时间：2023-10-11 16:23:52
导语：在电子设备结构设计的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
【关键词】电磁兼容；电子设备；接地；屏蔽
1.前言
国军标（GJB72A-2002）中给出电磁兼容（Electromagnetic Compatibility即EMC）的定义是：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态：包括以下两个方面：
a）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现正常的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；
b）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。
对于从事军工产品的设计人员来说，应当尤为重视产品的电磁兼容性设计。在飞机上，狭小的空间中装备着大量的各种类型的电子设备，如通信系统、导航系统、发射系统、天线、雷达等等，导致电磁环境极为复杂，相互间的电磁干扰十分严重。因此，电子设备的电磁兼容设计对飞机性能有着重要的影响。
2.电磁兼容设计的目的
电磁兼容的主要课题就是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备与其它设备在一起工作时，不引起设备任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备应该既不辐射任何不希望的能量，也不受任何其他能量的影响。本文从结构设计方面介绍相应的电磁兼容设计方法。
在电子设备结构设计中，电磁兼容设计思想就是通过合理的接地、搭接和屏蔽等方法，将外系统对本设备干扰以及本设备对外部的干扰减弱。
3.电磁兼容设计方法
对于新研制的电子产品，应当从方案设计阶段就考虑电磁兼容问题，进行电磁兼容设计。在设计阶段考虑电磁兼容要远比研制样机采取措施来满足电磁兼容要求容易的多。况且在很多的时候，对已成型的产品，电磁兼容问题已经很难解决甚至无法解决，造成产品研制的反复。因此，电子设备必须在设计阶段就考虑电磁兼容问题。
3.1 接地
3.1.1 接地的目的
电子设备的接地是电子设备的一个很重要问题，正确的接地方法可以减少或避免电路间的相互干扰。接地目的有三个：1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。
因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位。尽管从功能的观点出发并不需要将一个等电位面端接至大地，但端接至大地对工频和射频信号都呈现出很低的阻抗。
3.1.2 电路接地的方式
不同的电路采用不同的接地方法。以下介绍几种电路的接地方法：
串联一点接地
将各电路串联后在一点接地。这种情况一般是将接地点放在低电平点。这种接法最简单，抑制干扰能力差，仅适用于低频电路。
并联一点接地
将各电路并联后在一点接地。这种接法各电路的电流自成回路，彼此独立，避免了各电路的相互串扰。但接地电阻较大，当工作频率较高时，底线容易产生辐射干扰。因此，并联一点接地也仅适用于1MHz以下的电路。
多点接地
多点接地时接地电阻较小，电路在高于10MHz时可用多点接地。但此时总地线应适当的宽些，长度也不宜过长，最好不超过0.15波长，同时地线与机壳应绝缘。
3.1.3 整机的接地
整机接地也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一。由于各功能不同，电路差别很大，接地状况也就大不相同。一般常用方式是：将模拟电路、数字电路、机壳分开，各自独立接地，避免相互间的干扰。最后再三地合一接入大地。这种方式较好的抑制了电磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。
3.1.4 搭接与接地的关系
电子设备的简单接地，是为了获得安全保护或者实现抑制噪声防止干扰所采取的措施之一。为了给交流供电电流和接地系统提供一条有效的低阻抗通道，必须把各种导体、电极、设备和其他金属物体连接或搭接在一起。这种搭接点的性能必须在很长的时间期限内保持不变，以免起始建立起来的搭接性能质量逐渐衰减。搭接是金属物体之间获得低阻抗的互连，因此还要防止由互连建立起的通路因腐蚀或机械松动逐渐变坏。
a）在搭接之前所有搭接表面必须予以清洁处理；
b）如果金属材料的防护涂层的导电性低于金属材料的导电性，在搭接前要清除搭接区域的该防护层；
c）搭接面的防护涂层被去除后，应立即进行搭接实施，以免氧化；
d）当不同金属材料之间彼此直接接触时，避免化学电位相差大的两种金属紧密接触，防止形成电化偶产生电化学腐蚀。
3.2 屏蔽
3.2.1 屏蔽的作用
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽技术是电磁兼容技术的重要组成部分，是解决电磁辐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
对于已确定的干扰源或易扰器件（敏感器件），可将其封于金属材料的屏蔽罩内；屏蔽罩采用铝、铜等金属结构件，选用导电性较好的表面处理。屏蔽罩的设计要注意：
屏蔽罩上尽量减少孔洞，如果无法避免时，可使用多个小圆孔避免使用大圆孔，尤其是长度较大的长条孔；
通过屏蔽罩的引线加装穿心电容，引线通过穿心电容穿过屏蔽罩与元件连接。
3.2.2.2 紧固点的间距
紧固点的紧固方式指采用螺钉连接、铆接、点焊等方法使两个零件的结合面结合在一起的措施。实际设计中，由于其他因素往往会受到限制，紧固点的间距一般就直接决定了缝隙的最大尺寸（长度），是影响缝隙屏蔽效能的最主要因素。由于目前尚无实用的计算方法计算缝隙的屏蔽效能，紧固点的间距只能按以下经验数据取值：
无线电产品或工作频率超过100MHz的产品，紧固点的间距取值20～50mm；
工作频率不超过100MHz的产品，紧固点的间距一般为取值50～100mm。
3.2.2.3 电缆的屏蔽
电缆的屏蔽有以下几种形式：
a）一般情况下使用屏蔽电缆，将电缆的屏蔽层与连接器的外壳连接。这种形式下的屏蔽效能取决于插头的屏蔽效果；
b）通过EMI滤波器连接。即电源线通过电源滤波器连接，信号线采用滤波连接器转接。这种方式即可滤波，又可实现屏蔽。
3.2.2.4 屏蔽材料的选用
选择适当的屏蔽材料及正确地使用这些材料，是达到目标屏蔽效果的重要环节。以下是几种常用的屏蔽材料：
铍铜指形簧片
铍铜具有优良的弹性和导电性，是非常理想的电磁密封材料。指形簧片允许滑动接触的，压缩形变范围大。簧片背后带有不干胶，可直接粘接在接触面上。另外，这种簧片可以在其中填充磁场吸收材料，增加磁场的屏蔽效能。 （下转第165页）（上接第163页）
导电橡胶
导电橡胶是在硅橡胶中均匀分布微细导电颗粒制成的，能同时提供环境和电磁密封。常用的填充颗粒有银颗粒，镀银铝颗粒和镀银玻璃球颗粒。
导电橡胶材料主要有导电橡胶板和导电橡胶条，导电橡胶条又有各种形状截面的实心导电橡胶条和空心导电橡胶条。
金属丝网
利用金属丝编织而成的屏蔽材料。属于一种廉价的电磁屏蔽材料，可用于高频屏蔽效能要求不高的屏蔽场合。
屏蔽胶带
由铜或铝箔加上导电背胶构成的胶带。直接贴在屏蔽体上的缝隙处消除缝隙的泄漏。使用时要注意粘接的金属表面必须是导电的，并要反复碾压胶带，否则导电胶不能发挥其高导电性。
屏蔽玻璃
在玻璃中间夹一层丝网或者在玻璃上镀金属膜实现屏蔽的玻璃。丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能较高，但是屏蔽网会使光线损失15%～20%左右，从而造成观察困难。通过合理选择屏蔽网的目数达到在光线损失允许的范围内使得电磁兼容达到要求。镀膜屏蔽玻璃的屏蔽效能较丝网屏蔽玻璃略差，对光线的损失也较小，但要防止镀膜损伤对屏蔽效能造成影响。
近年来，电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上，于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板，对仪器的正常工作产生有害的干扰，而仪器所产生的电磁波，也非常容易辐射到周围空间，影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求，人们在实践中，研究出塑料金属化处理的工艺方法，如溅射镀锌、真空镀（AL）、电镀或化学镀铜、粘贴金属箔（Cu或AL）和涂覆导电涂料等。经过金属化处理之后，使完全绝缘的塑料表面或塑料本身（导电塑料）具有金属那样反射（如手机）。吸收、传导和衰减电磁波的特性，从而起到屏蔽电磁波干扰的作用。实际应用中，采用导电涂料作屏蔽涂层，性能优良而且价格适宜。在需要屏蔽的地方，做成一个封闭的导电壳体并接地，把内外两种不同的电磁波隔离开。实践表明，若屏蔽材料能达到30～40dB以上衰减量的屏蔽效果时，就是实用、可行的。
4.结束语
保证设备的电磁兼容是一项复杂的技术任务，对于这个问题不存在万能的解决方法。电磁兼容技术涉及面很广，电磁兼容领域也正在发展，重要的是掌握有关电磁兼容的基本原理，认真分析和试验，就能选择合适的解决问题方法。
参考文献
[1]王定华.电磁兼容原理与设计[M].电子科技大学出版社，1995.
