某型发控盒结构优化设计及分析*

谢军虎，刘俊华

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

发控电气部件位于发射装置内，介于飞机航电系统与导弹之间，与飞机航电系统通过信息交联完成对导弹的识别、供电、准备和发射。发控盒是发控电气的核心，包含总线接口与计算机系统、发控功能电路、点火电路、发射时序控制等，用于实现飞机与导弹之间的通信，完成导弹准备和导弹发射。

作为轨式发射装置的重要组成部分，发控盒所处的工作环境非常恶劣，新一代战机对其配套产品的可靠性、抗振性和电磁兼容性等提出了很高的要求，有高强度的振动和冲击条件、严酷的温度范围、较强的电磁干扰等，发控盒内部的各种元器件要在这些恶劣的环境下保持正常工作，必须依靠良好的结构设计。

1 发控盒的结构设计准则

发控盒有苛刻的尺寸限制和恶劣的工作环境要求，发控盒的结构设计应从为电气功能服务的原则出发，除应符合基本的结构设计原理外，还应满足电气性能的要求，确保发控盒在恶劣的环境下能可靠的工作。

1.1 组成

发控盒的结构通常由底座、前后端盖、插头座、主电缆和外罩等组成。发控盒各个功能电路板、执行继电器、电阻等经主电缆和接插件相连，并用螺钉固定在合适位置上，底座通常固定在发射架壳体上。

1.2 发控盒的设计要求

发控盒结构设计时应考虑可靠性、安全性、环境适应性和电磁兼容性等要求，一般应从以下四方面考虑来提高上述性能:

a)所选用材料的三防性能:为了保护电子元器件和印制电路板免受潮湿和盐雾环境的影响，产品应具有密封性，所有用于外结构件连接的紧固件均应镀镉钝化处理，对电路板组件采用涂敷处理。所选涂敷材料应具有良好的绝缘和机械性能、较强的抗潮湿、抗盐雾、抗热循环、抗老化及抗振能力。

b)发控盒的热设计:热设计是指对产品的发热元器件以及系统的温度进行控制所采取的措施，其目的在于保证产品正常、稳定、可靠工作。电子设备热控制的目的是要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境，防止电子元器件热失效，保证它们在规定的热环境下，能按预定的参数正常、可靠的工作。热控制系统必须在规定的使用期内完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。

c)发控盒的抗振与减振:发控盒应具有足够的强度和刚度。当结构自身不能有效地克服因机械力引起的材料疲劳、结构谐振等影响时，就要采取减振与缓冲措施，以避免或减弱上述因素造成的性能下降。若长期受振动或冲击作用，会产生疲劳损坏、元器件引线或焊点断裂、电回路失谐等故障。因电子产品在某些激振频率作用下会产生共振，其振幅越来越大，最后造成设备的不可逆损坏。为了防止振动对电子产品产生危害，通常在设计时即考虑采用减振设计。常用的减振设计方法有隔振设计、结构刚性化设计、去耦设计及有阻尼结构设计等。

d)电磁兼容性设计:为使产品能在电磁环境中良好运行，并不对其所在环境产生难以承受的电磁干扰的能力，应在产品的设计方案中考虑并采取电磁兼容措施，进行电磁屏蔽与接地的设计，以提高产品对电磁环境的适应性。其措施包括:噪声的抑制、消除噪声的耦合通道和抑制接收系统的噪声等。

2 某型发控盒的结构方案设计及分析

某型发控盒是某新型发射装置的重要组成部分，安装在发射装置内，与多种系列的飞机交联，可完成对两型导弹的供气、供电和发射等功能。

根据维修性和模块化的设计准则，将发控盒分为以下几个模块:机架组合、印制板组合、电源组合和继电器模块等。

2.1 发控盒的结构设计

本次设计在PDM系统中直接利用UG软件进行结构设计，先后设计出两种方案如图1和图2所示。

图1 F1发控盒

图2 F2发控盒

两种方案均采用了大梁内腔相似的菱形结构，根据模块化设计准则将整个结构分为4个部分:机架组合、继电器组合、印制板组合和电源组合。

两种方案在结构设计上有如下共同点:

a)在材料选取上，大部分零件采用铝合金预拉伸板，兼顾了产品的强度和重量要求。

b)在表面处理上，所有铝合金材质的零件都采用了化学导电氧化处理，满足产品的电磁兼容性要求。

c)在装发控盒外罩前将前端盖、后端盖和基座周边与外罩接触的地方涂上硅橡胶，所有的紧固件也作了点胶处理，进行湿装配，确保发控盒的密封性，满足产品的三防性能。

d)模块化的设计使得产品在装配过程中，布线方便，拆卸容易，故障定位简单易行，维修性和测试性较强。

e)对变压器等大体积元器件用环氧树脂进行灌封处理，使其内部的各个集中惯量为分布式惯量，以消除内部的振动耦合，大大提高器件的抗振能力。对标准紧固件采取防松措施，防止振动中松动或脱落。

