某舰载电子设备的造型与结构设计*

生建友

(总参第六十三研究所 南京 210007)

1 引言

随着科学技术的不断发展,时代的不断进步,人们对产品的质量要求已不仅仅是内在质量(多功能、高性能),现在又提出外观质量和使用质量(产品显示、操作的宜人性)要求,即造型设计要求,为适应新形势的需要,在进行设备的结构设计时应同步进行造型设计。由于舰载电子设备的特殊性,如使用环境恶劣、品种多、数量少等,使得设备的结构设计难度大,造型设计水平也较民品差一截。针对这些特点,结构设计师应加强结构、造型、环境适应性设计方面的理论、方法、技术的学习和综合运用,将结构设计、造型设计与舰载环境有机结合起来,在提高产品结构设计质量和外观造型水平的同时,提高产品的环境适应性能力和可靠性水平。下面结合某舰载设备的研制情况谈一点设计体会。

2 设计思路及原则

该设备用于舰载,按照GJB367A-2001的有关要求[1],总的设计思路是:设备具有足够的机械强度、刚度和三防能力,以满足舰载使用要求,同时,力求使设备外型美观、结构简单、重量轻、成本低,方便操作、安装和维修。设计的基本原则是:

1)实用,针对舰载环境的特点[2],如腐蚀严重、海上风力大、船体颠簸厉害等,制定详实、可行的设计方案,并据此采取有效的技术措施,为全面实现设备的技术性能指标从结构上提供保障,同样,外观造型设计也不能脱离实用这一原则,如果设备性能上不去、功能完成不了,外观再时尚、美观也没有实际价值。

2)美观,在确保实用的前提下,尽可能使设备尺寸合理、比例协调、外形漂亮、层次分明、形色和谐,以满足用户要求。

3)经济,设备的结构与造型设计应力求最简化,使每个零部件都成为最简设计,在保证机械强度的前提下,尽量去除多余的材料,力争使用最少的物力、人力和时间,实现设备的功能、性能、高可靠、美观要求,做到“经济实惠,价廉物美”。

4)创新性强,针对现代海战的特点以及舰载环境的特殊性,采用先进的理论、技术、工艺进行创新设计,设计出更独特、更新颖、更实用的新型结构和时尚外形,以满足现代战争对舰载电子设备的结构要求和人们的审美要求。

5)工艺性好[3],结构与工艺是密切相关的,设计的结构和外形应具备良好的工艺性,即与当前先进、成熟的工艺方法、工艺措施以及加工设备、人员相适应,尽量不用或少用特殊工艺,选用的材料也是普通、常规材料,从而保证设备加工的进度、精度、质量,进一步节约研制成本。

6)“三化”[1](通用化、系列化、模块化)原则,按照三化设计原则,将设备设计成若干个模块的组合体,以满足装备研制的标准化工作要求。设备的三化能有效缩短研制周期,提高设备的可靠性和可维修性,加快装备重新投入作战的过程。

3 造型设计[3,5]

造型设计主要考虑的是设备“体”的构思和“面”的布局。从设备用途和功能角度出发,整个设备设计成现时流行的扁平长方体,给人以轻便、精巧的感觉,整个设备的外型以及上下左右四个面上的凹面总体上设计为对称型,给人一种严肃、庄重、有条理的静态美。设备各部分的尺寸综合采用了黄金比、均方根比、等不同的比例关系,如设备的高宽比与显示窗口的长宽比为整数比,机箱的深宽比和盖板、侧板上凹面的尺寸比为均方根比,薄膜键盘的宽长比为黄金比。黄金比是公认的优美比例,均方根比符合人们的现代审美需要,整数比具有明快、匀整的美感,多种比例关系的综合运用,能产生一种有秩序的和谐美。薄膜键盘粘贴在金属面板右侧的凹面内,其高度方向及四周与凹面高度和四周均小0.5mm,这样不仅有层次感,而且四周的间隙有利于薄膜键盘的热胀冷缩,避免由于温度变化产生鼓包而影响美观,机箱的上下左右四个外表面各加工了1.2mm深的凹面,其中右侧面的一个凹面内用于安装标志牌,所有这些措施均体现了造型设计的统一中求变化、变化中求统一的表现技法,使得设备外形既简洁、美观,又有层次感,而且,变化中又反衬了简洁的外形,形成了良好的视觉效果,给人一种清新、跳跃的感觉。设备外形的所有棱边分别采用了R1～R2的圆角过渡,使得设备外形刚劲中带柔和,丰富饱满中显得坚实庄重。设备的外观造型效果参见图1。

面板是人观察与操作最频繁的部位,也是设备外观的核心,其造型好坏直接影响到设备的整体造型效果。设备的面板用铝合金材料加工制成,经化学处理、喷沙后进行了表面涂覆,涂层为丙烯酸亚光桔纹漆,漆层饱满,装饰效果和附着力好。根据人的观察和操作习惯,开关布置在面板左下侧,显示窗口放置在面板左侧中间偏上一点,薄膜键盘粘贴在面板右侧中间位置,使用表明这种布局合理,符合操作人员的思维规律,为了使面板整体看起来不呆板,在显示窗口和键盘四周加工了凹槽,增加了面板的层次感和立体感。薄膜键盘上的按键采用手感型的,操作时节奏感较强,按键四周用带有小圆角的方框做标识,面板上的文字、字符、指示灯以及按键的位置严格对称布置,给人一种端庄、安详的美感。