[2]冯正进，刘利，李行国.机电一体化系统中的电磁兼容性问题[M].电子科技大学出版社，1995.
[3]莫世禹.通信设备中的电磁兼容设计方法[D].南京：中国电子学会机械电子工程（微波）分会，电子机械与微波结构工艺学术会，2006：58-62.
作者简介：
【关键词】军用设备；机载通信设备；机箱结构设计
1.引言
机载通信电子设备一般为独立设备，是机载电子系统中重要的组成部分。军用设备通常在非常恶劣的环境下服役，工作环境、使用要求和用户要求比其他电子设备更为严苛，因此，其结构设计要求具有特殊性。
为适应现代战争作战要求，机载平台通信系统一直维持高科技化的发展，对军用机载通信电子设备要求越来越高。对于机箱结构设计需要满足多功能、高性能、高可靠性、小型轻量化、通用化、维修快速化等要求。军用通信设备研制周期短，产品变化多，往往是电路设计、结构设计同时并行，多专业同时协调优化设计，以成熟可靠的机箱设计技术为基础，才能实现高效率、高品质的产品设计。
2.设计要求
军用机载通信设备的环境条件是用户根据GJB 150A、GJB 367A或HB 5830系列标准，结合设备的实际使用、运输、贮存环境制定的。
机箱的结构设计，首先应满足工作环境以及技术指标要求：
1）机箱的结构设计方案应简捷，且细节设计到位。零部件加工工艺性良好，机箱具有良好的操作维修性，便于装配、调试、使用、维修。机箱的内部走线工整，牢固。
2）机箱的模块化设计程度高，继承性高。结构设计应尽量采用通用件、标准件。
3）机箱的结构设计方案应充分考虑散热，对于功率放大器件等热耗大的器件，应在方案设计阶段阐明采取的热设计措施。
4）机箱应具有足够的刚强度，能适应搬运和运输过程中的振动环境，机载通信设备在飞机行驶中的振动环境下能正常工作。同时，还应能适应在使用、搬运、装卸和和运输等过程中可能遭受的非重复性冲击。
5）机箱的结构设计应遵循小型化、轻量化要求，采用减重设计。
6）机箱应有电磁兼容性设计。
7）机箱应进行三防设计，保证在气候恶劣的环境下长期服役。
3.机箱结构设计要点
机箱是实现设备技术指标要求的基础，通常也是结构设计的主要对象。通信设备通常为独立的箱壳式机箱，按结构形式可细分为钣金式机箱、铣制机箱、焊接机箱、模块化铝材机箱等。除另有规定外，军用机载电子设备的机箱尺寸其附件应符合GJB 441和GJB 780的规定。
军用机载通信设备通常置机舱内，根据GJB 376A要求，机箱的外观为黑色（无光泽）。设备外观及内部模块都应有标识，名牌安装于设备明显位置，内容清晰、耐久，除非特殊规定，不使用不干胶作为设备名牌。机箱的结构设计应充分考虑“三化”的要求，采用模块化的设计，最大化统一螺纹规格，尽量采用标准件、通用件。机载设备的机箱要求小型化、轻量化设计，结构方案设计阶段需采用减重措施。为满足机箱安全性要求，机箱外观不应有尖锐棱角，外壳的不连续性（盖板、窗口等）应尽可能少，外露器件（接插件等）要有防护措施，前面板安装把手可以在前面板向下放置时能保护面板上的突出器件，外部安装的不连续使用的插座均应装保护罩，前后面板排布要美观合理，设备超过10kg时考虑用双把手，所有紧固件都要有效防松脱，机箱还应有漏电保护措施等。
3.1 钣金结构机箱
钣金结构是军用机载通信设备机箱的常见形式，其结构简洁、规则、对称、重量轻，而且有成本低和便于加工的优点。钣金结构的机箱整体是由折弯零件装配而成，具有良好的刚、强度。结构设计时要注意以下几点：
1）材料选择塑性好的防锈铝，机箱用料厚度一致。
2）折弯内缘半径过小会引起开裂，而过大会产生回弹。应以工艺要求为设计依据，合理设计折弯内径，利用现有的折弯模具加工。
3）考虑钣金零件机械加工的工艺性，如单边折弯高度不宜过小，冲孔落料直接要有安全间距，以及弯边冲孔边距合理等问题。
4）钣金折弯后以弯边为基准的尺寸公差应放至0.3mm较为经济，应合理设计机箱外形、孔位等尺寸的精度，避免公差过高增加不必要的成本。
图1是钣金结构机箱，图2为铣制结构机箱。
3.2 铣制结构机箱
铣制机箱在军用机载通信设备中非常普遍。铣制机箱结构灵活、复杂，突破了其他种类传统机箱的局限性。现代通信设备呈小型化、多功能化、外观时尚化的发展趋势，铣制机箱适应性强，而且机箱铣加工成薄板和加强筋的形式利于增强整体刚度和减重。设计时要注意以下几点：
1）铣制机箱螺纹全部属于紧固连接螺纹，应合理布置紧固处的间距，铝合金强度不够时应采用不锈钢螺套来增强螺纹强度。
2）机箱应避免使用沉头、半沉头螺钉，且必有防松脱措施。
3）机箱的零部件设计，应便于加工和装夹，仅在必要时提高精度。
4）机箱外部的门、板应方便拆卸。装配、维修方便，避免使用特制工具。
3.3 焊接结构机箱
焊接机箱框架牢固且刚、强度高，焊接缝强度高于基材的一半。军用设备工作于恶劣的机械环境中，焊接机箱在抗冲击和振动的性能优越。军用机载通信设备机箱的焊接结构常采用真空钎焊，其他种类的焊接也多有应用。焊接机箱结构设计时要注意以下几点：
1）航空铝合金中3A21、5A06、5A05、6061、6063适用于手弧焊、电子束焊、点焊。在真空钎焊炉加热温度不大于800℃的条件下，只有3A21、6063适合用于钎焊（因为钎焊温度低）。
2）采用铝合金3A21、6063焊缝致密度较好，但应避免垂直焊缝，焊接面的宽度不小于10mm。焊前用不锈钢或与母材同材质的螺钉紧固被焊零件，螺钉间距20-30mm为宜，精度要求高处采用不锈钢圆柱销定位。
3）机箱采用等厚度的板料焊接，不等厚时应设计过渡区以达到等厚。使用手弧焊主要用V型坡口，板厚度不大于3mm可以不设计坡口。
4）焊后加工会削弱焊缝强度，应避免焊后加工。
图3是焊接结构模块化的机箱，图4为模块化结构机箱。
3.4 模块化机箱设计
模块化设计是军用通信设备的显著特点。欧美有SEM-E、ASAAC标准模块规范等，国内也制定了GJB 1422、HB 7091和HB 7092等针对航空机载电子模块的标准。模块化结构设计=通用模块（大量）+专用模块（少量）+模块连接器。结构设计人员只需注重专用的结构形式和接口设计，而不必从头开始，可以有效简化设计程序，缩短研制周期。
