趙 越 張 達* 劉衍峰 高志良 孫振亞

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

空間遙感儀器在航天科技中發(fā)揮著舉足輕重的作用，而空間遙感儀器的電箱是遙感儀器的電子大腦，具備信號的控制處理、數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備供電等功能，其性能的好壞直接影響著遙感器性能的好壞，這就要求空間遙感器要能適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境[1-2]?？臻g遙感器電箱結(jié)構(gòu)首要任務(wù)是能為電子學(xué)提供穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)支撐和固定，其次要能夠承受住發(fā)射階段的振動和沖擊，同時具備合理的導(dǎo)熱設(shè)計和電磁兼容設(shè)計要求[3-4]。因此，需要空間遙感儀器電箱結(jié)構(gòu)具備足夠的力學(xué)穩(wěn)定性、合理的導(dǎo)熱散熱能力和優(yōu)異的電磁兼容性能。

本文以一種空間遙感儀器電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，采用三維建模軟件建立電箱三維實體模型，使用有限元軟件和有限元理論對電箱結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果驗證設(shè)計的合理性，并為后續(xù)進一步實驗驗證提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 電路板布局

常用的電箱的電路板布局形式有背板式布局和串接式布局。該電箱的電路板數(shù)量較多，且板間通訊線路多，從電子學(xué)更容易實現(xiàn)的角度考慮，采用背板式布局形式。電子學(xué)按照不同的功能進行模塊化設(shè)計，每片電路板獨立實現(xiàn)一種功能，通過連接器插接在底臺板上，利用底臺板實現(xiàn)板間通訊[5]。電路板的詳細布局形式如圖1 所示。

圖1 電路板布局示意圖

1.2 電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

電箱的結(jié)構(gòu)不僅要對電路板起到穩(wěn)定支撐的作用，而且還需要電箱要具有良好的導(dǎo)熱散熱能力和電磁屏蔽性能，這就對電箱材料提出了很高的要求。

常見的空間遙感器電箱材料有鈦合金、鋁合金和鎂合金，三種材料的詳細參數(shù)如表1 所示。綜合三種材料的性能，鎂合金密度最小，具有較高比剛度，導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性更好，鎂合金還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能[6]，本例中的電箱及電路板框也采用鎂合金材料。

表1 常見空間遙感器電箱材料參數(shù)表

根據(jù)電路板的布局進行電箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電箱的整體結(jié)構(gòu)采用箱板拼接式設(shè)計，如圖2 所示。拼接式箱體結(jié)構(gòu)由底臺板框、左右箱板、前箱板、后箱板和上箱板組成。底臺板安裝固定在底臺板框上，左右板框內(nèi)壁設(shè)置有導(dǎo)槽。電箱內(nèi)部其他電路板具有獨立的板框支撐，為了保證部分電路板對電磁屏蔽的更高要求，所有電路板均設(shè)置了板框蓋板。對于大功耗的元器件板框相應(yīng)位置也設(shè)置了導(dǎo)熱面[7]。板框側(cè)壁設(shè)置導(dǎo)軌，與左右板框內(nèi)壁上的導(dǎo)槽相配合?？紤]到整個電箱的電磁屏蔽性能，所有最外層箱板均保證了最小3mm 的厚度。六塊箱板通過螺釘緊固連接，箱板連接處設(shè)置止口，可以形成穩(wěn)固的電箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的七個電路板板框通過導(dǎo)軌插入左右板框?qū)?yīng)位置的導(dǎo)槽內(nèi)，電路板和板框也加強了整個電箱的結(jié)構(gòu)強度與剛度。

圖2 電箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是考察電箱結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)特性，是為了求解系統(tǒng)的固有頻率及模態(tài)振型，檢驗電箱能否經(jīng)受整個發(fā)射過程的振動考驗，也是產(chǎn)品加工前的重要仿真復(fù)核過程。

為提高計算效率，在保證數(shù)值仿真計算精度的前提下，對電箱零部件進行結(jié)構(gòu)簡化處理。模型中對箱板和板框進行了詳細網(wǎng)格劃分，將電路板、電子元器件等設(shè)置為質(zhì)量點。外部箱板斜筋較多形狀復(fù)雜，采用4 面體網(wǎng)格劃分；內(nèi)部板框形狀規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格劃分；螺釘連接處用RBE2 單元建立連接。電箱有限元模型如圖3 所示。

圖3 電箱有限元模型

利用MSC.Nastran 軟件，基于Lanczos 法進行模態(tài)分析求解電箱0～1000Hz 的模態(tài)，根據(jù)仿真分析結(jié)果顯示：電箱整體模態(tài)的第一階固有頻率為578Hz，振型主要表現(xiàn)為電箱沿Z 軸方向的振動，圖4 為一階整體模態(tài)振型。

圖4 一階整體模態(tài)振型

繼續(xù)考察模態(tài)分析的結(jié)果，當(dāng)頻率在299Hz～577Hz之間，出現(xiàn)多個低階的局部模態(tài)，這些低階模態(tài)大都表現(xiàn)為板框蓋板的局部單方向振動，而處于此范圍的低階模態(tài)時，板框及箱體主體結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生明顯振型。如圖5所示，以299Hz 頻率處的低階局部模態(tài)為例進行說明，該模態(tài)下的振型表現(xiàn)為第1、2、3 塊電路板板框蓋板沿Y軸局部振動，在該低階局部模態(tài)下不會造成電箱主體結(jié)構(gòu)的明顯變形。

