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【關鍵詞】電磁兼容；電子設備；接地；屏蔽
1.前言
國軍標（GJB72A-2002）中給出電磁兼容（Electromagnetic Compatibility即EMC）的定義是：設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態：包括以下兩個方面：
a）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現正常的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；
b）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常地工作且不會給環境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾。
對于從事軍工產品的設計人員來說，應當尤為重視產品的電磁兼容性設計。在飛機上，狹小的空間中裝備著大量的各種類型的電子設備，如通信系統、導航系統、發射系統、天線、雷達等等，導致電磁環境極為復雜，相互間的電磁干擾十分嚴重。因此，電子設備的電磁兼容設計對飛機性能有著重要的影響。
2.電磁兼容設計的目的
電磁兼容的主要課題就是研究控制和消除電磁干擾，使電子設備與其它設備在一起工作時，不引起設備任何部分的工作性能的惡化或降低。一個設計理想的電子設備應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。本文從結構設計方面介紹相應的電磁兼容設計方法。
在電子設備結構設計中，電磁兼容設計思想就是通過合理的接地、搭接和屏蔽等方法，將外系統對本設備干擾以及本設備對外部的干擾減弱。
3.電磁兼容設計方法
對于新研制的電子產品，應當從方案設計階段就考慮電磁兼容問題，進行電磁兼容設計。在設計階段考慮電磁兼容要遠比研制樣機采取措施來滿足電磁兼容要求容易的多。況且在很多的時候，對已成型的產品，電磁兼容問題已經很難解決甚至無法解決，造成產品研制的反復。因此，電子設備必須在設計階段就考慮電磁兼容問題。
3.1 接地
3.1.1 接地的目的
電子設備的接地是電子設備的一個很重要問題，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：1）接地使整個電路系統中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統能穩定地工作。2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，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。當發生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當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殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發生。
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等電位點或等電位面，是電路或系統的基準電位。盡管從功能的觀點出發并不需要將一個等電位面端接至大地，但端接至大地對工頻和射頻信號都呈現出很低的阻抗。
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：
串聯一點接地
將各電路串聯后在一點接地。這種情況一般是將接地點放在低電平點。這種接法最簡單，抑制干擾能力差，僅適用于低頻電路。
并聯一點接地
將各電路并聯后在一點接地。這種接法各電路的電流自成回路，彼此獨立，避免了各電路的相互串擾。但接地電阻較大，當工作頻率較高時，底線容易產生輻射干擾。因此，并聯一點接地也僅適用于1MHz以下的電路。
多點接地
多點接地時接地電阻較小，電路在高于10MHz時可用多點接地。但此時總地線應適當的寬些，長度也不宜過長，最好不超過0.15波長，同時地線與機殼應絕緣。
3.1.3 整機的接地
整機接地也是保障產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、數字電路、機殼分開，各自獨立接地，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，減少了數字信號和模擬信號之間的干擾。
3.1.4 搭接與接地的關系
電子設備的簡單接地，是為了獲得安全保護或者實現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提供一條有效的低阻抗通道，必須把各種導體、電極、設備和其他金屬物體連接或搭接在一起。這種搭接點的性能必須在很長的時間期限內保持不變，以免起始建立起來的搭接性能質量逐漸衰減。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械松動逐漸變壞。
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涂層的導電性低于金屬材料的導電性，在搭接前要清除搭接區域的該防護層；
c）搭接面的防護涂層被去除后，應立即進行搭接實施，以免氧化；
d）當不同金屬材料之間彼此直接接觸時，避免化學電位相差大的兩種金屬緊密接觸，防止形成電化偶產生電化學腐蝕。
3.2 屏蔽
3.2.1 屏蔽的作用
屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。屏蔽技術是電磁兼容技術的重要組成部分，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；屏蔽罩采用鋁、銅等金屬結構件，選用導電性較好的表面處理。屏蔽罩的設計要注意：
屏蔽罩上盡量減少孔洞，如果無法避免時，可使用多個小圓孔避免使用大圓孔，尤其是長度較大的長條孔；
通過屏蔽罩的引線加裝穿心電容，引線通過穿心電容穿過屏蔽罩與元件連接。
3.2.2.2 緊固點的間距
緊固點的緊固方式指采用螺釘連接、鉚接、點焊等方法使兩個零件的結合面結合在一起的措施。實際設計中，由于其他因素往往會受到限制，緊固點的間距一般就直接決定了縫隙的最大尺寸（長度），是影響縫隙屏蔽效能的最主要因素。由于目前尚無實用的計算方法計算縫隙的屏蔽效能，緊固點的間距只能按以下經驗數據取值：
無線電產品或工作頻率超過100MHz的產品，緊固點的間距取值20～50mm；
工作頻率不超過100MHz的產品，緊固點的間距一般為取值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EMI濾波器連接。即電源線通過電源濾波器連接，信號線采用濾波連接器轉接。這種方式即可濾波，又可實現屏蔽。
3.2.2.4 屏蔽材料的選用
選擇適當的屏蔽材料及正確地使用這些材料，是達到目標屏蔽效果的重要環節。以下是幾種常用的屏蔽材料：
鈹銅指形簧片
鈹銅具有優良的彈性和導電性，是非常理想的電磁密封材料。指形簧片允許滑動接觸的，壓縮形變范圍大。簧片背后帶有不干膠，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吸收材料，增加磁場的屏蔽效能。 （下轉第165頁）（上接第163頁）
導電橡膠
導電橡膠是在硅橡膠中均勻分布微細導電顆粒制成的，能同時提供環境和電磁密封。常用的填充顆粒有銀顆粒，鍍銀鋁顆粒和鍍銀玻璃球顆粒。
導電橡膠材料主要有導電橡膠板和導電橡膠條，導電橡膠條又有各種形狀截面的實心導電橡膠條和空心導電橡膠條。
金屬絲網
利用金屬絲編織而成的屏蔽材料。屬于一種廉價的電磁屏蔽材料，可用于高頻屏蔽效能要求不高的屏蔽場合。
屏蔽膠帶
由銅或鋁箔加上導電背膠構成的膠帶。直接貼在屏蔽體上的縫隙處消除縫隙的泄漏。使用時要注意粘接的金屬表面必須是導電的，并要反復碾壓膠帶，否則導電膠不能發揮其高導電性。
屏蔽玻璃
在玻璃中間夾一層絲網或者在玻璃上鍍金屬膜實現屏蔽的玻璃。絲網屏蔽玻璃的屏蔽效能較高，但是屏蔽網會使光線損失15%～20%左右，從而造成觀察困難。通過合理選擇屏蔽網的目數達到在光線損失允許的范圍內使得電磁兼容達到要求。鍍膜屏蔽玻璃的屏蔽效能較絲網屏蔽玻璃略差，對光線的損失也較小，但要防止鍍膜損傷對屏蔽效能造成影響。
近年來，電子儀器向著“輕、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向發展。塑料機箱、塑料部件或面板廣泛地應用于電子儀器上，于是外界電磁波很容易穿透外殼或面板，對儀器的正常工作產生有害的干擾，而儀器所產生的電磁波，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，人們在實踐中，研究出塑料金屬化處理的工藝方法，如濺射鍍鋅、真空鍍（AL）、電鍍或化學鍍銅、粘貼金屬箔（Cu或AL）和涂覆導電涂料等。經過金屬化處理之后，使完全絕緣的塑料表面或塑料本身（導電塑料）具有金屬那樣反射（如手機）。吸收、傳導和衰減電磁波的特性，從而起到屏蔽電磁波干擾的作用。實際應用中，采用導電涂料作屏蔽涂層，性能優良而且價格適宜。在需要屏蔽的地方，做成一個封閉的導電殼體并接地，把內外兩種不同的電磁波隔離開。實踐表明，若屏蔽材料能達到30～40dB以上衰減量的屏蔽效果時，就是實用、可行的。
4.結束語
保證設備的電磁兼容是一項復雜的技術任務，對于這個問題不存在萬能的解決方法。電磁兼容技術涉及面很廣，電磁兼容領域也正在發展，重要的是掌握有關電磁兼容的基本原理，認真分析和試驗，就能選擇合適的解決問題方法。
參考文獻
[1]王定華.電磁兼容原理與設計[M].電子科技大學出版社，1995.