通信电子设备常见的模块划分：电源模块、接口及数据处理、终端模块、信道模块、功率放大模块。模块间的电路互联主要有低频、射频，有时会有光纤等模块化结构设计时要注意以下几点：
1）模块的结构设计应是有效的利用空间，尺寸与重量尽量小，一般能够单人手持。
2）模块应是可维修、更换的，并且在正常安装位置或从设备卸下时都能较容易地对其调试测试。模块上应使用快速分离式连接器，分离时不需要使用工具（或只需一般手工工具）。同一模块接插件数量较多时，应考虑到插拔受力。
3）盲插模块需用导向装置和定位销的导向与定位，安装模块时可轻易对准，而且一定要有防插错的措施。盲插模块接插件要有浮动量，对于射频接口浮动量以1.5mm为宜，避免过小或过大。
4）固定模块用的紧固件应容易拆卸，要防止紧固件掉入设备，尽量使用松不脱组合螺钉。
4.结构设计关键技术
4.1 热设计
军用机载电子设备热设计的基本理论和计算方法以及热可靠性分析与鉴定的方法在GJB/Z 27、QJ 1474均有详述。机载通信设备内部的高密度集成电路和功率放大部位热密度很高，散热设计往往是结构设计的关键技术。
设备机箱在方案阶段的设计方法，多数借助数值传热学仿真技术模拟热环境辅设计。最常用的热分析软件有FLOTHERM和ICEPAK，它们利用计算流体动力学（CFD：Computational Fluid Dynamic）和数值传热学仿真技术来模拟电子设备中的流体流动、热传输以及热辐射（边界条件），并以此计算电子设备周围的流场、温度场、压力场。热分析软件的瞬态分析计算量非常大，因此绝大多采用稳态的分析的方法，而且允许有较大（30%左右）的误差。
军用机载通信设备的工作环境温度，以技术协议为依据，温度范围可达-50℃～+75℃。不少设备考虑占空比的因素后，平均热功率仍不少于200W，机箱强迫风冷散热方式被普遍采用。机箱的热设计设计时要注意以下几点：
1）冷却空气的入口应远离其他设备热空气的出口。
2）机箱结构设计时应考虑机箱内的热耗分布，为机箱内部单元设计传热、散热的途径，必要时采用热绝缘或热屏蔽措施。功放管等器件热耗突出，在机箱热设计中要着重分析。
3）选择风机时，应具备合适的风机尺寸和风量，还要考虑到风机的噪声（转速）、电磁干扰、振动、振幅等因素对机箱内的影响，要充分考虑风机的可靠性。鼓风产生的风压大、风量集中，很适用于局部冷却，应尽量使风机保持良好的工作点；抽风产生的风量大、负压分布均匀，对流道结构的要求比鼓风低，但要避免气流“短路”。通过风机的特性曲线找出合适的工作点，作为仿真结果的对比。风机有工作温度范围，不能超限值工作，有时必要配置风机的控制电路。
4）强迫风冷若不满足要求，则首先应优化散热器的几何参数。增加肋片高度和肋片数，可以增加散热表面积。但当肋片增加到一定数量时，肋片间距变小，导致流过肋片的风量变小，同时肋片间的温度会相互影响，所以，增加表面积须考虑流动阻力。
5）热设计与其他设计（电气设计、结构性设计、可靠性设计）要同时进行，当出现矛盾时应权衡解决，但不得损害电气性能。
4.2 隔振设计
军用机载通信设备对隔振的要求很高，必要时会使用多级隔振技术。机箱通常选用刚度较大的隔振器，而不耐振的器件则选用刚度小的局部隔振器或采用加固的方式。机载通信设备减振系统中，钢丝绳隔振器、金属网阻尼隔振器、金属干摩擦式隔振器（即无谐振峰隔振器）比较常见。对振动敏感的器件通常采用体积小的橡胶隔振器或隔振垫。具体隔振设计时应注意以下几点：
1）机箱的设计应增强结构的刚性（应对较低的激振频率），避免悬臂结构和明显的应力集中。
2）机箱中重量大于7g的独立器件，均应考虑隔振加固，无法安装隔振器可用有弹性的胶状物质充在需要隔离的部位。
3）紧固机箱的安装架采用铝合金钣金结构，尽量用铆接或螺纹连接，以提高阻尼。应避免使用焊接，以防开裂。
4）选择隔振器须符合设备机箱的环境要求，尺寸尽量小、隔振效率尽量高。根据设备总重量及设备重心位置，遵循几何对称布置原则，确定每个隔振器的实际承载量。隔振器不超过额定载荷使用，如果各支撑点的载荷相差较大，则应采用同一型号不同刚度的隔振器。安装隔振器的部件应该具有最高的强度，隔振器间距应尽可能大，但要避免设备在静载荷、动载荷下发生弯曲变形。
4.3 电磁兼容设计
通信电子设备多是对静电放电和磁场敏感的设备，应采取诸如接地、隔离、屏蔽等措施以提高电磁兼容性。结构的电磁兼容性设计应与设备电气设计同步进行，并按照GJB/Z 25标准开展设计。机箱电磁兼容设计时应注意以下几点：
1）通信设备主要是高频屏蔽，对此屏蔽体材料须选用良导体，如铜、铝等，还需进行表面处理，增加表面导电能力（对于低频屏蔽体选用磁性材料，如铁等）。
2）机箱上必有接地装置（通常为通用件），用于接地的所有金属或其它电气连接件导电处应良好紧固接触，无间隙以及油漆等涂料。
3）机箱盖板的紧固件间距，通常使用1/4屏蔽波长。
4）机箱选用的导电材料应考虑抗腐蚀能力，并满足环境条件。导电橡胶条粘接用703硅橡胶分段单点粘接，每隔2.5cm～5.0cm分一点，切忌整段粘接。
4.4 三防设计
机载设备机箱考虑到材料的强度、刚度，一般选用铝镁合金作为主要材料。三防设计是机箱结构设计的重要一环，设计的相关要求应符合GJB/Z80标准。军用机载电子设备的机箱均需满足GJB 150A所规定的湿热、盐雾、霉菌试验要求，三防设计时应注意以下几点：
外表防护层选用氟聚氨酯漆，其耐候性优于丙烯酸聚氨酯漆。外表油漆不撒花比撒细花耐霉菌能力好。
2）机箱中所用不锈钢零件须进行钝化处理，铜合金进行镀镍、镀银或镀金。
3）因为会变色，镀银通常用于机箱内部。在没有导电性能要求的地方，可用三防漆防护镀银层。
4）机箱外部接插件外壳首选不锈钢材质钝化，其次是防锈铝合金表面镀镉。
5）机箱的接地柱和有相对运动的器件，不能涂敷三防漆和油漆。
5.结束语
本文是在实际工程中总结经验，概况阐述了军用机载通信设备机箱结构设计技术的要点，对同类产品的结构设计具有一定的参考借鉴意义。技术进步要通过不断创新，只有遵从科学原理，不断总结经验和成果，方能减少设计创新的风险，增强产品的竞争力。
参考文献
[1]GJB367A-2001.军用通信设备通用规范[S].总装备部军标出版发行部，2001，9.