f)电磁继电器固定时使触点动作方向和衔铁的吸合方向避开振动最大方向，可提高抗冲击振动的能力。

两种方案的不同点如下:

a)F1发控盒结构设计借鉴飞机、计算机等产品的母板模块化结构设计，将各印制板分别通过电连接器和螺钉与母板相连，完成各组件板的电气信号连接和固定，并通过电缆完成与接口插头的连接。F2方案因电气功能的完善，取消母板设计，将竖直装配改为水平装配，通过螺钉和接插件将印制板固定并引出信号。

b)F1方案零件种类数量较多，连接方式多样，除了螺纹连接，还有焊接和铆接等。F2方案在F1方案的基础上将部分零件合并，减少连接环节，取消铆接，将焊接改为螺纹连接，缩短生产和装配周期。

c)F1方案的功率器件和电阻分两层用立柱固定在电源组合上方，F2方案中将功率器件直接安装在基座上，提高产品的可靠性。

d)F2方案增加了滤波器，在结构设计上，用环氧树脂灌封后，依据电路图将其就近固定在上接口处即后端盖上。

2.1 发控盒的结构设计分析

文中的两种方案均在设计初期考虑了产品的电磁兼容性，例如结构表面处理为导电氧化，就近固定接地片等。

F1方案中将部分热功率器件用立柱固定在变压器上方，散热性和抗振性较差。在F2方案中将F1基座的几种零件合并，并将热功率器件移至基座上，不仅提高了系统的刚性，还降低了热阻，使得器件工作产生的热量能迅速通过基座传至发射架大梁上。

在减振和缓冲方面，因为空间的限制，无法使用体积较大的减振器，通过合理固定器件和印制板等提高发控盒的整体刚度，在印制板与基座之间用环氧玻璃布层压板进行隔离，该材料的低热阻可以有效降低基座上热功率器件工作时对上层印制板的影响。

图3 F1发控盒前四阶模态

作为工程振动领域的基本分析方法，模态分析用于确定设计结构的振动特性(固有频率和振型)，它们是承受动态荷载结构设计中的重要参数。通过对机械结构进行模态分析可以研究其动力特征，在设计阶段便可预知系统的动态特性。对发控盒而言，进行模态分析可在设计初期了解产品的模态参数，可及时对结构设计进行修改，使各阶模态频率尽量远离发射装置的模态频率，最大限度的减少对这些频率的激励，从而优化结构设计，提高发控盒的可靠性。

利用ABAQUS软件对简化的发控盒模型进行模态分析，两种方案的模态图如图3、图4所示。

F1发控盒的前四阶固有频率为:f1=283.32Hz，f2=394.34Hz，f3=412.74Hz，f4=526.58Hz。

图4 F2发控盒前四阶模态

F2发控盒的前四阶固有频率为:f1=395.50Hz，f2=421.87Hz，f3=518.72Hz，f4=527.47Hz。

由模态振型图可知，方案F1发控盒的前四阶模态分析中，刚性薄弱点均在电源组合上方的功率器件和电阻板上;方案F2中将部分功率器件移至基座，且增加了功率组合与电源组合的接触面积，并将印制板水平放置，其固有频率有所提高。

2.3 小结

文中先后进行了发控盒的2种结构方案设计，并对两种结构形式进行了模态分析，两种方案的模态频率均高于发射装置的一阶固有频率120Hz，两种方案均可应用于发射装置内。根据倍频法则，F2方案的整体刚性更好，经过优化布局，不仅具有F1方案的所有优点，而且还克服了其部分缺点，提高了产品的固有频率。将实体模型转化为二维图纸投产加工，在零件加工和装配过程中全程跟踪，模块化的设计使得装配、布线、测试和维修都非常便利。

3 结论

综上所述，文中依据发控盒的指导思想，设计了某新型发射装置发控盒的结构方案，并对发控盒进行了模态分析，在前一种方案的基础上进行结构优化设计，使得设计方案更加完善，F2方案的发控盒在装配调试后做了各项交付试验，如高低温工作、振动和冲击试验等，在试验期间和试验后均能正常可靠工作。且该发控盒多次顺利发射导弹，说明该方案能够满足发控盒的工作要求，充分证明了其可行性。后续应在该方案的基础上采取减振设计，在局部关键器件部位采取隔振措施以提高其可靠性及耐振性，进一步优化发控盒的整体性能。

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