[2]馮正進，劉利，李行國.機電一體化系統中的電磁兼容性問題[M].電子科技大學出版社，1995.
[3]莫世禹.通信設備中的電磁兼容設計方法[D].南京：中國電子學會機械電子工程（微波）分會，電子機械與微波結構工藝學術會，2006：58-62.
作者簡介：
【關鍵詞】軍用設備；機載通信設備；機箱結構設計
1.引言
機載通信電子設備一般為獨立設備，是機載電子系統中重要的組成部分。軍用設備通常在非常惡劣的環境下服役，工作環境、使用要求和用戶要求比其他電子設備更為嚴苛，因此，其結構設計要求具有特殊性。
為適應現代戰爭作戰要求，機載平臺通信系統一直維持高科技化的發展，對軍用機載通信電子設備要求越來越高。對于機箱結構設計需要滿足多功能、高性能、高可靠性、小型輕量化、通用化、維修快速化等要求。軍用通信設備研制周期短，產品變化多，往往是電路設計、結構設計同時并行，多專業同時協調優化設計，以成熟可靠的機箱設計技術為基礎，才能實現高效率、高品質的產品設計。
2.設計要求
軍用機載通信設備的環境條件是用戶根據GJB 150A、GJB 367A或HB 5830系列標準，結合設備的實際使用、運輸、貯存環境制定的。
機箱的結構設計，首先應滿足工作環境以及技術指標要求：
1）機箱的結構設計方案應簡捷，且細節設計到位。零部件加工工藝性良好，機箱具有良好的操作維修性，便于裝配、調試、使用、維修。機箱的內部走線工整，牢固。
2）機箱的模塊化設計程度高，繼承性高。結構設計應盡量采用通用件、標準件。
3）機箱的結構設計方案應充分考慮散熱，對于功率放大器件等熱耗大的器件，應在方案設計階段闡明采取的熱設計措施。
4）機箱應具有足夠的剛強度，能適應搬運和運輸過程中的振動環境，機載通信設備在飛機行駛中的振動環境下能正常工作。同時，還應能適應在使用、搬運、裝卸和和運輸等過程中可能遭受的非重復性沖擊。
5）機箱的結構設計應遵循小型化、輕量化要求，采用減重設計。
6）機箱應有電磁兼容性設計。
7）機箱應進行三防設計，保證在氣候惡劣的環境下長期服役。
3.機箱結構設計要點
機箱是實現設備技術指標要求的基礎，通常也是結構設計的主要對象。通信設備通常為獨立的箱殼式機箱，按結構形式可細分為鈑金式機箱、銑制機箱、焊接機箱、模塊化鋁材機箱等。除另有規定外，軍用機載電子設備的機箱尺寸其附件應符合GJB 441和GJB 780的規定。
軍用機載通信設備通常置機艙內，根據GJB 376A要求，機箱的外觀為黑色（無光澤）。設備外觀及內部模塊都應有標識，名牌安裝于設備明顯位置，內容清晰、耐久，除非特殊規定，不使用不干膠作為設備名牌。機箱的結構設計應充分考慮“三化”的要求，采用模塊化的設計，最大化統一螺紋規格，盡量采用標準件、通用件。機載設備的機箱要求小型化、輕量化設計，結構方案設計階段需采用減重措施。為滿足機箱安全性要求，機箱外觀不應有尖銳棱角，外殼的不連續性（蓋板、窗口等）應盡可能少，外露器件（接插件等）要有防護措施，前面板安裝把手可以在前面板向下放置時能保護面板上的突出器件，外部安裝的不連續使用的插座均應裝保護罩，前后面板排布要美觀合理，設備超過10kg時考慮用雙把手，所有緊固件都要有效防松脫，機箱還應有漏電保護措施等。
3.1 鈑金結構機箱
鈑金結構是軍用機載通信設備機箱的常見形式，其結構簡潔、規則、對稱、重量輕，而且有成本低和便于加工的優點。鈑金結構的機箱整體是由折彎零件裝配而成，具有良好的剛、強度。結構設計時要注意以下幾點：
1）材料選擇塑性好的防銹鋁，機箱用料厚度一致。
2）折彎內緣半徑過小會引起開裂，而過大會產生回彈。應以工藝要求為設計依據，合理設計折彎內徑，利用現有的折彎模具加工。
3）考慮鈑金零件機械加工的工藝性，如單邊折彎高度不宜過小，沖孔落料直接要有安全間距，以及彎邊沖孔邊距合理等問題。
4）鈑金折彎后以彎邊為基準的尺寸公差應放至0.3mm較為經濟，應合理設計機箱外形、孔位等尺寸的精度，避免公差過高增加不必要的成本。
圖1是鈑金結構機箱，圖2為銑制結構機箱。
3.2 銑制結構機箱
銑制機箱在軍用機載通信設備中非常普遍。銑制機箱結構靈活、復雜，突破了其他種類傳統機箱的局限性。現代通信設備呈小型化、多功能化、外觀時尚化的發展趨勢，銑制機箱適應性強，而且機箱銑加工成薄板和加強筋的形式利于增強整體剛度和減重。設計時要注意以下幾點：
1）銑制機箱螺紋全部屬于緊固連接螺紋，應合理布置緊固處的間距，鋁合金強度不夠時應采用不銹鋼螺套來增強螺紋強度。
2）機箱應避免使用沉頭、半沉頭螺釘，且必有防松脫措施。
3）機箱的零部件設計，應便于加工和裝夾，僅在必要時提高精度。
4）機箱外部的門、板應方便拆卸。裝配、維修方便，避免使用特制工具。
3.3 焊接結構機箱
焊接機箱框架牢固且剛、強度高，焊接縫強度高于基材的一半。軍用設備工作于惡劣的機械環境中，焊接機箱在抗沖擊和振動的性能優越。軍用機載通信設備機箱的焊接結構常采用真空釬焊，其他種類的焊接也多有應用。焊接機箱結構設計時要注意以下幾點：
1）航空鋁合金中3A21、5A06、5A05、6061、6063適用于手弧焊、電子束焊、點焊。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（因為釬焊溫度低）。
2）采用鋁合金3A21、6063焊縫致密度較好，但應避免垂直焊縫，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）機箱采用等厚度的板料焊接，不等厚時應設計過渡區以達到等厚。使用手弧焊主要用V型坡口，板厚度不大于3mm可以不設計坡口。
4）焊后加工會削弱焊縫強度，應避免焊后加工。
圖3是焊接結構模塊化的機箱，圖4為模塊化結構機箱。
3.4 模塊化機箱設計
模塊化設計是軍用通信設備的顯著特點。歐美有SEM-E、ASAAC標準模塊規范等，國內也制定了GJB 1422、HB 7091和HB 7092等針對航空機載電子模塊的標準。模塊化結構設計=通用模塊（大量）+專用模塊（少量）+模塊連接器。結構設計人員只需注重專用的結構形式和接口設計，而不必從頭開始，可以有效簡化設計程序，縮短研制周期。