[关键词]热设计；热仿真分析；辅助设计；提高工作效率；节省设计成本
中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0248-02
1 引言
随着我国军事工业的不断发展，军工电子设备在保证其使用的可靠性、密闭性能的同时，还对设备的小型化和外观等提出了更高的要求。另一方面，设备内部使用的电子元器件及电子设备功率密度也在不断增加。如果在密闭的环境内，各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的温度极限，使得这些电子设备的可靠性大大降低，甚至使设备丧失工作能力。有资料表明，电子设备的失效率有55%是由于温度超过了规定值而引起的。环境温度每增长10℃， 电子设备的失效率增大一倍以上，10 ℃法则给出了电子元器件的失效率随温度增加的变化规律，说明了热设计在电子结构设计中是不可忽视的环节。因此，研究散热方法，改善散热方式，提高冷却效果，对提高电子产品的运行稳定性都具有十分重要的意义。
传统的设计方法是简单结构，利用传热学中大量的公式、表格，通过计算来进行分析的，而对于复杂结构就只能根据经验或试验来获得。本文详细介绍了利用ANSYS软件对某军工密封式电子设备的复杂散热器件进行仿真、辅助设计，节省设计成本的过程。
2 某密封式电子设备上散热器件的设计思路
2.1 某密封式电子设备的参数指标
某密封式电子设备中的功能单元板上有两个75W的功放晶体管，设备正常工作时分收发两个时段，发射和接收时间比例大约为1：3，发射时功放功率最大为150W，有效输出功率为50W，接收时功放功率小于70W，有效输出功率约20W。由于该功能模块的发热功率比较大，最大时可以达到100W；且该设备有密封防水性要求，因此要求单元板在设备内部所处的空间是密闭空间。要求在不改变设备外轮廓的前提下分析晶体管直接通过导热硅胶粘在翅片式散热器上通过自然散热时，晶体管和单元板的温度变化能否满足电路板和芯片正常工作的温度要求，并对散热器的尺寸进行优化。
该密封式电子设备的工作参数如下：
1、正常工作温度范围：-40℃―55℃；
2、在60℃高温环境下开机试验，设备可以连续正常工作4小时以上；
3、设备在工作温度范围内的温度应该小于内部单元板上电子元器件的结温。一般来讲，晶体管正常工作时的温度应控制在 90℃以下，单元电路板上元器件的温度控制在80℃以下。
2.2 某密封式电子设备的结构组成
某密封式电子设备的外观如图所示
右侧为盒体，左侧有散热凹槽部分即为后盖板，本文讨论的散热器件即为后盖板。
打开设备，盒体内部印制板上有两个发热源，功率各为75W，共150W。后盖板根据散热要求，初步设计如图。
3 ANSYS辅助设计
3.1 根据经验的改进
根据经验改进后，后盖板如图：
3.2 ANSYS仿真的应用
由于该芯片的热分析属于典型的电子设备热设计分析，因此选用了ANSYS 中Workbench里面的专业电子设备机箱级、芯片级、封装级的热分析软件模块ICEPAK来完成本次热分析。
导入后盖板模型如图：
划分网格如图：
对建立完成的后盖板散热模块热分析模型进行网格划分，划分网格后检查网格划分的质量，网格划分后产生87450个单元和94588个节点，面匹配系数几乎全部接近于1，网格划分质量较高。如图所示：
计算过程
网格划分后，需要进行求解前的参数设置，设置求解的步骤为100步，流体和能量残差为系统默认值，打开solution setting 中的basic settings 窗口，点击reset，得到系统Rayleigh number 为2.23e6，并打开辐射radiation开关，设置重力方向，重力大小都选择为默认值，随后设置环境温度、辐射温度、默认流体等等，最后设置求解时电脑处理器为“并行”运行，加快求解速度，减少求解时间。如图所示：
求解
进行完求解参数设置后，就可以如图所示进行求解，并打开求解监视器开关，以详细直观地观察求解过程中的步骤和收敛情况。
后处理过程
求解结束后，可以通过如下图所示的ICEPAK软件后处理模块，查看模型的热分布情况，热流矢量图，切面温度分布等情况。
4 后盖板的优化设计
为了解后盖板的散热性能对后盖板翅片的参数敏感度，本文针对相同厚度和高度散热翅的个数、相同个数和高度散热翅片的厚度、以及相同厚度和个数的散热翅片的高度等参数对于散热器稳态温度的影响进行了多次热分析。
4.1 后盖板翅片个数不同时的热分析
后盖板中散热翅片厚6.5mm，高24mm，环境温度60℃时，后盖板翅片个数为19个、23个和27个时后盖板的稳态热分析温度分布如图
由此可知，散热翅片个数越多，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越低。
4.2 后盖板翅片厚度不同时的热分析
后盖板中散热翅片个数为24个，翅片高24mm，环境温度60℃时，翅片厚5mm、6mm和7mm时，后盖板的稳态热分析温度分布如图
4.2.3 后盖板翅片厚度为7mm的稳态分析温度分布图
由此可知，散热翅片越厚，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越高。
4.3 后盖板翅片高度不同时的热分析
后盖板中散热翅片个数为23个，翅片厚6.5mm，环境温度60℃时，翅片高20mm、28mm和36mm时散热器的稳态热分析温度分布如图
由此可知，散热翅片越高，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越低。
5 结果分析
从热分析的结果来看，后盖板的散热翅片的个数越多，散热翅片的高度越高，散热翅片的厚度越薄，散热的效果越好。但是，从该密封式电子设备的结构设计、工艺分析和美观程度来看，后盖板散热翅片的个数也不能越多越好，散热翅片的厚度也不是越薄越好，散热翅片的厚度也不能加工地越高越好。在满足后盖板散热的前提下，从实际需要，加工效率和加工成本等多方面考虑，故采用后盖板散热翅片的个数为23个，散热翅片的厚度为5mm，散热翅片的高度为24mm。
参考文献
[1] 邱成悌，赵C殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005
[2] 付桂翠，高泽溪，方志强，等.电子设备热分析技术研究[J].电子机械工程，2004 （1）：13-16
关键词: 参数化设计；工程图；三维模型；Pro/ Engineer
中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：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
电子设备机箱是雷达电子设备的载体，是雷达装备的重要组成部分。从发射、接收、信号处理到终端，几乎每一个分系统都离不开机箱的应用。随着军事装备的研制周期不断缩短，需求的日益多样化，带来了设计时间紧，设计任务重的严峻局面。而电子设备机箱基本上都执行有关国标和国军标的规定，机箱外形多呈扁平长方体，一般由机箱框架和若干板组成。框架是机箱承载的主体，所有的插件、底座、面板等都立足其上，如每次都重新设计，不仅增加重复劳动，且出图工作量也很大；而且也占用设计师的大部分时间和精力，延误了新产品的开发进程。
在我们应用由美国参数技术公司( PTC)开发的Pro/ Engineer软件（基于参数化设计思想而发展起来的机械设计软件）后，这一局面得到大大的改善。 我们利用它的参数化和全相关功能强大的实体造型技术, 以及全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的主要特点，进行二次开发从而实现雷达结构设计的智能引导设计。以下就电子设备机箱的设计来介绍下基于Pro/E的智能引导设计。
1 参数化设计技术
参数化设计亦称尺寸驱动, 就是将设计要求、设计原则设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示, 以便根据实际情况随时加以更改。它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。
目前参数化技术大致可分为如下三种方法：1）基于几何约束的数学方法；2）基于几何原理的人工智能方法；3）基于特征模型的造型方法。我们采用基于特征模型的造型方法。特征造型方法是三维实体造型方法的新发展, 是CAD 建模方法的一个新里程碑, 它是在CAD/ CAM技术的应用和发展达到一定水平, 要求进一步提高生产组织集成化和自动化程度的产物。该文应用Pro/ E 软件的参数化和强大的全相关功能的实体造型技术, 以电子设备机箱的结构设计为例, 来实现插箱的三维模型参数化设计及对应的工程图的自动生成。
2 基本原理
基于Pro/E的雷达结构设计可以分为零件设计、装配、工程图三个不同的设计阶段。Pro/E三维的设计过程全相关性；这使得设计者在任何阶段对设计的修改都会影响到其它阶段, 设计过程变得非常灵活和轻松, 大大提高了设计效率。我们采用的是三维模型与程序控制相结合的方式。三维模型（包含零件设计、装配）的创建是手工创建的，在已创建的三维模型及其对应的工程图的基础上，进一步根据实际的设计要求建立一组可以完全控制三维模型外形和大小的设计参数。这样就可以通过对这些参数的修改来生生成新的三维模型，进而利用Pro/ E 软件的全相关功能带来工程图的自动生成。（为了与一般的三维模型相区别，我们称这种带有参数化的模型为三维模型模板。）
3 参数化的三维模型模板及其相应的工程图的创建
设计者从产品要求和零件的功能入手, 对产品的每个零件建立三维模型及其相应的工程图。零件和装配可以统称为模型, 所以本文此处所述的三维模型包括三维零件模型和装配模型两个部分。三维模型模板的建立与一般的三维模型大体上是相同的，主要有以下几点需要注意：
1) 在绘制二维截面的绘制过程中，要尽量用相切、同心、共线、垂直及对称等关系与尺寸的相结合的方式来进行约束，尽量减少尺寸的数量。
2）正确设置控制三维模型的参数。设计参数可以分为两种：一是主参数，与其他参数无关的独立参数；另一种次参数，是与其他参数相关的参数。主参数主要来控制三维模型的外形及拓补关系。而次参数主要是用主参数为自变量的关系式来表达。
3）正确建立主参数与三维模型的尺寸的关联关系。主要两种方法可以使它们关联：一是在创建特征的过程中，在输入尺寸的值时，直接输入参数名；另外的就是在Pro/ E 软件的关系式功能中建立特征的尺寸与主参数的关系，类似于赋值如d1=总长。这里推荐后一种方式。这样一来创建三维模型时就可以不考虑参数的问题，完成以后再建立它们之间的关系不容易错和遗漏，并且便于修改。
4 详细设计
机箱一般是由插箱、插件、面板、导轨等组合而成的（见图1）。
4.1 机箱的外形
根据多年的经验机箱常用的系列如下：按照宽度系列有19inch（482.6mm）和24 inch（609.6mm）2个系列。按照高度系列有H有4U、5U、6U、7U、8U等（U=44.45mm）4个系列。按照深度系列有352.24mm、412.24mm、472.24mm 3个系列。
4.2 机箱的内部布局
内部从左向右依次放置插件或者假面板，它们的宽度一般都是N（5.08）的倍数，直到布满为止。
据此我们创建三个数值型主参数来控制机箱的外形的变型；创建一个数值型参数用来输入插件或面板的宽度，利用野火的程序模块功能创建判断语句去自动判断机箱是否布满，如没有布满则提示剩下的面板的宽度，如果没有布满，提示继续输入插件或面板的宽度。
menu program edit design ,在Pro/ e 所提供的记事本中进行编程。在INPUT END INPUT 建立这参数如下：
1）机箱深度NUMBER
"机箱的深度：请根据需要选择352.24、412.24、472.24中的一个数值"。
2）机箱宽度NUMBER
"机箱的宽度：请根据需要选择482.6mm （19inch）或者609.6mm （24inch）中的一个数值"。
3）机箱高度NUMBER
"机箱的高度：请根据需要选择4U、5U、6U、7U、8U中的一个数值"。
4）插件宽度NUMBER
"插件或面板的宽度5.08的整数倍"。
在雷达机箱的装配模式下，打开Pro/ E 软件的关系式功能，然后创建基于这些参数的内在关系。（见图2）
打开机箱的工程图选择再生,系统就会出现提示, 询问用户是否要对该机箱的主参数进行设置。 用户可以根据实际的设计需要进行选取，对其重新赋值，确认后系统会根据你所输入的值自动生成新的工程图。（见图3）
5 结论
该文通过三维软件Pro/ Engineer的参数化设计模块，以雷达机箱为例,论证了参数化设计过程。经过实际多次应用，表明利用参数化设计手段来进行雷达机箱的结构设计，可使设计人员从大量繁重而琐碎及重复性的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，改善设计质量，减少设计错误。
参考文献：
[1] 林清安.Pro/ Engineer2001 零件装配[M].北京:清华大学出版社,2001.