圖5 在299Hz 處的低階局部模態(tài)振型

綜合模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，電箱的一階整體模態(tài)固有頻率為578Hz，對于一般的遙感載荷，一階固有頻率大于120Hz 就能夠有效避開發(fā)射階段易共振的頻率段，電箱結(jié)構(gòu)和電子學(xué)元器件就能夠承受發(fā)射階段的振動，證明了本次電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較高的剛度裕度。

3 線性靜力學(xué)分析

線性靜力學(xué)分析的目的是為了檢驗系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性，求解線性靜力學(xué)載荷下的的響應(yīng)。由于空間遙感儀器工作環(huán)境的特殊性，在隨火箭發(fā)射階段要承受加速度載荷的力學(xué)環(huán)境。因此，對于空間遙感儀器的線性靜力學(xué)分析，主要是分析結(jié)構(gòu)在過載情況下的響應(yīng)情況。

本文根據(jù)力學(xué)指標(biāo)要求，在MSC.Nastran 軟件中對電箱沿X、Y、Z 三個方向分別施加不同大小的加速度載荷，仿真分析電箱在各載荷狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)，求解電箱最大變形位移和最大應(yīng)力。電箱工況及分析結(jié)果如表2 所示。

表2 加速度載荷下的分析結(jié)果

表2 的分析結(jié)果表明，當(dāng)沿Y 軸方向施加6g 加速度載荷時，電箱變形位移最大為28.5μm，此時最大應(yīng)力為3.22Mpa，因為沿Y 軸方向是垂直于電路板的方向，所以沿Y 軸方向電路板和電路板板框強度和剛度最弱，該工況下變形位移量最大。而當(dāng)沿Z 軸方向施加15g 加速度載荷時，電箱的最大應(yīng)力出現(xiàn)最大值8.13Mpa，此時的最大位移為22.6μm，因為在該工況下加速度載荷最大，所以應(yīng)力值較大。此外，沿Z 軸的電箱強度和剛度要優(yōu)于Y 軸方向，所以即使Z 軸方向加速度載荷增大，但最大位移并沒有超過Y 軸方向施加載荷的情況。三種工況下的最大應(yīng)力均小于鎂合金的材料屈服應(yīng)力215Mpa，變形位移量也都較小，不會對電路板組件產(chǎn)生破壞。

綜合電箱線性靜力學(xué)分析的結(jié)果，在設(shè)計空間遙感儀器電箱結(jié)構(gòu)時，要充分考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)性能在不同方向下的差異性，力學(xué)性能薄弱的方向應(yīng)該盡量避開最大加速度載荷方向，從而提高電箱力學(xué)適應(yīng)性。而本例中電箱力學(xué)性能薄弱的Y 軸方向避開了最大加速度載荷方向，且三種工況下最大位移和最大應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)，證明了電箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

4 10℃溫度場工況分析

載荷在空間中處于變化的溫度環(huán)境中，需要考察電箱均勻溫變載荷的承受能力，根據(jù)指標(biāo)要求，分析電箱在10℃溫度場工況下的熱應(yīng)力和熱變形。

10℃溫度場工況的環(huán)境初始溫度為20℃，均勻升溫至30℃。在MSC.Nastran 軟件中設(shè)置溫度場，并仿真求解該工況下電箱的最大變形量和最大熱應(yīng)力。圖6 為電箱在10℃溫度場工況下的熱變形和熱應(yīng)力云圖。

圖6 電箱在10℃溫度場工況下的熱變形和熱應(yīng)力云圖

通過圖6 所示，在10℃溫度場工況下，最大變形為49μm，出現(xiàn)在上箱板邊緣位置，量級較小；最大熱應(yīng)力為60.3Mpa，出現(xiàn)在右側(cè)箱板與底臺板框一處螺孔連接位置，該應(yīng)力值沒有超過鎂合金的屈服應(yīng)力215Mpa，不會對電箱結(jié)構(gòu)造成破壞。綜合熱應(yīng)力和熱變形結(jié)果，最大熱應(yīng)力和熱變形均出現(xiàn)在箱板結(jié)構(gòu)位置，對電路板內(nèi)部的影響較小，但是空間載荷依然要充分考慮溫度載荷的影響，考慮必要的溫控措施。

5 結(jié)論

電箱是空間載荷的重要組件，電箱的性能直接影響載荷是否能正常工作，所以在設(shè)計階段，通過有限元分析的方法對電箱進行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)進行迭代優(yōu)化具有重要意義，是生產(chǎn)前的重要理論保證。通過對電箱的模態(tài)分析、線性靜力學(xué)分析和10℃溫度場工況的仿真分析。結(jié)果表明，電箱的一階固有頻率為578Hz，遠高于指標(biāo)規(guī)定的120Hz；在給定的加速度載荷下，最大變形位移為28.5，最大應(yīng)力為8.13，不會對電路板組件產(chǎn)生破壞；在10℃溫度場工況下，最大熱變形為49μm，最大熱應(yīng)力為60.3Mpa，也不會對電箱結(jié)構(gòu)造成破壞。證明了設(shè)計的合理性，電箱結(jié)構(gòu)具有足夠的力學(xué)穩(wěn)定性和熱尺寸穩(wěn)定性，為后續(xù)進一步實驗驗證提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。