通信電子設備常見的模塊劃分：電源模塊、接口及數據處理、終端模塊、信道模塊、功率放大模塊。模塊間的電路互聯主要有低頻、射頻，有時會有光纖等模塊化結構設計時要注意以下幾點：
1）模塊的結構設計應是有效的利用空間，尺寸與重量盡量小，一般能夠單人手持。
2）模塊應是可維修、更換的，并且在正常安裝位置或從設備卸下時都能較容易地對其調試測試。模塊上應使用快速分離式連接器，分離時不需要使用工具（或只需一般手工工具）。同一模塊接插件數量較多時，應考慮到插拔受力。
3）盲插模塊需用導向裝置和定位銷的導向與定位，安裝模塊時可輕易對準，而且一定要有防插錯的措施。盲插模塊接插件要有浮動量，對于射頻接口浮動量以1.5mm為宜，避免過小或過大。
4）固定模塊用的緊固件應容易拆卸，要防止緊固件掉入設備，盡量使用松不脫組合螺釘。
4.結構設計關鍵技術
4.1 熱設計
軍用機載電子設備熱設計的基本理論和計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。機載通信設備內部的高密度集成電路和功率放大部位熱密度很高，散熱設計往往是結構設計的關鍵技術。
設備機箱在方案階段的設計方法，多數借助數值傳熱學仿真技術模擬熱環境輔設計。最常用的熱分析軟件有FLOTHERM和ICEPAK，它們利用計算流體動力學（CFD：Computational Fluid Dynamic）和數值傳熱學仿真技術來模擬電子設備中的流體流動、熱傳輸以及熱輻射（邊界條件），并以此計算電子設備周圍的流場、溫度場、壓力場。熱分析軟件的瞬態分析計算量非常大，因此絕大多采用穩態的分析的方法，而且允許有較大（30%左右）的誤差。
軍用機載通信設備的工作環境溫度，以技術協議為依據，溫度范圍可達-50℃～+75℃。不少設備考慮占空比的因素后，平均熱功率仍不少于200W，機箱強迫風冷散熱方式被普遍采用。機箱的熱設計設計時要注意以下幾點：
1）冷卻空氣的入口應遠離其他設備熱空氣的出口。
2）機箱結構設計時應考慮機箱內的熱耗分布，為機箱內部單元設計傳熱、散熱的途徑，必要時采用熱絕緣或熱屏蔽措施。功放管等器件熱耗突出，在機箱熱設計中要著重分析。
3）選擇風機時，應具備合適的風機尺寸和風量，還要考慮到風機的噪聲（轉速）、電磁干擾、振動、振幅等因素對機箱內的影響，要充分考慮風機的可靠性。鼓風產生的風壓大、風量集中，很適用于局部冷卻，應盡量使風機保持良好的工作點；抽風產生的風量大、負壓分布均勻，對流道結構的要求比鼓風低，但要避免氣流“短路”。通過風機的特性曲線找出合適的工作點，作為仿真結果的對比。風機有工作溫度范圍，不能超限值工作，有時必要配置風機的控制電路。
4）強迫風冷若不滿足要求，則首先應優化散熱器的幾何參數。增加肋片高度和肋片數，可以增加散熱表面積。但當肋片增加到一定數量時，肋片間距變小，導致流過肋片的風量變小，同時肋片間的溫度會相互影響，所以，增加表面積須考慮流動阻力。
5）熱設計與其他設計（電氣設計、結構性設計、可靠性設計）要同時進行，當出現矛盾時應權衡解決，但不得損害電氣性能。
4.2 隔振設計
軍用機載通信設備對隔振的要求很高，必要時會使用多級隔振技術。機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。機載通信設備減振系統中，鋼絲繩隔振器、金屬網阻尼隔振器、金屬干摩擦式隔振器（即無諧振峰隔振器）比較常見。對振動敏感的器件通常采用體積小的橡膠隔振器或隔振墊。具體隔振設計時應注意以下幾點：
1）機箱的設計應增強結構的剛性（應對較低的激振頻率），避免懸臂結構和明顯的應力集中。
2）機箱中重量大于7g的獨立器件，均應考慮隔振加固，無法安裝隔振器可用有彈性的膠狀物質充在需要隔離的部位。
3）緊固機箱的安裝架采用鋁合金鈑金結構，盡量用鉚接或螺紋連接，以提高阻尼。應避免使用焊接，以防開裂。
4）選擇隔振器須符合設備機箱的環境要求，尺寸盡量小、隔振效率盡量高。根據設備總重量及設備重心位置，遵循幾何對稱布置原則，確定每個隔振器的實際承載量。隔振器不超過額定載荷使用，如果各支撐點的載荷相差較大，則應采用同一型號不同剛度的隔振器。安裝隔振器的部件應該具有最高的強度，隔振器間距應盡可能大，但要避免設備在靜載荷、動載荷下發生彎曲變形。
4.3 電磁兼容設計
通信電子設備多是對靜電放電和磁場敏感的設備，應采取諸如接地、隔離、屏蔽等措施以提高電磁兼容性。結構的電磁兼容性設計應與設備電氣設計同步進行，并按照GJB/Z 25標準開展設計。機箱電磁兼容設計時應注意以下幾點：
1）通信設備主要是高頻屏蔽，對此屏蔽體材料須選用良導體，如銅、鋁等，還需進行表面處理，增加表面導電能力（對于低頻屏蔽體選用磁性材料，如鐵等）。
2）機箱上必有接地裝置（通常為通用件），用于接地的所有金屬或其它電氣連接件導電處應良好緊固接觸，無間隙以及油漆等涂料。
3）機箱蓋板的緊固件間距，通常使用1/4屏蔽波長。
4）機箱選用的導電材料應考慮抗腐蝕能力，并滿足環境條件。導電橡膠條粘接用703硅橡膠分段單點粘接，每隔2.5cm～5.0cm分一點，切忌整段粘接。
4.4 三防設計
機載設備機箱考慮到材料的強度、剛度，一般選用鋁鎂合金作為主要材料。三防設計是機箱結構設計的重要一環，設計的相關要求應符合GJB/Z80標準。軍用機載電子設備的機箱均需滿足GJB 150A所規定的濕熱、鹽霧、霉菌試驗要求，三防設計時應注意以下幾點：
外表防護層選用氟聚氨酯漆，其耐候性優于丙烯酸聚氨酯漆。外表油漆不撒花比撒細花耐霉菌能力好。
2）機箱中所用不銹鋼零件須進行鈍化處理，銅合金進行鍍鎳、鍍銀或鍍金。
3）因為會變色，鍍銀通常用于機箱內部。在沒有導電性能要求的地方，可用三防漆防護鍍銀層。
4）機箱外部接插件外殼首選不銹鋼材質鈍化，其次是防銹鋁合金表面鍍鎘。
5）機箱的接地柱和有相對運動的器件，不能涂敷三防漆和油漆。
5.結束語
本文是在實際工程中總結經驗，概況闡述了軍用機載通信設備機箱結構設計技術的要點，對同類產品的結構設計具有一定的參考借鑒意義。技術進步要通過不斷創新，只有遵從科學原理，不斷總結經驗和成果，方能減少設計創新的風險，增強產品的競爭力。
參考文獻
[1]GJB367A-2001.軍用通信設備通用規范[S].總裝備部軍標出版發行部，2001，9.