首先分析机柜设计中常用的几种散热方式，例举了机柜通风孔设计中常见的几种设计形式及其对应的通风率计算公式，然后从机柜整体设计的角度出发，将通风孔设计作为机柜总体设计的一个重要元素，最后阐述了通风孔设计与视觉传达艺术与设计之间的联系。
关键词：
民用雷达；电子设备；热设计；通风孔
电子科技的发展日新月异，电子设备中元器件和结构件的设计也日趋小型化，这使得单位空间的设备越来越多，设备在相同的空间中功率也直线上升，电子设备的散热设计成为总体设计中一个重要的环节。因此，对电子设备必须配置冷却系统，在热源至热沉之间提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。在民用雷达电子设备结构设计中，机柜是最常见的设备之一，机柜的散热设计是民用雷达电子设备设计中一个重要的环节，它直接关系到机柜内设备是否能够正常运转。高温对于大多数电子元器件将产生严重的影响，它会引起电子元器件的失效，进而导致整个设备的瘫痪。因此散热设计应运而生，在民用雷达电子设备机柜热设计中，散热方式多种多样，风冷是常用的热设计方式之一。设计师需根据机柜中插箱、插件的数量、位置及发热元器件的位置来综合考虑风扇的选型、风道的路径选择以及合适的通风孔位置和通风孔型[1]。
1民用雷达电子设备机柜散热形式分析
机柜是民用雷达电子设备的重要载体，其散热形式对民用雷达电子设备有着至关重要的作用。散热形式有很多，包括自然冷却、强迫冷却、蒸发冷却、热电制冷、热管制冷等。自然冷却，是指利用外力迫使流体流过发热器件进行冷却的方法。包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合。自然冷却方法一般适用于功率较小的电子元器件，其优点在于结构简单，不需额外的散热设备可靠性较强。其主要的散热方式为金属导热。强迫冷却是利用外力迫使流体流过发热器件进行冷却的方法，其包括强迫风冷和强迫液态冷却等，设备在热流密度大于0.08W/cm2，体积功率密度超过0.08W/cm3时，就需要适用强迫风冷或液冷的形式对设备进行冷却，这也是最常用的散热方法。风冷是指利用通风机或机组将设备中热源产生的热量通过风道传递至热沉。蒸发冷却是利用液体汽化吸收大量汽化热进行冷却的方法。热电制冷是利用半导体期间的热电效应等实现电与热转换的制冷方法[2]。
2机柜通风孔开孔形式及开孔率计算
通风孔的形式多种多样，在民用雷达电子设备的机柜散热设计中我们常用的通风孔型有圆孔、方孔、腰形孔、蜂窝孔等，不同的孔型其散热效率有着不同的差别。在设计通风孔时，需要根据元器件上的热源位置、功率、风扇位置、机柜内部及外部环境来综合考虑通风孔的设计形式。在热设计中，开孔率是一项重要的指标，下页图中分别例举了不同的通风孔开孔率计算公式。图1例举了三种圆孔的开孔率计算公式，图2例举了两种腰形孔的开孔计算公式，图3例举了两种方孔的开孔率计算公式，图4例举了蜂窝孔的开孔率计算公式。
3雷达电子设备机柜前面板通风孔的统一性设计
在民用雷达电子设备机柜中,分布着若干不同的单元,它们大多是以标准的插件或插箱的形式存在，在这些插件及插箱中，有自然散热设备也有需要通过风机散热的设备，那么其外露面板就需要进行通风孔的设计。以工业设计为基础，从机柜整体设计出发，机柜面板通风孔的设计关系到机柜整体设计的美观性。在满足散热需求的基础之上，统一形式的通风孔会让机柜更加整洁[3]。在视觉传达艺术与设计中，平面构成是视觉设计的重要内容之一，平面构成主要是运用点、线、面的律动组合构成不同的画面形式。平面构成中通常会使用到形式美法则，它包括图形的节奏与韵律，对比与调和，对称与均衡和变化与统一。在机柜面板的通风孔设计中，我们可以将孔作为一个点状元素，点的组合形成线状元素，线的组合又演变为面的元素，因此通风孔的设计在遵循热设计的基本条件之上，可遵循一定的形式美法则。形式美法则中节奏与韵律、变化与统一原则，在通风孔设计中可适当应用。节奏是指均匀的重复，是在不断重复中产生频率节奏变化，韵律在平面设计中，体现为图形在组织上合乎某种规律时所给人视觉和心理上的节奏感，有规律的节奏与韵律变化给你以轻松、优雅的感觉，如图5所示。这种规律应用于通风孔设计中，会给使用机柜的人带来一种轻松、愉悦的感觉，相反杂乱无章的通风孔设计从视觉传达的角度来看，会让人感觉疲劳、烦躁，如图6所示。变化与统一原则，在通风孔设计中表现为孔型在整个面板中的数量、排序及大小的变化，根据不同的面板宽度来综合考虑通风孔的设计，从整体上来看遵循一定的规律，有一定的统一性。
参考文献
[1]邱成悌,赵惇殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2001(12):56-68.