由于是舰载设备,海灰、深灰、中绿灰色等是必选颜色,外接电连接器为黑色,紧固件为不锈钢本色,这几种颜色的和谐搭配既显军品之威严庄重,又不失朴素大方之本。设备的主色调是中绿灰色,为了使之与键盘的颜色产生色差,键盘的主色调为海灰色,数字键为橄榄灰,确认键和菜单键位深灰色,其余键位驼灰色,按键四周的方框为黑色,字符颜色为白色,充分利用色彩对比法这一变化技法,使这几种颜色形成了鲜明的对比,避免有效误操作。

图1 设备造型效果图

4 结构设计中的几个关键问题

4.1 总体布局

总体布局作为结构设计的主要内容,是结构设计的第一步,总体布局是否合理将直接影响到设备的性能和可靠性。按照三化设计原则,设备主要由功能、结构、接口相互独立的模块组装而成,该舰载电子设备主要有操作显示模块、功放模块、数据处理模块、主控模块、电源模块、转接模块、接口模块以及收发模块等组成,各模块间主要通过转接模块进行连接。综合考虑设备的重心、稳定性、热设计、电磁兼容和走线、扎线工艺以及模块间的连接关系,操作显示模块安装在设备前面,功放模块安装在设备后面,收发模块安装在设备内部左侧,其它模块安装在设备内部右侧,最后的试验、使用证明:这种布局、组装工艺合理,走线美观,连接可靠。设备的外形及内部布局参见图2～3。

4.2 结构设计

综合考虑材料的机械性能、物理性能以及防腐蚀和成本等因素,设备主要结构件均选用防锈铝合金材料。设计了薄壁焊接结构,进一步减轻了设备重量,设计了防水薄膜键盘,既有利于解决重量问题又有利于解决防水问题。设备机箱由左右侧板、底板和前后安装架组成,采用氩弧焊焊接成形;面板和功放模块盒体采用铣削加工成形,所有零部件在保证机械强度的前提下最大限度地去除多余材料,有效减轻设备重量。按照设备内部总体布局要求,操作显示模块、功放模块、收发模块和转接模块用螺钉直接安装在机箱上,使它们和机箱之间形成近似刚性体,进一步增加箱体的刚度和防振动、冲击能力,为方便设备的调试、装配,设计了印制板安装架,安装架直接固定在底板上,其余五个模块利用楔形锁紧装置固定在安装架内,通过矩形电连接器直接与转接模块连接,这种结构形式可大大提高设备的可维修性,参见图3,由于楔形锁紧装置的大夹持力和良好防松脱效果,设备的抗振动、冲击效果比较好。大部分模块直接通过插座进行连接,个别模块通过电缆进行连接,电源开关板与薄膜键盘通过线缆与转接模块连接,按照扎线工艺要求,所有线缆均进行了绑扎并固定在机箱底板或机箱壁上,避免线缆在使用、运输过程中,由于机械应力的作用而产生变形和位移,确保设备内部各模块、单元之间数据的可靠传输,提高了设备的可靠性。

4.3 屏蔽设计

由于同一船舱内安装了多种不同的电子设备,如果设备的电磁兼容性能不好,势必影响设备自身的正常工作,或者干扰其它设备,导致船舱内其它设备不能正常工作,因而必须重视设备的电磁兼容性设计,结构设计上主要采取屏蔽设计,屏蔽既能有效抑制通过空间传播的各种电磁干扰,又能有效防止设备自身向外辐射电磁能量[3]。

屏蔽设计首先应选择合理的屏蔽材料,由于设备的工作频率达到数百兆赫兹,属于高频电磁场,应选用高导电率材料,我们选用的铝镁合金材料对高频电磁场和低频电场都具有良好的屏蔽效果,而且成本也不高。具体设计时,收发模块和功放模块单独设计屏蔽盒,其它五个数字电路模块由于安装在印制板安装架内,盖上盖板后,实际上也起到了屏蔽盒的作用,它们和机箱之间形成了双层屏蔽结构,考虑到功放模块的特殊性,为避免模块内各单元之间相互干扰,各单元亦分别安装在不同的腔体内,使之相互隔离,参见图4。屏蔽设计主要着眼于缝隙和孔洞设计[3],设备由于装配、维修、操作、显示等要求以及数据传输线、电源线的引入与引出等等,机箱上有形状各异、尺寸不同的孔和缝隙,造成机箱在电气上不连续,从而降低其屏蔽效能,屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽箱体的完整性,使屏蔽效能尽量达到理论计算值。首先,机箱采用连续焊焊接工艺,形成永久性接缝,从而保证机箱接缝处电气的连续性;其次,机箱与上盖板、面板和功放模块之间的安装面上均安装了导电密封圈,所有对外连接的插座均安装了导电衬垫,显示窗口采用了200目的屏蔽玻璃版,确保了缝隙处的电接触,实现了窗口、缝隙处电气上的连续性;再次,合理布置螺钉间距,螺钉不仅起紧固作用,其间距也直接影响到屏蔽效果,设备上的螺钉间距基本按照λ/10～λ/20进行布置,有效减小了接缝,保证了接缝的屏蔽效果,同时增加缝隙深度,缝隙深度越大屏蔽效果越好,在不增加设备体积的前提下,尽量增加缝隙处的接触面积;最后,设备所用电连接器均为屏蔽型,而且数据插座选用的是带滤波插针的多芯电连接器,电源线先通过滤波器盒再进入机箱。试验、使用证明,设备的屏蔽效果比较理想,完全满足GJB151A-97的相关要求。