[關鍵詞]熱設計；熱仿真分析；輔助設計；提高工作效率；節省設計成本
中圖分類號：TN02 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）34-0248-02
1 引言
隨著我國軍事工業的不斷發展，軍工電子設備在保證其使用的可靠性、密閉性能的同時，還對設備的小型化和外觀等提出了更高的要求。另一方面，設備內部使用的電子元器件及電子設備功率密度也在不斷增加。如果在密閉的環境內，各種發熱元件散發出來的熱量不能夠及時散發出去，就會造成熱量的積聚，從而導致各個元器件的溫度超過各自所能承受的溫度極限，使得這些電子設備的可靠性大大降低，甚至使設備喪失工作能力。有資料表明，電子設備的失效率有55%是由于溫度超過了規定值而引起的。環境溫度每增長10℃， 電子設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律，說明了熱設計在電子結構設計中是不可忽視的環節。因此，研究散熱方法，改善散熱方式，提高冷卻效果，對提高電子產品的運行穩定性都具有十分重要的意義。
傳統的設計方法是簡單結構，利用傳熱學中大量的公式、表格，通過計算來進行分析的，而對于復雜結構就只能根據經驗或試驗來獲得。本文詳細介紹了利用ANSYS軟件對某軍工密封式電子設備的復雜散熱器件進行仿真、輔助設計，節省設計成本的過程。
2 某密封式電子設備上散熱器件的設計思路
2.1 某密封式電子設備的參數指標
某密封式電子設備中的功能單元板上有兩個75W的功放晶體管，設備正常工作時分收發兩個時段，發射和接收時間比例大約為1：3，發射時功放功率最大為150W，有效輸出功率為50W，接收時功放功率小于70W，有效輸出功率約20W。由于該功能模塊的發熱功率比較大，最大時可以達到100W；且該設備有密封防水性要求，因此要求單元板在設備內部所處的空間是密閉空間。要求在不改變設備外輪廓的前提下分析晶體管直接通過導熱硅膠粘在翅片式散熱器上通過自然散熱時，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，并對散熱器的尺寸進行優化。
該密封式電子設備的工作參數如下：
1、正常工作溫度范圍：-40℃―55℃；
2、在60℃高溫環境下開機試驗，設備可以連續正常工作4小時以上；
3、設備在工作溫度范圍內的溫度應該小于內部單元板上電子元器件的結溫。一般來講，晶體管正常工作時的溫度應控制在 90℃以下，單元電路板上元器件的溫度控制在80℃以下。
2.2 某密封式電子設備的結構組成
某密封式電子設備的外觀如圖所示
右側為盒體，左側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。
打開設備，盒體內部印制板上有兩個發熱源，功率各為75W，共150W。后蓋板根據散熱要求，初步設計如圖。
3 ANSYS輔助設計
3.1 根據經驗的改進
根據經驗改進后，后蓋板如圖：
3.2 ANSYS仿真的應用
由于該芯片的熱分析屬于典型的電子設備熱設計分析，因此選用了ANSYS 中Workbench里面的專業電子設備機箱級、芯片級、封裝級的熱分析軟件模塊ICEPAK來完成本次熱分析。
導入后蓋板模型如圖：
劃分網格如圖：
對建立完成的后蓋板散熱模塊熱分析模型進行網格劃分，劃分網格后檢查網格劃分的質量，網格劃分后產生87450個單元和94588個節點，面匹配系數幾乎全部接近于1，網格劃分質量較高。如圖所示：
計算過程
網格劃分后，需要進行求解前的參數設置，設置求解的步驟為100步，流體和能量殘差為系統默認值，打開solution setting 中的basic settings 窗口，點擊reset，得到系統Rayleigh number 為2.23e6，并打開輻射radiation開關，設置重力方向，重力大小都選擇為默認值，隨后設置環境溫度、輻射溫度、默認流體等等，最后設置求解時電腦處理器為“并行”運行，加快求解速度，減少求解時間。如圖所示：
求解
進行完求解參數設置后，就可以如圖所示進行求解，并打開求解監視器開關，以詳細直觀地觀察求解過程中的步驟和收斂情況。
后處理過程
求解結束后，可以通過如下圖所示的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 后蓋板的優化設計
為了解后蓋板的散熱性能對后蓋板翅片的參數敏感度，本文針對相同厚度和高度散熱翅的個數、相同個數和高度散熱翅片的厚度、以及相同厚度和個數的散熱翅片的高度等參數對于散熱器穩態溫度的影響進行了多次熱分析。
4.1 后蓋板翅片個數不同時的熱分析
后蓋板中散熱翅片厚6.5mm，高24mm，環境溫度60℃時，后蓋板翅片個數為19個、23個和27個時后蓋板的穩態熱分析溫度分布如圖
由此可知，散熱翅片個數越多，后蓋板穩態熱分析下，散熱的最高溫度越低。
4.2 后蓋板翅片厚度不同時的熱分析
后蓋板中散熱翅片個數為24個，翅片高24mm，環境溫度60℃時，翅片厚5mm、6mm和7mm時，后蓋板的穩態熱分析溫度分布如圖
4.2.3 后蓋板翅片厚度為7mm的穩態分析溫度分布圖
由此可知，散熱翅片越厚，后蓋板穩態熱分析下，散熱的最高溫度越高。
4.3 后蓋板翅片高度不同時的熱分析
后蓋板中散熱翅片個數為23個，翅片厚6.5mm，環境溫度60℃時，翅片高20mm、28mm和36mm時散熱器的穩態熱分析溫度分布如圖
由此可知，散熱翅片越高，后蓋板穩態熱分析下，散熱的最高溫度越低。
5 結果分析
從熱分析的結果來看，后蓋板的散熱翅片的個數越多，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，從該密封式電子設備的結構設計、工藝分析和美觀程度來看，后蓋板散熱翅片的個數也不能越多越好，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數為23個，散熱翅片的厚度為5mm，散熱翅片的高度為24mm。
參考文獻
[1] 邱成悌，趙C殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社，2005
[2] 付桂翠，高澤溪，方志強，等.電子設備熱分析技術研究[J].電子機械工程，2004 （1）：13-16
關鍵詞: 參數化設計；工程圖；三維模型；Pro/ Engineer
中圖分類號：TP391文獻標識碼：A 文章編號：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
電子設備機箱是雷達電子設備的載體，是雷達裝備的重要組成部分。從發射、接收、信號處理到終端，幾乎每一個分系統都離不開機箱的應用。隨著軍事裝備的研制周期不斷縮短，需求的日益多樣化，帶來了設計時間緊，設計任務重的嚴峻局面。而電子設備機箱基本上都執行有關國標和國軍標的規定，機箱外形多呈扁平長方體，一般由機箱框架和若干板組成。框架是機箱承載的主體，所有的插件、底座、面板等都立足其上，如每次都重新設計，不僅增加重復勞動，且出圖工作量也很大；而且也占用設計師的大部分時間和精力，延誤了新產品的開發進程。
在我們應用由美國參數技術公司( PTC)開發的Pro/ Engineer軟件（基于參數化設計思想而發展起來的機械設計軟件）后，這一局面得到大大的改善。 我們利用它的參數化和全相關功能強大的實體造型技術, 以及全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改的主要特點，進行二次開發從而實現雷達結構設計的智能引導設計。以下就電子設備機箱的設計來介紹下基于Pro/E的智能引導設計。
1 參數化設計技術
參數化設計亦稱尺寸驅動, 就是將設計要求、設計原則設計方法和設計結果用靈活可變的參數來表示, 以便根據實際情況隨時加以更改。它不僅可使CAD系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。
目前參數化技術大致可分為如下三種方法：1）基于幾何約束的數學方法；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體造型方法的新發展, 是CAD 建模方法的一個新里程碑, 它是在CAD/ CAM技術的應用和發展達到一定水平, 要求進一步提高生產組織集成化和自動化程度的產物。該文應用Pro/ E 軟件的參數化和強大的全相關功能的實體造型技術, 以電子設備機箱的結構設計為例, 來實現插箱的三維模型參數化設計及對應的工程圖的自動生成。
2 基本原理
基于Pro/E的雷達結構設計可以分為零件設計、裝配、工程圖三個不同的設計階段。Pro/E三維的設計過程全相關性；這使得設計者在任何階段對設計的修改都會影響到其它階段, 設計過程變得非常靈活和輕松, 大大提高了設計效率。我們采用的是三維模型與程序控制相結合的方式。三維模型（包含零件設計、裝配）的創建是手工創建的，在已創建的三維模型及其對應的工程圖的基礎上，進一步根據實際的設計要求建立一組可以完全控制三維模型外形和大小的設計參數。這樣就可以通過對這些參數的修改來生生成新的三維模型，進而利用Pro/ E 軟件的全相關功能帶來工程圖的自動生成。（為了與一般的三維模型相區別，我們稱這種帶有參數化的模型為三維模型模板。）
3 參數化的三維模型模板及其相應的工程圖的創建
設計者從產品要求和零件的功能入手, 對產品的每個零件建立三維模型及其相應的工程圖。零件和裝配可以統稱為模型, 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，主要有以下幾點需要注意：
1) 在繪制二維截面的繪制過程中，要盡量用相切、同心、共線、垂直及對稱等關系與尺寸的相結合的方式來進行約束，盡量減少尺寸的數量。
2）正確設置控制三維模型的參數。設計參數可以分為兩種：一是主參數，與其他參數無關的獨立參數；另一種次參數，是與其他參數相關的參數。主參數主要來控制三維模型的外形及拓補關系。而次參數主要是用主參數為自變量的關系式來表達。
3）正確建立主參數與三維模型的尺寸的關聯關系。主要兩種方法可以使它們關聯：一是在創建特征的過程中，在輸入尺寸的值時，直接輸入參數名；另外的就是在Pro/ E 軟件的關系式功能中建立特征的尺寸與主參數的關系，類似于賦值如d1=總長。這里推薦后一種方式。這樣一來創建三維模型時就可以不考慮參數的問題，完成以后再建立它們之間的關系不容易錯和遺漏，并且便于修改。
4 詳細設計
機箱一般是由插箱、插件、面板、導軌等組合而成的（見圖1）。
4.1 機箱的外形
根據多年的經驗機箱常用的系列如下：按照寬度系列有19inch（482.6mm）和24 inch（609.6mm）2個系列。按照高度系列有H有4U、5U、6U、7U、8U等（U=44.45mm）4個系列。按照深度系列有352.24mm、412.24mm、472.24mm 3個系列。
4.2 機箱的內部布局
內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，直到布滿為止。
據此我們創建三個數值型主參數來控制機箱的外形的變型；創建一個數值型參數用來輸入插件或面板的寬度，利用野火的程序模塊功能創建判斷語句去自動判斷機箱是否布滿，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行編程。在INPUT END INPUT 建立這參數如下：
1）機箱深度NUMBER
"機箱的深度：請根據需要選擇352.24、412.24、472.24中的一個數值"。
2）機箱寬度NUMBER
"機箱的寬度：請根據需要選擇482.6mm （19inch）或者609.6mm （24inch）中的一個數值"。
3）機箱高度NUMBER
"機箱的高度：請根據需要選擇4U、5U、6U、7U、8U中的一個數值"。
4）插件寬度NUMBER
"插件或面板的寬度5.08的整數倍"。
在雷達機箱的裝配模式下，打開Pro/ E 軟件的關系式功能，然后創建基于這些參數的內在關系。（見圖2）
打開機箱的工程圖選擇再生,系統就會出現提示, 詢問用戶是否要對該機箱的主參數進行設置。 用戶可以根據實際的設計需要進行選取，對其重新賦值，確認后系統會根據你所輸入的值自動生成新的工程圖。（見圖3）
5 結論
該文通過三維軟件Pro/ Engineer的參數化設計模塊，以雷達機箱為例,論證了參數化設計過程。經過實際多次應用，表明利用參數化設計手段來進行雷達機箱的結構設計，可使設計人員從大量繁重而瑣碎及重復性的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設計速度，改善設計質量，減少設計錯誤。
參考文獻：
[1] 林清安.Pro/ Engineer2001 零件裝配[M].北京:清華大學出版社,2001.