【关键词】机加工；耐腐蚀；5A06铝
0 引言
舰载电子设备在湿度高和盐雾恶劣的条件下工作，所以防潮湿、防盐雾、防霉菌的“三防”是设计舰载电子设备必须要考虑的因素。处于高湿度环境中的材料，水汽会吸附于物体表面或凝结成水膜，会通过扩散、渗透、呼吸进入材料或设备内部，会加快材料的破坏程度，如沿海地区存在盐雾，对材料有极强的破坏作用。
用于舰载电子设备的材料选择大量使用硬铝2A12，尽管其重量轻，强度高，但易腐蚀缺陷成为电子设备交付及交付后主要的质量问题之一，尤其在海洋上使用，腐蚀速度极快，腐蚀程度严重，结构强度迅速下降，非但无法在实际使用中体现强度高的特性，反而因腐蚀造成产品外观低劣。
1 研究方法和内容
舰载电子设备用于恶劣的环境中，面临着盐雾、锈蚀、霉菌、老化等各种环境问题，，应尽量选用耐腐蚀性好的金属材料和不长霉菌、耐老化的非金属材料。
为了使电子产品能够适应各种恶劣环境，提高舰载电子设备产品的环境适应性，进行了防锈铝5A06和硬铝2A12的抗腐蚀性能、机械性能和加工性能的比较验证。以期在产品研制中做到材料的正确应用，从根源上解决电子产品在恶劣气候中结构件的腐蚀问题。
2 研究内容
2.1 两种铝合金的抗蚀性比较
2A12硬铝合金在盐雾试验条件下，不同程度出现腐蚀。未经导电氧化表面处理的2A12硬铝样板已经被严重腐蚀，出现较大腐蚀点（图1中间）。经过导电氧化表面处理的2A12硬铝样板已经出现腐蚀粉末（图1两侧）。
5A06铝合金在盐雾试验条件下，未经导电氧化表面处理的样板表面仅是颜色变淡（图2中间）。经过导电氧化表面处理的5A06铝样板表面仍然很光洁（图2两侧），无腐蚀粉末出现。
2.2 两种铝合金的机械性能比较
在万能材料试验机上进行材料拉伸性能测试，精确等级0.5级，加载速度为5mm/min，选用不同厚度硬铝铝（2A12-H112态，2A12-O态）和防锈铝（5A06-H112态，5A06-O态）制成试棒，测试不同厚度板料的拉伸强度。拉伸破坏试验表明，热轧态（H112）和退火态（O）的5A06铝与2A12铝均能满足工程需要。且5A06铝在H112态和O态的强度均大于同条件下的硬铝2A12约25%，所以防锈铝5A06抗拉强度略高于2A12态的硬铝。
在这两种铝合金中，仅是2A12硬铝可以热处理强化的，淬火时效的硬铝（2A12-T4）的强度即使与5A06防锈铝相比还要高出30%左右，但是电子设备结构设计中在强度上的优势处于次要地位，因此，即使这两种铝里面强度最低的退火态硬铝（2A12-O）已经满足大部分结构件对强度等机械性能的要求。
2.3 两种铝合金的切削加工性能比较
工程手册和生产实践中5A06铝合金切削加工性良好，而2A12铝合金切削加工性一般。在相同加工参数条件下，5A06铝合金零件加工表面质量高，变形小，而2A12铝合金零件加工表面质量低，变形大。螺纹孔均能满足螺钉抗拉和抗扭要求，且在设定最大扭紧力矩上再增加力矩，螺钉一般就会损坏（拉断或者产生塑性变形），但铝板上的螺纹孔仍完好无损。
3 分析结果
3.1 材料的成分和组织决定着材料的抗蚀性。硬铝2A12为铝-铜-镁合金，合金组成为α（Al），θ（CuAl2）和S（Al2CuMg），其中腐蚀类型以由于过饱和固溶体不均匀析出所致的晶间腐蚀为主，随着含镁量的增加θ相减少，S相增多，当含铜相析出后，沿晶粒周围形成含铜较低的贫铜带。在电解液中，贫铜带为阳极，而含铜较高的晶粒中心和析出相为阴极区。作为阳极区的晶粒边界面积小，阳极电流密度高，在腐蚀过程中，晶粒边界将遭到强烈的破坏。而含镁量较高的5A06合金为铝-镁系列合金，其主要成为为α（Al）和β（Mg2Al3） 相，晶间腐蚀倾向较小。腐蚀发生时，首先是Mg2Al3被溶解，对材料中的Al形成保护，因此在工业大气及海洋中均有较高的耐腐蚀性，在淡水、海洋、有机酸、浓硝酸中的耐腐蚀性也很好。
3.2 导电氧化获得的氧化层薄，膜层容易被各种环境外力破坏，对材料保护有限，通常不单独使用，通过盐雾试验发现导电氧化层基本退色，所以，在实际生产中，在防护性较高的基材表面进行导电氧化处理，而不导电氧化部位一般进行涂层防护处理。
4 结论
5A06铝合金抗盐雾腐蚀能力显著明显，所以适合于在恶劣气候环境下的舰载电子设备的应用。同时电子设备的装备环境复杂多变，产品的设计选材应该严格按照耐腐蚀性、机械性能综合评估，因此5A06铝合金是一种航空、航天电子设备的优选材料。其对电子设备的改善，产品加工质量和效率的提高以及电子产品的环境适应性能的提升具有重要的现实意义。
【参考文献】
[1]总装备部.GJB 367A-2001军用通信设备通用规范[S].北京：总装备部军标出版社，2001
关键词:热仿真; 热测试; 电子设备; ICEPAK
中图分类号:TN02; TP391.9
文献标志码: 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
随着现代电子技术的发展,电子设备不断向高功率､高密度方向发展,如果各种发热元件散发出来的热量不能及时散发出去,各个元器件的温度就会超过各自所能承受的极限,导致电子设备可靠性大大降低.这就要求对工作温度有较高要求的电子设备进行结构的热设计.[1]目前,对电子设备的热设计工作主要采取数值仿真与实验相结合的方法.在对电子设备进行风冷热测试实验所产生的大量实验数据基础上,进行软件热分析仿真,通过实验数据检验模拟结果,从而指导软件热分析,为进一步做好电子设备的热设计,保证电子设备正常､可靠的工作打下基础.
1 热测试方案与实验设备
1.1 热测试方案
实验在西安电子科技大学机电工程学院自行研制的DF―1型低速风洞中进行,被测试电子设备结构形式见图1.在PCB(Printed Circuit Board)板上用型号为HW200JB8的厚膜电阻模拟发热元件,电阻值为25 Ω,其安装形式见图2.
每块PCB板按顺序排列25个发热元件,6块PCB板构成5个通道,其中5和6号板为光板,1号板为元件并联板,2,3和4号板为元件串并联混合布置,通过加载不同的电压可得到元件上不同的功率分布变化.[2]
1.2 实验设备
(1)低速风洞: 工作段面积为300 mm× 400 mm,风洞通过严格设计完成,在工作段无物体时可保证段内各点风速相等.
(2)风速测量仪:用以测量风洞的实际流速.
(3)ATM―3型多点温度测试仪:可1次测量63个温度点.
(4)铜―康铜热电偶:测温范围为-260~ +300 ℃.
(5)稳压电源:模拟PCB板加电状态.
实验的主要目的是研究电子设备在不同工况条件下的散热特性,因此测试时将被测电子设备放在低速风洞工作段中,分别对4块板加不同的电压,以模拟功率变化的情况:1号板加电压为1~3 V;2号板为5 V,10 V,20 V,30 V变化;3号和4号板为 10 V,15 V,20 V变化.通过改变入口风速与PCB板间距等进行热测试,主要测试元件表面､背面与入出口的温度以及风洞内不同测点的流速.
2 数值模拟
2.1 模型的建立和求解
用ICEPAK进行热仿真的过程可分为5个基本步骤[3]:建立计算模型,设定问题参数,划分网格,求解计算和后处理.
图3为在ICEPAK中模拟该电子设备实际工作环境所建立的物理模型.
被测电子设备水平放于风洞工作段内,用openning模拟风洞的入口与出口,在入口openning处可设定不同的流速;风洞用cabinet模拟,4面绝热;PCB板与底板固连,底板材料为铝;设置厚膜发热电阻与PCB板紧密固连.在数值仿真中先根据每个PCB板所加不同电压计算出每个发热元件的热功率,再将所得热功率加载到每个热源上.
该模型的主要参数为流体状态.通过软件自动计算得到的普朗特数和雷诺数可以确定流体类型为紊流.根据不同的实验工况,设置环境温度和风速等边界条件[4].实验主要为强迫风冷,因此忽略辐射换热与重力影响.
