn)一步提高密封可靠性，即使因某種原因而損壞了其中一根橡膠繩，另一根橡膠繩同樣可以保證密封。在設(shè)計(jì)這種密封結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要嚴(yán)格控制密封槽的幾何尺寸外，還應(yīng)適當(dāng)提高密封槽和密封結(jié)合面的表面粗糙度，其Ra值不得大于3.2 μm。除此之外，還應(yīng)考慮壓緊螺釘?shù)拈g距，間距過大同樣影響密封效果。

3 機(jī)箱的模態(tài)分析

在艦載環(huán)境下，機(jī)箱不僅要承受其裝載的電子設(shè)備的重量載荷和風(fēng)載荷，還要承受艦船航行過程中遇到風(fēng)浪引起的顛振和炮彈、導(dǎo)彈等武器發(fā)射時(shí)的劇烈沖擊，因此要求機(jī)箱必須具有一定的剛強(qiáng)度。此外，國軍標(biāo)中有關(guān)艦載設(shè)備的設(shè)計(jì)要求規(guī)定，機(jī)柜機(jī)箱骨架的一階固有頻率應(yīng)在30 Hz以上。由于本項(xiàng)目的機(jī)箱是采用鑄造鋁合金整體成型，剛強(qiáng)度比鋼材低，該機(jī)箱還經(jīng)歷過苛刻的減重設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)階段很有必要對(duì)這個(gè)機(jī)箱進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)箱的固有頻率和振型這兩個(gè)模態(tài)參數(shù)，以驗(yàn)證機(jī)箱是否滿足設(shè)計(jì)要求[9]。

比較常用的模態(tài)分析方法主要有實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法和有限元分析法。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法是針對(duì)具體實(shí)物樣機(jī)通過測試等實(shí)驗(yàn)手段來得到其動(dòng)態(tài)特性，主要是得到實(shí)物的固有頻率和振型這兩個(gè)模態(tài)參數(shù)。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，通常還沒有實(shí)物樣機(jī)，因而只能采用有限元法進(jìn)行模態(tài)分析。本文利用ANSYS Workbench軟件來建立機(jī)箱的有限元模型，求得其固有頻率和振型。

在建立機(jī)箱有限元模型時(shí)，首先要建立材料特性參數(shù)，機(jī)箱的原材料為ZL104，鑄造成型后進(jìn)行T6熱處理，材料特性如表1所示。為方便有限元網(wǎng)格劃分、縮減計(jì)算規(guī)模，需要對(duì)機(jī)箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化處理，忽略實(shí)際機(jī)箱上的小圓角、密封槽、螺紋連接孔等一些對(duì)模態(tài)分析基本上沒有影響的小特征。隨后采用四面體實(shí)體單元對(duì)前述機(jī)箱自動(dòng)劃分網(wǎng)格，最后在機(jī)箱底部與艦艇桅桿連接處施加固定約束，求解機(jī)箱的約束模態(tài)。如圖5所示。

表1 機(jī)箱材料性能表

經(jīng)過仿真計(jì)算，得到機(jī)箱的前5階固有頻率和振型如表2所示，可以看出，機(jī)箱的一階固有頻率大于30 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)箱的一、二階振型如圖6所示。

4 結(jié)論

在對(duì)比分析幾種典型密閉機(jī)箱優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了一種能在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下工作的艦載整體鑄造密閉機(jī)箱。重點(diǎn)研究了密封材料和密封結(jié)構(gòu)形式，解決了該機(jī)箱的密封問題。此外，設(shè)計(jì)人員采用ANSYS Workbench軟件對(duì)艦載機(jī)箱的模態(tài)進(jìn)行了有限元仿真和分析，結(jié)果顯示本密閉性艦載機(jī)箱具有較好的剛度，滿足環(huán)境使用要求。

表2 機(jī)箱固有頻率和振型計(jì)算結(jié)果表

圖5 機(jī)箱有限元模型示意圖

圖6 機(jī)箱的一、二階振型示意圖

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Structural Design of a Shipborne Air-Tight Case

ZHANG Dengcai，ZHANG Jie，ZHANG Yiping

(The 29th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

A shipborne air-tight cast aluminum alloy case in high temperature, high humidity and high salinity marine environment is introduced on the bases of the comparison analysis of merits and demerits about several typical air-tight case in this paper. The sealing principle, sealing material and sealing structural form are researched. The sealing problem of the case is solved. The finite element model of the case is established and the first five natural frequency and vibration modes are calculated with ANSYS workbench software. It is shown that the case has sufficient rigidity and strength to satisfy the design demand.

air-tight case；structural design；modal analysis

TB42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.015

1006－0316 (2018) 12－0053－04

2018－05－14

張登材（1973－），男，重慶人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。