首先分析機柜設計中常用的幾種散熱方式，例舉了機柜通風孔設計中常見的幾種設計形式及其對應的通風率計算公式，然后從機柜整體設計的角度出發，將通風孔設計作為機柜總體設計的一個重要元素，最后闡述了通風孔設計與視覺傳達藝術與設計之間的聯系。
關鍵詞：
民用雷達；電子設備；熱設計；通風孔
電子科技的發展日新月異，電子設備中元器件和結構件的設計也日趨小型化，這使得單位空間的設備越來越多，設備在相同的空間中功率也直線上升，電子設備的散熱設計成為總體設計中一個重要的環節。因此，對電子設備必須配置冷卻系統，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。在民用雷達電子設備結構設計中，機柜是最常見的設備之一，機柜的散熱設計是民用雷達電子設備設計中一個重要的環節，它直接關系到機柜內設備是否能夠正常運轉。高溫對于大多數電子元器件將產生嚴重的影響，它會引起電子元器件的失效，進而導致整個設備的癱瘓。因此散熱設計應運而生，在民用雷達電子設備機柜熱設計中，散熱方式多種多樣，風冷是常用的熱設計方式之一。設計師需根據機柜中插箱、插件的數量、位置及發熱元器件的位置來綜合考慮風扇的選型、風道的路徑選擇以及合適的通風孔位置和通風孔型[1]。
1民用雷達電子設備機柜散熱形式分析
機柜是民用雷達電子設備的重要載體，其散熱形式對民用雷達電子設備有著至關重要的作用。散熱形式有很多，包括自然冷卻、強迫冷卻、蒸發冷卻、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發熱器件進行冷卻的方法。包括導熱、自然對流和輻射換熱的單獨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，其優點在于結構簡單，不需額外的散熱設備可靠性較強。其主要的散熱方式為金屬導熱。強迫冷卻是利用外力迫使流體流過發熱器件進行冷卻的方法，其包括強迫風冷和強迫液態冷卻等，設備在熱流密度大于0.08W/cm2，體積功率密度超過0.08W/cm3時，就需要適用強迫風冷或液冷的形式對設備進行冷卻，這也是最常用的散熱方法。風冷是指利用通風機或機組將設備中熱源產生的熱量通過風道傳遞至熱沉。蒸發冷卻是利用液體汽化吸收大量汽化熱進行冷卻的方法。熱電制冷是利用半導體期間的熱電效應等實現電與熱轉換的制冷方法[2]。
2機柜通風孔開孔形式及開孔率計算
通風孔的形式多種多樣，在民用雷達電子設備的機柜散熱設計中我們常用的通風孔型有圓孔、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。在設計通風孔時，需要根據元器件上的熱源位置、功率、風扇位置、機柜內部及外部環境來綜合考慮通風孔的設計形式。在熱設計中，開孔率是一項重要的指標，下頁圖中分別例舉了不同的通風孔開孔率計算公式。圖1例舉了三種圓孔的開孔率計算公式，圖2例舉了兩種腰形孔的開孔計算公式，圖3例舉了兩種方孔的開孔率計算公式，圖4例舉了蜂窩孔的開孔率計算公式。
3雷達電子設備機柜前面板通風孔的統一性設計
在民用雷達電子設備機柜中,分布著若干不同的單元,它們大多是以標準的插件或插箱的形式存在，在這些插件及插箱中，有自然散熱設備也有需要通過風機散熱的設備，那么其外露面板就需要進行通風孔的設計。以工業設計為基礎，從機柜整體設計出發，機柜面板通風孔的設計關系到機柜整體設計的美觀性。在滿足散熱需求的基礎之上，統一形式的通風孔會讓機柜更加整潔[3]。在視覺傳達藝術與設計中，平面構成是視覺設計的重要內容之一，平面構成主要是運用點、線、面的律動組合構成不同的畫面形式。平面構成中通常會使用到形式美法則，它包括圖形的節奏與韻律，對比與調和，對稱與均衡和變化與統一。在機柜面板的通風孔設計中，我們可以將孔作為一個點狀元素，點的組合形成線狀元素，線的組合又演變為面的元素，因此通風孔的設計在遵循熱設計的基本條件之上，可遵循一定的形式美法則。形式美法則中節奏與韻律、變化與統一原則，在通風孔設計中可適當應用。節奏是指均勻的重復，是在不斷重復中產生頻率節奏變化，韻律在平面設計中，體現為圖形在組織上合乎某種規律時所給人視覺和心理上的節奏感，有規律的節奏與韻律變化給你以輕松、優雅的感覺，如圖5所示。這種規律應用于通風孔設計中，會給使用機柜的人帶來一種輕松、愉悅的感覺，相反雜亂無章的通風孔設計從視覺傳達的角度來看，會讓人感覺疲勞、煩躁，如圖6所示。變化與統一原則，在通風孔設計中表現為孔型在整個面板中的數量、排序及大小的變化，根據不同的面板寬度來綜合考慮通風孔的設計，從整體上來看遵循一定的規律，有一定的統一性。
參考文獻
[1]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2001(12):56-68.