由于PCB板上的发热元件排列紧密,为了得到较精确的计算结果,要保证在发热元件周围有较细的网格划分.然而整个风洞容积较大,如果采用相同精细的网格对整个风洞进行网格划分,将使得求解时间大大增加.因此,对每块PCB板及其安装的发热元件建立1个assemble ,适当调整assemble的大小,以保证在PCB板与元件周围有较细的网格划分,风洞内其他部分使用较粗的网格,而计算精度不受影响.最终网格划分HEXAS数量为128 830,NODES数量为142 084.在设置好求解残差和迭代次数之后开始求解并最终收敛.
2.2 计算结果
对热测试中几组不同工况下的实验进行仿真计算,图4为1号PCB板在入口风速为1.5 m/s和25.5 ℃环境温度条件下的温度云图.
从图4中可见在流体入口处元件温度低于出口处元件,与热测试结果相同.热分析结果相对于热测试的大量数据结果显得更加直观明了.
对热测试中几组不同工况下的实验数据与仿真计算结果进行对比.图5为环境温度25.5 ℃,风速1 m/s条件下2号PCB板加不同电压时,中间元件温度变化的测试与计算结果.从图中可以看出,当电压改变时,元器件的温升有较大幅度增长,显示计算结果与测试结果具有良好的一致性.
图6为环境温度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V条件下1号PCB板上某一元件正面和反面测点温度的测试与计算结果.从结果可见随着风速的增大,发热元件正反面的温度逐渐降低,这表明仿真结果与测试结果吻合较好.从图中可以发现在0 m/s工况下计算结果较实验数据存在较大偏差,这主要是由于此时被测设备处于自然散热状况,而在仿真中没有考虑重力与辐射传热的影响,造成温度偏高.
图7为环境温度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V条件下2号PCB板入出口测点温度测试与计算结果.数值仿真结果表明随着风速的增大,PCB板入出口的温差逐渐降低,与测试结果一致.由于在入出口处无热源且流体相对处于层流状态,因此数值仿真误差较小.图 7 不同风速下PCB2入出口测点温度
将数值仿真结果与热测试数据对比发现,计算发热元件表面的温度要高于实际测量结果,而计算PCB板入出口处的温度要低于实际测量结果,这主要是因为实际发热元件与PCB板之间存在由热源管脚到PCB板的热传导,而在热仿真中只是模拟热源与PCB板的固连热传导,没有模拟管脚的热传导,造成部分热量没有从热源传导至PCB板上,从而产生上述结果.预计如果考虑上述影响,通过更详细的建模分析,可以得到更精确的仿真结果,这对进一步改进热分析,提高数值仿真精度具有指导意义.
3 结 论
在对电子设备进行强迫风冷热测试的基础上,运用热分析软件进行数值仿真,并将计算结果与热测试结果进行对比,表明计算结果与测试结果具有较好的一致性,并从数据对比中得出改进热仿真的方法.电子设备的热测试与数值仿真都是进行热设计的重要手段,只有将两者更好地结合运用,才能进一步做好电子设备的结构设计,保证电子设备正常､可靠的工作.
参考文献:
[1] 邱成悌,赵殳,蒋金兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京:东南大学出版社,2005:11-68.
[2] 朱敏波. 电子设备机箱强迫风冷热测试实验分析[J]. 无线电通信技术,1997,23(1):52-55.
[3] 陈洁茹,朱敏波,齐颖. ICEPAK在电子设备热设计中的应用[J]. 电子机械工程,2005(1):14-16.
从上个世纪60年代起，我国的工业与军用电子装备开始从仿制走向自行研制，经历了40多年的发展历程，积累了丰富的经验，目前已在电子装备的设计与制造上走向世界的先进水平，与此同时也深刻认识到结构与工艺对电子装备的性能有着重要的影响，电子装备中电气设计、结构设计及制造工艺是密不可分的，并趋向融为一体设计。电子机械是研究电子与信息系统中的机械与结构问题的一门机电光相结合的边缘学科，它通过研究机械、电磁、热之间的耦合关系，把电子设备的原理设计转化为机械和结构的设计，提高其在机械、电磁、热环境中的可靠性，以保证其电气性能指标。与一般机械专业相比，电子机械的研究有其自身的特点：在目的上，电子机械在于捉高电子装备系统的电气性能，而常规机械则是为了提高其机械性能。在实现手段上，前者主要通过改变、优选机械结构参数与工艺来实现，而后者则主要通过电子信息、光电子信息来实现。在机电一体化的载体方面，前者是电子系统，后者为机械结构系统。从对系统的重要程度看，机电一体化对电子装备而言不但重要而且是其生命之所在。现代国防武器装备对军用电子装备提出了越来越高的要求，突出表现为高频段、高增益，快响应、高指向精度，高密度、小型化。为适应上述发展趋势和要求，在电子信息行业，亟须培养具备电子机械专门知识，从事电子机械的工程应用型人才和研究人才。
二、电子机械人才知识结构体系和课程结构体系
如何有效地培养出适应电子信息领域需求的高层次电子机械人才，或者说，如何科学合理地建立起电子机械人才培养模式和课程结构体系，是我们从创办这一专业开始就一直探讨的问题。一个真正合格的电子机械人才必须把机械知识和电子技术、计算机技术以及信息技术等知识有机地融合在一起，全面、综合地设计电子设备。在制定教学计划和建立课程体系时，从构建学生知识结构的角度，按模块化分课程体系更容易建立知识结构与课程体系的对应关系。将电子机械方向人才培养的知识结构，划分为基础知识模块、专业基础知识模块和专知识模块。基础知识模块分为工程基础知识、机械基础知识、电子及信息基础知识、机电控制基础知识和工程测量基础知识5个子模块，重点是保证学生具有扎实的数理基础、良好的外语能力和熟练的计算机应用能力。专业基础知识模块主要是掌握机械设计及其自动化专业的通识知识，包括机电一体化知识、机电控制工程知识等。专业知识模块是在结合基础知识模块如何构建交叉融合的知识结构，对于电子机械培养方向，除了掌握机电一体化方面的基础知识之外，更重要的是掌握面向电子信息领域的电子设备的设计和集成化制造方面的知识，这其中主要包括电子设备环境防护、天线结构设计、办公自动化设备和高密度组装等知识。
由于电子机械方向涉及多个领域的知识，课程设置的主要问题是如何在有限的学习时间内合理地安排机、电等多学科的课程问题，如果只是将课程硬性叠加，则学生不堪重负，且学生对相关知识的应用不能有机地结合，会使学生感到对各方面的知识都没有学好，因此必须对原有机类和电类课程进行优化、精简、合理的组合并创新。我们结合自身的情况，所遵循的原则是：“面向电子信息领域，以电子设备CAD/CAM为主线，以创新设计为核心，强化基础、注重实践”。贯穿4年培养计划的主线是电子设备设计制造综合能力培养。在培养计划和课程体系的框架上，结合电子机械知识结构体系要求，2005年，按照教育部新的专业目录，本专业制定了新的教学计划和课程体系，我们设计了平台模块式课程框架结构，突出了课程的整体优化与整合，突出了加强基础，突出了方向的灵活性和适应性。新的课程体系课内总学时设定为2559学时，其中分为必修课、限选课与选修课程，开出课程总学分为272.5，准许毕业的最低学分186.5。
课程体系为四级平台(平台体现了课程的分类与整合)：
1.公共基础平台。作为通识教育部分，对全校学生统一要求。课程分为5大模块：数学、自然科学模块，人文社会科学模块，工具与方法类模块工程概论模块以及体育。
2.机械工程学科群技术基础平台。(这一平台课程与部分机电工程学院其他专业共同使用。)
3.机械设计制造及其自动化专业基础平台。
4.电子机械方向平台。
三、课程的建设与改革工作
1.机电化合，解决机电结合、设计与制造相结合过程中教学时数剧增的问题
正确处理机械与电子、设计与制造的关系，强调以机为主，以设计为主。在教学计划实施过程中，机械类课程中基础课、专业基础课与一级机械类专业一致。电子类课程主要着重基本原理与定性设计，区别与电子类专业。专业课程中重点探讨机械结构如何保证优良的电子性能。
