某星载设备环境综合仿真*

管宇辉

(中国电子科技集团第36研究所, 浙江 嘉兴 314033)

1 引 言

国外曾对机载电子设备进行过故障剖析，结果发现，由于振动、温度造成的故障率高达44%[1]。由于航天电子产品工作环境的特殊性，不可能在地面上完全在试验状态下模拟电子设备的工作环境，因此，计算机仿真就成为星载电子设备结构设计中至关重要的一个环节。笔者介绍了采用有限元分析软件ANSYS和Flotherm对某星载设备进行有限元动力学仿真和热仿真的完整过程。

2 设备简介

本单机采用模块化结构形式，直接在模块上设计安装支角，如图1所示，这样的结构使设备的空间利用率较高。整个设备由3个模块盒组成，模块盒之间采用螺杆相互连接；模块印制板和模块盒盖板采用螺钉和模块盒连接。整个设备直接固定在荷载舱内，模块端面直接与卫星安装平台接触，热传导路径最短，热设计比较合理。图2所示为模块内部的示意图。

图1 备结构示意图

图2 模块示意图

3 动力学仿真

3.1 模型建立以及网格划分

本文的分析对象为某星载电子设备，有限元分析模型如图3所示。

图3 动力学仿真分析模型示意图

由上所知，整个装配体具有下列特点：①部件比较多，但是连接形式固定，均可以看成是用螺钉连接，而且连接点很多；②印制板结构形式比较统一，均为多层板结构形式。

由于比较关注模型的整体动力学特性和印制板的局部动力学特性，因此根据实际模型的特点，做了以下简化：①印制板采用多层板单元建模，印制板上元器件安装产生的附加结构刚度不予考虑，同时印制板上的安装器件按照均布质量考虑；②忽略实际模型中对于整体印动力学特性影响不大的孔、槽等结构，比如螺钉孔等；③螺钉和螺杆连接简化为有限元模型中结点之间的自由度耦合；④模块盒上方的插座采用集中质量建模。

整个模型网格数量大概在10万左右，对于应力关注的部位，比如印制板等采用网格加密，使结果更加准确。

材料性能参数：铜：屈服强度60 MPa，e=128 GPa,密度8.9E3,泊松比：0.3；FR4: 抗拉强度96.5 MPa,e=21 Gpa,密度1 800，泊松比：0.2；铝LF5:屈服强度140 MPa,E=70.6 GPa,密度2 700，泊松比：0.3；钢：屈服强度200 MPa,E=210 GPa,密度7 850，泊松比：0.28。

3.2 边界条件的设置

正弦扫频振动试验条件见表1。随机振动频谱图如图4所示。随机振动试验条件如表2所列。

表1 正弦对数扫频试验条件

表2 随机振动试验条件

图4 随机振动频谱图

3.3 有限元结果分析

3.3.1固有频率分析

设备固有频率(Hz)，为了随机振动计算的考虑，结果取了前2 000 Hz的频率点，从结果可以看出，总共有100阶的固有频率点。

从表3和图5结合模态振型分析,我们可以发现，由于该设备中具有比较多的子装配体(印制板)，同时子装配体由于部分结构相似，因此计算得到的固有频率点靠的比较近。一般情况下，局部模态并不能真实的反映一个结构的整体刚强度特性。同时从结果来看，整个设备刚性较好，固有频率点频率较高。

图5 设备固有频率仿真结果

阶数频率(Hz)阶数频率(Hz)1240.411722.792439.7612783.783471.5913789.384493.1214803.995502.4215837.286528.0816841.17545.7317845.758596.818848.019637.3619848.7610661.8620861.9

3.3.2正弦振动分析

从模态分析结果看，处理机固有频率远高于100 Hz,在试验频段没有共振响应。频率为100 Hz时应力最大，仿真结果如图6所示。

最大应力值：从图6、7可以看出，盒体上的最大应力出现在模块之间连接点附近也就是有限元模型中结点耦合的附近，而其余位置的应力值都不是很大，最大值为17 MPa。我们最关注的印制板上的最大应力出现在印制板固定孔附近，但是数值较小，为7.5 MPa，由仿真结果可以看出整个设备的结构比较合理，能够有效的改善印制板的受力情况。

从结果还能看出，几块印制板的应力分布不平均，进一步分析可以知道，尺寸小的印制板应力小，而尺寸大的印制板受力情况要差一些，应力值也大，因此以后设计印制板时要尽量减小印制板的尺寸，改善印制板的受力状况。此外还可以知道相似结构的模块盒受力状况类似，因此，这些模块盒的设计可以采用类似的设计。

图6 设备正弦振动应力图(整机) 图7 正弦振动应力图(印制板)

3.3.3随机振动分析

由于在随机振动中我们最关注的是印制板上的应力情况，因此选取对于印制板受力最恶劣的情况也即Z向(垂直印制板方向)进行随机振动仿真分析。随机振动仿真结果各模块及模块内印制板的应力图见图8、9所示。

图8 模块盒体随机振动应力图 图9 印制板随机振动应力图

ANSYS中随机振动分析是基于概率和统计的谱分析技术，主要是通过模态综合的方法来计算响应值。由于随机振动计算属于统计概率的技术，因此最后计算结果为3б时的值，所有参数都是假定为0均值的正态分布。3б时的应力值如图8、9所示。从图中可以分析得到以下结论:随机振动的强度大于正弦振动；盒体上最大应力值出现于盒体与安装平台固定孔附近，数值为87 MPa，而印制板的最大应力值出现于印制板的固定孔附近，数值为47 MPa左右；与正弦振动的类似，随机振动的最大应力值也都是出现在耦合结点附近。

4 热仿真

4.1 热仿真模型建立

星载设备只需要考虑在真空环境下的传导和辐射散热，建立的仿真模型如图10所示。

在建模过程中，忽略电连接器、螺孔等细节，考虑接触热阻、结构表面的辐射参数等因素，同时对于热耗大于0.3 W的器件都进行了建模。对于散热器件，采用了直接安装在盒体上以及在散热器件上增加导热块这两种方式，如图11所示。

图10 热仿真模型示意图

图11 器件散热方式

4.2 热性能参数和边界条件

(1) 印制板传导系数的设定 印制板为多层板(主要为两层板和六层板)，传导层共1或3层，每层厚度0.018 mm，覆盖面积约为90%；还有铜基板，为传导层和基材层，其中传导层为1 mm厚的铜，覆盖面积约为90%。

(2) 接触热导率的设定 一般情况下，接触热导取值范围为200～1 000 W/m2·K，在本次热分析中，铝板直接接触时，取接触热导值363.6 W/m2·K，涂导热填料后，一般取接触热导值1 000 W/m2·K。

(3) 材料属性的设定 材料属性如表4所示。

表4 材料属性表

(4) 热分析边界条件设定 根据实际环境，设定模块安装面温度为70°，设备周围的辐射环境温度为70 ℃。

(5) 求解设置 根据使用条件，对模型进行传导和辐射的仿真计算。热仿真结果分析设备中3个模块热仿真结果如图12所示。

图12 模块温度云图

从图12中可以看出，模块中器件最高壳温为96度左右，根据器件资料可以知道满足工作要求。

5 结 论

采用Ansys和Flotherm对星载设备进行动力学仿真和热仿真计算，能够有效地验证设计的合理性，能在设计源头将可能遇到的一系列问题考虑充分，并体现在具体的结构设计中，可有效降低后期的归零成本，保证研制工作顺利进行。

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，2005.

[2] 杨宇军.ANSYS动力学仿真技术在空间计算机结构中的应用[J].电子机械工程，2003(5)：57-59.

[3] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.