【關鍵詞】機加工；耐腐蝕；5A06鋁
0 引言
艦載電子設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”是設計艦載電子設備必須要考慮的因素。處于高濕度環境中的材料，水汽會吸附于物體表面或凝結成水膜，會通過擴散、滲透、呼吸進入材料或設備內部，會加快材料的破壞程度，如沿海地區存在鹽霧，對材料有極強的破壞作用。
用于艦載電子設備的材料選擇大量使用硬鋁2A12，盡管其重量輕，強度高，但易腐蝕缺陷成為電子設備交付及交付后主要的質量問題之一，尤其在海洋上使用，腐蝕速度極快，腐蝕程度嚴重，結構強度迅速下降，非但無法在實際使用中體現強度高的特性，反而因腐蝕造成產品外觀低劣。
1 研究方法和內容
艦載電子設備用于惡劣的環境中，面臨著鹽霧、銹蝕、霉菌、老化等各種環境問題，，應盡量選用耐腐蝕性好的金屬材料和不長霉菌、耐老化的非金屬材料。
為了使電子產品能夠適應各種惡劣環境，提高艦載電子設備產品的環境適應性，進行了防銹鋁5A06和硬鋁2A12的抗腐蝕性能、機械性能和加工性能的比較驗證。以期在產品研制中做到材料的正確應用，從根源上解決電子產品在惡劣氣候中結構件的腐蝕問題。
2 研究內容
2.1 兩種鋁合金的抗蝕性比較
2A12硬鋁合金在鹽霧試驗條件下，不同程度出現腐蝕。未經導電氧化表面處理的2A12硬鋁樣板已經被嚴重腐蝕，出現較大腐蝕點（圖1中間）。經過導電氧化表面處理的2A12硬鋁樣板已經出現腐蝕粉末（圖1兩側）。
5A06鋁合金在鹽霧試驗條件下，未經導電氧化表面處理的樣板表面僅是顏色變淡（圖2中間）。經過導電氧化表面處理的5A06鋁樣板表面仍然很光潔（圖2兩側），無腐蝕粉末出現。
2.2 兩種鋁合金的機械性能比較
在萬能材料試驗機上進行材料拉伸性能測試，精確等級0.5級，加載速度為5mm/min，選用不同厚度硬鋁鋁（2A12-H112態，2A12-O態）和防銹鋁（5A06-H112態，5A06-O態）制成試棒，測試不同厚度板料的拉伸強度。拉伸破壞試驗表明，熱軋態（H112）和退火態（O）的5A06鋁與2A12鋁均能滿足工程需要。且5A06鋁在H112態和O態的強度均大于同條件下的硬鋁2A12約25%，所以防銹鋁5A06抗拉強度略高于2A12態的硬鋁。
在這兩種鋁合金中，僅是2A12硬鋁可以熱處理強化的，淬火時效的硬鋁（2A12-T4）的強度即使與5A06防銹鋁相比還要高出30%左右，但是電子設備結構設計中在強度上的優勢處于次要地位，因此，即使這兩種鋁里面強度最低的退火態硬鋁（2A12-O）已經滿足大部分結構件對強度等機械性能的要求。
2.3 兩種鋁合金的切削加工性能比較
工程手冊和生產實踐中5A06鋁合金切削加工性良好，而2A12鋁合金切削加工性一般。在相同加工參數條件下，5A06鋁合金零件加工表面質量高，變形小，而2A12鋁合金零件加工表面質量低，變形大。螺紋孔均能滿足螺釘抗拉和抗扭要求，且在設定最大扭緊力矩上再增加力矩，螺釘一般就會損壞（拉斷或者產生塑性變形），但鋁板上的螺紋孔仍完好無損。
3 分析結果
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，貧銅帶為陽極，而含銅較高的晶粒中心和析出相為陰極區。作為陽極區的晶粒邊界面積小，陽極電流密度高，在腐蝕過程中，晶粒邊界將遭到強烈的破壞。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。腐蝕發生時，首先是Mg2Al3被溶解，對材料中的Al形成保護，因此在工業大氣及海洋中均有較高的耐腐蝕性，在淡水、海洋、有機酸、濃硝酸中的耐腐蝕性也很好。
3.2 導電氧化獲得的氧化層薄，膜層容易被各種環境外力破壞，對材料保護有限，通常不單獨使用，通過鹽霧試驗發現導電氧化層基本退色，所以，在實際生產中，在防護性較高的基材表面進行導電氧化處理，而不導電氧化部位一般進行涂層防護處理。
4 結論
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境下的艦載電子設備的應用。同時電子設備的裝備環境復雜多變，產品的設計選材應該嚴格按照耐腐蝕性、機械性能綜合評估，因此5A06鋁合金是一種航空、航天電子設備的優選材料。其對電子設備的改善，產品加工質量和效率的提高以及電子產品的環境適應性能的提升具有重要的現實意義。
【參考文獻】
[1]總裝備部.GJB 367A-2001軍用通信設備通用規范[S].北京：總裝備部軍標出版社，2001
關鍵詞:熱仿真; 熱測試; 電子設備; ICEPAK
中圖分類號:TN02; TP391.9
文獻標志碼: 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
隨著現代電子技術的發展,電子設備不斷向高功率､高密度方向發展,如果各種發熱元件散發出來的熱量不能及時散發出去,各個元器件的溫度就會超過各自所能承受的極限,導致電子設備可靠性大大降低.這就要求對工作溫度有較高要求的電子設備進行結構的熱設計.[1]目前,對電子設備的熱設計工作主要采取數值仿真與實驗相結合的方法.在對電子設備進行風冷熱測試實驗所產生的大量實驗數據基礎上,進行軟件熱分析仿真,通過實驗數據檢驗模擬結果,從而指導軟件熱分析,為進一步做好電子設備的熱設計,保證電子設備正常､可靠的工作打下基礎.
1 熱測試方案與實驗設備
1.1 熱測試方案
實驗在西安電子科技大學機電工程學院自行研制的DF―1型低速風洞中進行,被測試電子設備結構形式見圖1.在PCB(Printed Circuit Board)板上用型號為HW200JB8的厚膜電阻模擬發熱元件,電阻值為25 Ω,其安裝形式見圖2.
每塊PCB板按順序排列25個發熱元件,6塊PCB板構成5個通道,其中5和6號板為光板,1號板為元件并聯板,2,3和4號板為元件串并聯混合布置,通過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 實驗設備
(1)低速風洞: 工作段面積為300 mm× 400 mm,風洞通過嚴格設計完成,在工作段無物體時可保證段內各點風速相等.
(2)風速測量儀:用以測量風洞的實際流速.
(3)ATM―3型多點溫度測試儀:可1次測量63個溫度點.
(4)銅―康銅熱電偶:測溫范圍為-260~ +300 ℃.
(5)穩壓電源:模擬PCB板加電狀態.
實驗的主要目的是研究電子設備在不同工況條件下的散熱特性,因此測試時將被測電子設備放在低速風洞工作段中,分別對4塊板加不同的電壓,以模擬功率變化的情況:1號板加電壓為1~3 V;2號板為5 V,10 V,20 V,30 V變化;3號和4號板為 10 V,15 V,20 V變化.通過改變入口風速與PCB板間距等進行熱測試,主要測試元件表面､背面與入出口的溫度以及風洞內不同測點的流速.
2 數值模擬
2.1 模型的建立和求解
用ICEPAK進行熱仿真的過程可分為5個基本步驟[3]:建立計算模型,設定問題參數,劃分網格,求解計算和后處理.
圖3為在ICEPAK中模擬該電子設備實際工作環境所建立的物理模型.
被測電子設備水平放于風洞工作段內,用openning模擬風洞的入口與出口,在入口openning處可設定不同的流速;風洞用cabinet模擬,4面絕熱;PCB板與底板固連,底板材料為鋁;設置厚膜發熱電阻與PCB板緊密固連.在數值仿真中先根據每個PCB板所加不同電壓計算出每個發熱元件的熱功率,再將所得熱功率加載到每個熱源上.
該模型的主要參數為流體狀態.通過軟件自動計算得到的普朗特數和雷諾數可以確定流體類型為紊流.根據不同的實驗工況,設置環境溫度和風速等邊界條件[4].實驗主要為強迫風冷,因此忽略輻射換熱與重力影響.
由于PCB板上的發熱元件排列緊密,為了得到較精確的計算結果,要保證在發熱元件周圍有較細的網格劃分.然而整個風洞容積較大,如果采用相同精細的網格對整個風洞進行網格劃分,將使得求解時間大大增加.因此,對每塊PCB板及其安裝的發熱元件建立1個assemble ,適當調整assemble的大小,以保證在PCB板與元件周圍有較細的網格劃分,風洞內其他部分使用較粗的網格,而計算精度不受影響.最終網格劃分HEXAS數量為128 830,NODES數量為142 084.在設置好求解殘差和迭代次數之后開始求解并最終收斂.