2.设置与电子机械领域发展相适应的教学内容
针对电子信息行业特点，开设具有明显电子机械特色的课程，如：电子设备热控制技术、天线结构设计、电磁兼容性设计、现代电子装联工艺学等课程，以使所培养的人才能自如地应用所学的专业基础知识和专业知识进行电子行业电子设备设计的技术工作。
3.全方位提高学生的科学研究素质
通过丰富多样的方式培养学生的多种能力，尤其是学生参加科学研究能力的培养，一直是课程体系改革追求的目标。首先在加强教学环节建设的同时，实行实验室开放制度，增加电子机械方向上综合性、设计性实验项目。其次实行导师制，遴选优秀学生在本科阶段参加导师的科研工作。再者组织学生参加“全国大学生机器人大赛”，“全国大学生电子设计竞赛”、“全国挑战杯竞赛”、“全国大学生机械创新设计大赛”、“全国大学生数学建模竞赛”等活动。通过这些措施，在相当程度上激发了学生的创新意识，提高了科研能力，也进一步夯实了基础。
4.结合专业发展的要求，强化实验室建设
实验室是学生综合素质和科学思维培养的重要场所。为适应学科发展和人才培养需要，我们把本学科实验室硬件建设和管理体制改革结合起来同步进行，以先进制造技术为基础，以制造信息技术为纽带，建设学院的专业基础课实验室。在机电工程学院形成了一个集现代设计技术、制造技术、控制技术、测试测量技术、信息技术为一体的院级综合实验平台。为本科生及研究生的基本技能训练、创新能力培养提供强有力的支持。
5.抓好教材建设工作，形成具有本学科特色的教材体系
在本专业初创时期，我们编写了首批机电结合型的教材，填补了国内空白。几十年来，始终把教材建设放在十分重要的位置，常抓不懈，形成了统编教材、自编教材及实验讲义相互配合的、比较完整的、有特色的机电结合型的教材体系。10年间出版了教材25部，获国家优秀教材奖2项，省部级优秀教材奖7 项，校级优秀教材和讲义26项。我们在教材建设方面的体会是：第一，要有明确的教材建设规划和目标。第二，在教材建设的方向上，始终不渝地坚持机电结合的特色。第三，坚持国内外著名教材与本专业特色相结合。第四，始终注意教材的社会效益。不仅仅局限于满足大专院校教学的需要，而且非常注意其学科性与工程实用性，及时将科研体会与工程实践的内容加入教材中，以使教材成为本学科领域各部门各行业工程技术人员的参考用书，提高教材的社会效益。
[关键词]电子设备；铁路机车车辆；应用故障
中图分类号：U269；U279 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0350-01
将电子设备应用到铁路机车车辆中，主要目的即通过代替间机电部件，对以往所存损耗大问题进行优化，提高机车车辆运行经济性。同时还可以利用电子设备，完成各项复杂控制功能，使得机车各复杂运行作业有更高可靠性。但是电子设备在实际应用中，也会受各项因素影响，而出现各类运行故障，因此除了要分析其应用方式外，还需要对常见故障进行处理。
一、电子设备在铁路机车车辆中应用分析
将电子设备应用到铁路机车车辆中，与以往机电部件应用效果相比，可以更好的提高车辆系统运行综合效率，减少故障的发生，一方面可以提高机车车辆运行安全性与可靠性，另一方面也可以降低维修成本。例如交流器的应用，实现功率传输动态调节以及多种电流制的转换，对工作任务功率匹配进行优化，是提高铁路机车牵引技术水平的重要措施。针对控制电子设备与功率电子设备分析，机车车辆在做任意极限运动时，可以稳定的对牵引力进行调节，实现机车最大负载状态下有效牵引。并且电流交换时损耗更小，可以提高系统运行节能效果，以及应用能量反馈再生制动系统，通过可以达到节能目的。一般情况下，近郊机车为达到电流变换目的，可以选择应用直流电流调节器与交流传动方式[1]。与传统机电部件相比，电子器件静止以及无损工作方式，还可以降低后期维护检修工作量，减少维修成本。
二、电子设备在铁路机车车辆中应用故障
1.电力电子器件
就电力电子器件在铁路机车车辆中应用现状进行总结，采用GTO机车车辆逆变器控制装置的运行故障比较少，而对于IGBT的机车车辆故障概率比较大。主要是因为IGBT逆变器控制装置早期检查不到位，存在较大的故障隐患。且间现代逆变器控制技术应用存在缺陷，还需要做更进一步研究，争取消除早期故障。
2.电解电容器
以其他电容器相比，电解电容器应用具有更大的安全性与稳定性，且能够获得更大容量，一般可用于铁路机电车辆电源。现在应用多如图1所示，以铝箔作为电机浸入电解液结构，电解液封口橡胶位置不断蒸发，如果及时处理，便会因为干涸或泄露而产生老化故障。而造成设备加速老化的原因，主要包括环境温度、过电压以及波纹电流等，其中如果运行环境温度超过10℃，则会缩短器件一般寿命[2]。目前应用到铁路机车车辆实例比较多，对于逆变器控制的机车车辆来说，还存在众多落后的零部件，故障发生概率更大。铁路机车车辆应选择用耐热寿命高的电容器，且控制好运行环境温度。另外，在部件使用阶段，还需要定期进行检查，以免因电解液与铝箔反应生成强碱，造成封口橡胶老化而出现液漏问题。
3.软焊连接处理
如果印制板出现温度变化现象，因不同部位温升与线膨胀系数具有一定差别，便会造成安装件与印制板间出现膨胀差。软焊部位作为结构最薄弱部位，变形过于集中，会因软焊热疲劳破坏出现断线故障，而影响机车车辆的正常运行。为避免软焊热疲劳问题造成的部件寿命缩短现象，可以通过加速试验预测设定温度循环下寿命，重点分析产热集中部位状态，检查是否存在龟裂问题，结合现场数据与试验数据，采取措施处理。
三、电子设备在铁路机车车辆中应用技术要点
1.变流器功率器件
变流器间功率器件逐渐发展成应用大功率半导体元件，减少控硅元件数量。对于铁路机车车辆来说，每个功能仅需要一个元件便可以实现控制，功率为小于1000kw情况，无需对可控硅元件进行串联或并联处理。机车车辆均为交流传动方式，一般在相序逆变器臂上会设置一个可控规元件和二极管。而对于功率较大的机车车辆，还要适当增加半导体元件数量，且功率超过1000kw后还要对可控硅元件进行并联或串联处理。为提高机车运行效率，还要控制好半导体元件数量，结合相应结构，组成环境适应性强且维护要求低的变流器。另外，将可控硅元件安装到散热器之间冷却气流外，还可以有效避免灰尘积聚在塑料环中，并配置散热器与通风设备，还可以提高半导体元件散热效率。
2.电磁屏蔽技术
铁路机车车辆运行过程中，经常会遇到电磁干扰，导致设备运行效率降低，甚至全部丧失，或者对设备部件造成不可挽回的损坏，而影响车辆运行安全性与可靠性。结合电磁兼容原理，对车辆电子装置结构设计进行优化，应用有效屏蔽方法来降低电磁干扰对电子设备性能的影响，减少信息丢失或部件损坏问题的发生。一般可以通过增强电子装置机箱对周围电磁场发射损耗的方式，来降低吸收损耗，达到削弱间电磁干扰的目的。例如机柜屏蔽，利用金属壳对整个电子设备系统进行全面屏蔽，由金属外壳吸收电磁干扰与反射损耗，切断机箱内干扰信号的传播。以及模块屏蔽，将屏蔽盒单独安装在辐射大或者抗干扰能力差的模块内，常见电抗器、变压器可以外包一层或多层金属短路来减少漏磁通量。
3.控制装置系统
铁路机车车辆变流器功能已经实现了多样化，负荷效率也接近了最大限制，在对其进行优化设计时，需要重视监控与控制功能的实现。电流型三相逆变装置传动调节部位为两层，且装有LUB电网侧整流器与相许逆变器。对机车车辆和变流器调节、控制功能进行分析，并根据需求印制电路板，可以在保证功能实现的同时降低成本。同时利用微型计算机对控制装置进行设计，可以实现简单的逻辑与算术运算，满足机车运行调节、控制功能的计算需求。
结束语：
基于铁路机车车辆运行特征进行分析，对电子设备在机车实际应用中存在的问题进行分析，采取措施进行优化。并确定技术要点，争取在后续发展中做好各节点功能的优化，争取进一步提高车辆运行可靠性。
参考文献：
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