图4 功放模块结构示意图

4.4 热设计

由于设备功耗比较大,内部聚集的热量比较多,为防止元器件的高温失效,确保设备工作稳定可靠,必须重视设备的热设计。由于船舱本身具有较好的冷却系统,可以提供冷却空气,因而,设计时充分利用这一优势,采用常规热设计措施[3],即设备内部的热量首先通过热传导、对流换热和辐射换热传向机箱,再由机箱通过对流、辐射换热传到周围介质中,最后借助于船舱内的冷却气流将热量带走,这样既经济又实用、可靠。因此,设备热设计的主要任务就是把各模块产生的热量通过低热阻路径迅速有效地传到机箱外部环境中去。首先,我们采用导热条式散热印制板,即在元器件与印制板之间加入一层铜导热条,安装时,将所有发热元器件跨骑在导热条上,同时在元器件和导热条之间充填导热硅胶,以消除空气间隙,进一步减小元器件和导热条之间的接触热阻,使元器件产生的热量迅速地传到导热条上,因而,设备的传导散热路径为:元器件→导热条→印制板→楔形锁紧装置→机箱→机柜→船舱。由于采用了楔形锁紧装置,不仅能产生较大的夹紧力,而且减小了两接触面之间的接触热阻,提高了热传导能力;其次,我们注意到在各单元模块中功放模块的功耗最大,是主要的发热单元,为了提高其散热能力,单独制作了带散热器的盒子,参见图4,盒体外表面进行黑色无光泽导电阳极化处理,提高其辐射换热能力,同时将发热量大的芯片直接安装在盒体内侧上,并在盒体外侧相应位置安装风机,对其进行强迫风冷,由于功放盒安装在设备后面,风机吹出的热量直接由船舱内的冷却气流带走。试验证明,整机的散热效果非常理想,满足GJB367A-2001的相关要求,用户比较满意。

4.5 三防设计

三防(防潮湿、防盐雾、防霉菌)能力是舰载设备重要的性能指标之一,也是结构设计中必须重视、解决的难题。我们主要从以下几个方面采取了措施:首先,选用了防护性能较好的铝镁合金作为设备结构件的材料,屏蔽玻璃选用了防盐雾、防霉菌性能好的国外进口产品,导电密封圈中添加了防老剂和防霉剂;其次,将设备设计为密封结构,所有的接缝处均安装了导电密封圈(垫),使各电路模块与外界空气隔离,不仅能阻止电磁波的穿出、穿入,起到电磁屏蔽效果,也能防止潮气、盐雾、霉菌的侵入,从而达到长期三防的效果;再次,采取表面防护措施,在机箱表面和印制板表面形成一层保护性涂层,使潮气、盐雾和霉菌无法接触到零件,而达到防护效果。对变压器和电感线圈利用酚醛绝缘漆进行浸渍;对印制板及其组件表面喷涂三防清漆;严格按照我所的涂装工艺要求,选用丙烯酸漆对设备表面进行涂覆,根据随机样片的盐雾、霉菌试验结果,油漆层的防护效果比较好。如果条件允许,可以先采用达克罗喷涂技术,在机箱表面形成达克罗涂层,再在达克罗涂层上面涂覆油漆层,达克罗涂层有很好的防腐性能[5],尤其是防盐雾性能,试验表明,达克罗涂层与金属、油漆涂层均有很好的结合力,采用这种复合防护涂层,既能进一步提高设备的三防效果,又不影响设备的表面装饰效果。

5 结语

该设备按照上述设计原则、采取上述技术措施完成研制后,经环境试验、试用、使用,设备外形及各项技术性能指标均满足研制合同要求,受到了用户的好评。由此可见,在舰载电子设备的结构设计中,只要把握住其关键问题,按照质量管理体系要求,运用已有的成熟理论、经验和设计方法,并大胆使用新材料、新技术、新工艺,就能较好地实现现代高技术战争对舰载电子设备提出的诸多要求,满足人们的审美要求,从而为设备的功能、性能、可靠性、可维修性从结构上提供强有力的保证。

[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

[2]电子科学研究院.电子设备三防技术手册[M].北京:兵器工业出版社,2000

[3]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

[4]生建友.谈军用电子设备的造型设计[J].电讯技术,2003,43(1):111～114

[5]吴勇.达克罗涂覆工艺应用研究探讨[C]//军事电子装备防护技术交流会论文集,2006