2.2 計算結果
對熱測試中幾組不同工況下的實驗進行仿真計算,圖4為1號PCB板在入口風速為1.5 m/s和25.5 ℃環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,與熱測試結果相同.熱分析結果相對于熱測試的大量數據結果顯得更加直觀明了.
對熱測試中幾組不同工況下的實驗數據與仿真計算結果進行對比.圖5為環境溫度25.5 ℃,風速1 m/s條件下2號PCB板加不同電壓時,中間元件溫度變化的測試與計算結果.從圖中可以看出,當電壓改變時,元器件的溫升有較大幅度增長,顯示計算結果與測試結果具有良好的一致性.
圖6為環境溫度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V條件下1號PCB板上某一元件正面和反面測點溫度的測試與計算結果.從結果可見隨著風速的增大,發熱元件正反面的溫度逐漸降低,這表明仿真結果與測試結果吻合較好.從圖中可以發現在0 m/s工況下計算結果較實驗數據存在較大偏差,這主要是由于此時被測設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為環境溫度25.5 ℃,U1=U4=3 V,U2= 5 V ,U3=15 V條件下2號PCB板入出口測點溫度測試與計算結果.數值仿真結果表明隨著風速的增大,PCB板入出口的溫差逐漸降低,與測試結果一致.由于在入出口處無熱源且流體相對處于層流狀態,因此數值仿真誤差較小.圖 7 不同風速下PCB2入出口測點溫度
將數值仿真結果與熱測試數據對比發現,計算發熱元件表面的溫度要高于實際測量結果,而計算PCB板入出口處的溫度要低于實際測量結果,這主要是因為實際發熱元件與PCB板之間存在由熱源管腳到PCB板的熱傳導,而在熱仿真中只是模擬熱源與PCB板的固連熱傳導,沒有模擬管腳的熱傳導,造成部分熱量沒有從熱源傳導至PCB板上,從而產生上述結果.預計如果考慮上述影響,通過更詳細的建模分析,可以得到更精確的仿真結果,這對進一步改進熱分析,提高數值仿真精度具有指導意義.
3 結 論
在對電子設備進行強迫風冷熱測試的基礎上,運用熱分析軟件進行數值仿真,并將計算結果與熱測試結果進行對比,表明計算結果與測試結果具有較好的一致性,并從數據對比中得出改進熱仿真的方法.電子設備的熱測試與數值仿真都是進行熱設計的重要手段,只有將兩者更好地結合運用,才能進一步做好電子設備的結構設計,保證電子設備正常､可靠的工作.
參考文獻:
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從上個世紀60年代起，我國的工業與軍用電子裝備開始從仿制走向自行研制，經歷了40多年的發展歷程，積累了豐富的經驗，目前已在電子裝備的設計與制造上走向世界的先進水平，與此同時也深刻認識到結構與工藝對電子裝備的性能有著重要的影響，電子裝備中電氣設計、結構設計及制造工藝是密不可分的，并趨向融為一體設計。電子機械是研究電子與信息系統中的機械與結構問題的一門機電光相結合的邊緣學科，它通過研究機械、電磁、熱之間的耦合關系，把電子設備的原理設計轉化為機械和結構的設計，提高其在機械、電磁、熱環境中的可靠性，以保證其電氣性能指標。與一般機械專業相比，電子機械的研究有其自身的特點：在目的上，電子機械在于捉高電子裝備系統的電氣性能，而常規機械則是為了提高其機械性能。在實現手段上，前者主要通過改變、優選機械結構參數與工藝來實現，而后者則主要通過電子信息、光電子信息來實現。在機電一體化的載體方面，前者是電子系統，后者為機械結構系統。從對系統的重要程度看，機電一體化對電子裝備而言不但重要而且是其生命之所在。現代國防武器裝備對軍用電子裝備提出了越來越高的要求，突出表現為高頻段、高增益，快響應、高指向精度，高密度、小型化。為適應上述發展趨勢和要求，在電子信息行業，亟須培養具備電子機械專門知識，從事電子機械的工程應用型人才和研究人才。
二、電子機械人才知識結構體系和課程結構體系
如何有效地培養出適應電子信息領域需求的高層次電子機械人才，或者說，如何科學合理地建立起電子機械人才培養模式和課程結構體系，是我們從創辦這一專業開始就一直探討的問題。一個真正合格的電子機械人才必須把機械知識和電子技術、計算機技術以及信息技術等知識有機地融合在一起，全面、綜合地設計電子設備。在制定教學計劃和建立課程體系時，從構建學生知識結構的角度，按模塊化分課程體系更容易建立知識結構與課程體系的對應關系。將電子機械方向人才培養的知識結構，劃分為基礎知識模塊、專業基礎知識模塊和專知識模塊。基礎知識模塊分為工程基礎知識、機械基礎知識、電子及信息基礎知識、機電控制基礎知識和工程測量基礎知識5個子模塊，重點是保證學生具有扎實的數理基礎、良好的外語能力和熟練的計算機應用能力。專業基礎知識模塊主要是掌握機械設計及其自動化專業的通識知識，包括機電一體化知識、機電控制工程知識等。專業知識模塊是在結合基礎知識模塊如何構建交叉融合的知識結構，對于電子機械培養方向，除了掌握機電一體化方面的基礎知識之外，更重要的是掌握面向電子信息領域的電子設備的設計和集成化制造方面的知識，這其中主要包括電子設備環境防護、天線結構設計、辦公自動化設備和高密度組裝等知識。
由于電子機械方向涉及多個領域的知識，課程設置的主要問題是如何在有限的學習時間內合理地安排機、電等多學科的課程問題，如果只是將課程硬性疊加，則學生不堪重負，且學生對相關知識的應用不能有機地結合，會使學生感到對各方面的知識都沒有學好，因此必須對原有機類和電類課程進行優化、精簡、合理的組合并創新。我們結合自身的情況，所遵循的原則是：“面向電子信息領域，以電子設備CAD/CAM為主線，以創新設計為核心，強化基礎、注重實踐”。貫穿4年培養計劃的主線是電子設備設計制造綜合能力培養。在培養計劃和課程體系的框架上，結合電子機械知識結構體系要求，2005年，按照教育部新的專業目錄，本專業制定了新的教學計劃和課程體系，我們設計了平臺模塊式課程框架結構，突出了課程的整體優化與整合，突出了加強基礎，突出了方向的靈活性和適應性。新的課程體系課內總學時設定為2559學時，其中分為必修課、限選課與選修課程，開出課程總學分為272.5，準許畢業的最低學分186.5。
課程體系為四級平臺(平臺體現了課程的分類與整合)：
1.公共基礎平臺。作為通識教育部分，對全校學生統一要求。課程分為5大模塊：數學、自然科學模塊，人文社會科學模塊，工具與方法類模塊工程概論模塊以及體育。
2.機械工程學科群技術基礎平臺。(這一平臺課程與部分機電工程學院其他專業共同使用。)
3.機械設計制造及其自動化專業基礎平臺。
4.電子機械方向平臺。
三、課程的建設與改革工作
1.機電化合，解決機電結合、設計與制造相結合過程中教學時數劇增的問題
正確處理機械與電子、設計與制造的關系，強調以機為主，以設計為主。在教學計劃實施過程中，機械類課程中基礎課、專業基礎課與一級機械類專業一致。電子類課程主要著重基本原理與定性設計，區別與電子類專業。專業課程中重點探討機械結構如何保證優良的電子性能。
2.設置與電子機械領域發展相適應的教學內容
針對電子信息行業特點，開設具有明顯電子機械特色的課程，如：電子設備熱控制技術、天線結構設計、電磁兼容性設計、現代電子裝聯工藝學等課程，以使所培養的人才能自如地應用所學的專業基礎知識和專業知識進行電子行業電子設備設計的技術工作。
3.全方位提高學生的科學研究素質
通過豐富多樣的方式培養學生的多種能力，尤其是學生參加科學研究能力的培養，一直是課程體系改革追求的目標。首先在加強教學環節建設的同時，實行實驗室開放制度，增加電子機械方向上綜合性、設計性實驗項目。其次實行導師制，遴選優秀學生在本科階段參加導師的科研工作。再者組織學生參加“全國大學生機器人大賽”，“全國大學生電子設計競賽”、“全國挑戰杯競賽”、“全國大學生機械創新設計大賽”、“全國大學生數學建模競賽”等活動。通過這些措施，在相當程度上激發了學生的創新意識，提高了科研能力，也進一步夯實了基礎。
4.結合專業發展的要求，強化實驗室建設
實驗室是學生綜合素質和科學思維培養的重要場所。為適應學科發展和人才培養需要，我們把本學科實驗室硬件建設和管理體制改革結合起來同步進行，以先進制造技術為基礎，以制造信息技術為紐帶，建設學院的專業基礎課實驗室。在機電工程學院形成了一個集現代設計技術、制造技術、控制技術、測試測量技術、信息技術為一體的院級綜合實驗平臺。為本科生及研究生的基本技能訓練、創新能力培養提供強有力的支持。
5.抓好教材建設工作，形成具有本學科特色的教材體系
在本專業初創時期，我們編寫了首批機電結合型的教材，填補了國內空白。幾十年來，始終把教材建設放在十分重要的位置，常抓不懈，形成了統編教材、自編教材及實驗講義相互配合的、比較完整的、有特色的機電結合型的教材體系。10年間出版了教材25部，獲國家優秀教材獎2項，省部級優秀教材獎7 項，校級優秀教材和講義26項。我們在教材建設方面的體會是：第一，要有明確的教材建設規劃和目標。第二，在教材建設的方向上，始終不渝地堅持機電結合的特色。第三，堅持國內外著名教材與本專業特色相結合。第四，始終注意教材的社會效益。不僅僅局限于滿足大專院校教學的需要，而且非常注意其學科性與工程實用性，及時將科研體會與工程實踐的內容加入教材中，以使教材成為本學科領域各部門各行業工程技術人員的參考用書，提高教材的社會效益。
[關鍵詞]電子設備；鐵路機車車輛；應用故障
中圖分類號：U269；U279 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）16-0350-01
將電子設備應用到鐵路機車車輛中，主要目的即通過代替間機電部件，對以往所存損耗大問題進行優化，提高機車車輛運行經濟性。同時還可以利用電子設備，完成各項復雜控制功能，使得機車各復雜運行作業有更高可靠性。但是電子設備在實際應用中，也會受各項因素影響，而出現各類運行故障，因此除了要分析其應用方式外，還需要對常見故障進行處理。
一、電子設備在鐵路機車車輛中應用分析
將電子設備應用到鐵路機車車輛中，與以往機電部件應用效果相比，可以更好的提高車輛系統運行綜合效率，減少故障的發生，一方面可以提高機車車輛運行安全性與可靠性，另一方面也可以降低維修成本。例如交流器的應用，實現功率傳輸動態調節以及多種電流制的轉換，對工作任務功率匹配進行優化，是提高鐵路機車牽引技術水平的重要措施。針對控制電子設備與功率電子設備分析，機車車輛在做任意極限運動時，可以穩定的對牽引力進行調節，實現機車最大負載狀態下有效牽引。并且電流交換時損耗更小，可以提高系統運行節能效果，以及應用能量反饋再生制動系統，通過可以達到節能目的。一般情況下，近郊機車為達到電流變換目的，可以選擇應用直流電流調節器與交流傳動方式[1]。與傳統機電部件相比，電子器件靜止以及無損工作方式，還可以降低后期維護檢修工作量，減少維修成本。
二、電子設備在鐵路機車車輛中應用故障
1.電力電子器件
就電力電子器件在鐵路機車車輛中應用現狀進行總結，采用GTO機車車輛逆變器控制裝置的運行故障比較少，而對于IGBT的機車車輛故障概率比較大。主要是因為IGBT逆變器控制裝置早期檢查不到位，存在較大的故障隱患。且間現代逆變器控制技術應用存在缺陷，還需要做更進一步研究，爭取消除早期故障。
2.電解電容器
以其他電容器相比，電解電容器應用具有更大的安全性與穩定性，且能夠獲得更大容量，一般可用于鐵路機電車輛電源。現在應用多如圖1所示，以鋁箔作為電機浸入電解液結構，電解液封口橡膠位置不斷蒸發，如果及時處理，便會因為干涸或泄露而產生老化故障。而造成設備加速老化的原因，主要包括環境溫度、過電壓以及波紋電流等，其中如果運行環境溫度超過10℃，則會縮短器件一般壽命[2]。目前應用到鐵路機車車輛實例比較多，對于逆變器控制的機車車輛來說，還存在眾多落后的零部件，故障發生概率更大。鐵路機車車輛應選擇用耐熱壽命高的電容器，且控制好運行環境溫度。另外，在部件使用階段，還需要定期進行檢查，以免因電解液與鋁箔反應生成強堿，造成封口橡膠老化而出現液漏問題。
3.軟焊連接處理
如果印制板出現溫度變化現象，因不同部位溫升與線膨脹系數具有一定差別，便會造成安裝件與印制板間出現膨脹差。軟焊部位作為結構最薄弱部位，變形過于集中，會因軟焊熱疲勞破壞出現斷線故障，而影響機車車輛的正常運行。為避免軟焊熱疲勞問題造成的部件壽命縮短現象，可以通過加速試驗預測設定溫度循環下壽命，重點分析產熱集中部位狀態，檢查是否存在龜裂問題，結合現場數據與試驗數據，采取措施處理。
三、電子設備在鐵路機車車輛中應用技術要點
1.變流器功率器件
變流器間功率器件逐漸發展成應用大功率半導體元件，減少控硅元件數量。對于鐵路機車車輛來說，每個功能僅需要一個元件便可以實現控制，功率為小于1000kw情況，無需對可控硅元件進行串聯或并聯處理。機車車輛均為交流傳動方式，一般在相序逆變器臂上會設置一個可控規元件和二極管。而對于功率較大的機車車輛，還要適當增加半導體元件數量，且功率超過1000kw后還要對可控硅元件進行并聯或串聯處理。為提高機車運行效率，還要控制好半導體元件數量，結合相應結構，組成環境適應性強且維護要求低的變流器。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中，并配置散熱器與通風設備，還可以提高半導體元件散熱效率。
2.電磁屏蔽技術
鐵路機車車輛運行過程中，經常會遇到電磁干擾，導致設備運行效率降低，甚至全部喪失，或者對設備部件造成不可挽回的損壞，而影響車輛運行安全性與可靠性。結合電磁兼容原理，對車輛電子裝置結構設計進行優化，應用有效屏蔽方法來降低電磁干擾對電子設備性能的影響，減少信息丟失或部件損壞問題的發生。一般可以通過增強電子裝置機箱對周圍電磁場發射損耗的方式，來降低吸收損耗，達到削弱間電磁干擾的目的。例如機柜屏蔽，利用金屬殼對整個電子設備系統進行全面屏蔽，由金屬外殼吸收電磁干擾與反射損耗，切斷機箱內干擾信號的傳播。以及模塊屏蔽，將屏蔽盒單獨安裝在輻射大或者抗干擾能力差的模塊內，常見電抗器、變壓器可以外包一層或多層金屬短路來減少漏磁通量。
3.控制裝置系統
鐵路機車車輛變流器功能已經實現了多樣化，負荷效率也接近了最大限制，在對其進行優化設計時，需要重視監控與控制功能的實現。電流型三相逆變裝置傳動調節部位為兩層，且裝有LUB電網側整流器與相許逆變器。對機車車輛和變流器調節、控制功能進行分析，并根據需求印制電路板，可以在保證功能實現的同時降低成本。同時利用微型計算機對控制裝置進行設計，可以實現簡單的邏輯與算術運算，滿足機車運行調節、控制功能的計算需求。
結束語：
基于鐵路機車車輛運行特征進行分析，對電子設備在機車實際應用中存在的問題進行分析，采取措施進行優化。并確定技術要點，爭取在后續發展中做好各節點功能的優化，爭取進一步提高車輛運行可靠性。
參考文獻：