某战术数据链测试设备结构设计

韩钟剑，张　娜

(1.中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068；2.中国电子科技集团公司第27研究所，郑州 450047)



某战术数据链测试设备结构设计

韩钟剑1，张娜2

(1.中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068；2.中国电子科技集团公司第27研究所，郑州 450047)

摘要：介绍了某战术数据链测试设备的系统和整机要求，详细阐述了机箱、整机模块、托架等结构设计思路与方法。通过模块化、小型化的结构形式，提高设备可维修性，在保障结构强度的同时减小了设备体积，降低了设备重量。并对测试设备进行热仿真分析和减振设计，确保设备满足环境适应性要求。

关键词：结构设计；测试设备；模块化；热设计;减振设计；维修性

0引言

战术数据链测试设备(以下简称测试设备)由于其使用方所处的力学环境、热环境、机械环境以及电磁环境等都比较复杂, 如何选择恰当的整机结构形式, 合理布局, 较好地解决振动冲击、电磁屏蔽、散热以及可靠性和维护性等诸多矛盾, 对于提高设备适应严酷环境条件起着关键的作用。

在测试设备结构设计过程中, 根据使用系统空间和环境要求, 采用主流的三维CAD设计和仿真分析软件, 对产品进行外形设计、模块布局以及力学和热的仿真计算, 通过仿真结果得出最佳的布局形式和散热途径[1]。在该测试设备研制过程中采用UG-NX8.0三维设计软件进行结构设计，FLOTHERM 7.1进行热仿真以提高设计质量。

1系统和整机要求

测试设备主要完成实验室和外场条件下与某战术数据链端机互联互通，对端机的功能、性能进行内场测试和机载设备放飞前的检测，为某机载端机提供标准测试信号，主要用于端机设备的接收性能以及各种业务消息、话音、视频的收发测试。

测试设备结构设计应采取小型化设计，合理布局以满足功能要求, 应保证使用过程中整机模块可以排除外界环境(如温度、潮湿、电磁干扰、振动冲击等)的干扰, 可以保证工作的可靠性, 电子元器件达到预定的技术指标[2]。

2整体结构设计

2.1整体结构设计

该测试设备由机箱、整机模块和托架组成，外形尺寸为(宽×深×高)：408 mm ×320 mm ×270 mm，重量≤25 kg，整机模块安装在托架上,通过定位销与锁紧机构固定，托架通过螺钉固定在机箱底板上，通过电缆将整机模块与前面板相连。测试设备外形如图1所示，测试设备内部组成如图2所示。

图1　测试设备外形图

图2　测试设备内部组成图

2.2机箱结构设计

测试设备机箱外形尺寸依据电子设备台式机机箱基本尺寸系列[3]。

机箱由前面板、后面板、底板、后框、上盖等组成。接插件、显示屏、鼠标、键盘、USB接口、把手等均布局在前面板。前面板与后面板锚装在底板上，确保结构强度。顶部通过2根横梁将前后面板固定。底板开通风口以及保障风机有足够进风量并安装有4个橡胶减振器以提高设备减振效果。上盖在安装时先插入前面板凹槽内，再通过螺钉与后框紧固在后面板上。此结构设计具有外观美观(表面没有螺钉)以及拆安装方便(只需固定后框6个螺钉)。

2.3端机模块结构设计

2.3.1模块化设计

整机模块参考标准ATR机箱的尺寸和安装使用要求，采用模块化设计，其中包括天控与功率控制模块、显控处理单元、收发综合处理单元、信息综合处理单元、电源处理单元。各模块均设计为带通风腔式密封屏蔽结构，通过接口转接单元进行信号传输。模块之间通过高速混装连接器连接，实现了盲插，通过互相插合紧固实现电气和机械连接同步到位，同时模块间形成散热风道，从而实现了结构、电气、散热的紧耦合结构。整机模块外形如图3所示。

图3　整机模块外形图

各模块单元结构件材料选用导热率高、密度小、强度高且耐腐蚀的铝合金5A06。端机结构设计方式见表1。

表1　端机结构设计方式表

模块化设计使整机模块具有良好的可维护性、可拆卸性、可更换性, 避免了整机模块内部结构出现杂、乱、散的现象, 紧凑了布局, 减少了重量。

2.3.2小型化设计

整机模块结构采用SEM-E体系下的标准模块化设计理念，实现基于通用总线具有通用性、可扩展性的紧密耦合机箱设计，各功能模块实现紧密安装。

整机模块采用混装底板的设计使得各功能模块的连接线缆大幅度减少；采用串行总线传输离散信号，减少接插件数量的同时提高了可扩展性；采用集成射频接插件连接各中频和射频部分，减少了射频接插件的体积重量，增加了可靠性；数据处理部分采用高度集成器件减少体积重量，射频部分采用裸片层叠设计减少体积重量。

射频处理电路采用高效射频集成微芯片技术等；数字处理电路选用低功耗、小尺寸的表贴芯片电路，充分实现低功耗工作模式，在最少的硬件配置基础上通过软件实现模块功能；电源和功放采用低功耗、高效率、小型化模块。

设备小型化设计示意图如图4所示。

图4　设备小型化设计示意图

2.4托架设计

托架由托板、锁紧机构、定位销、支脚减振器、风机罩、密封圈、风机等组成，基于成熟测试设备托架的基础上改造而成，包括底部加装风机，实现端机通风散热功能；托板四周底部加装4个支脚减振器，实现端机减振设计。该托架具有体积小、重量轻、便于拆装的特点，同时具备减振功能、散热功能，能够满足振动、疲劳等环境试验。托架组成外形如图5所示。

图5　托架外形图

3电磁兼容性结构设计

端机的电磁屏蔽设计分为各模块和整机电磁屏蔽设计两部分。

各模块设计为独立屏蔽结构形式。壳体均采用5A06铝合金材料铣制而成，盖板与壳体接合面处均设计有密封槽，在槽内安装导电屏蔽条实现电磁屏蔽；模块内部用蜂房结构实现隔离，每一级隔离均为独立屏蔽。各模块的屏蔽设计可有效降低设备向外部漏场辐射，同时避免内部之间相互干扰。

端机模块之间互联接插件四周也设计有导电屏蔽条，实现模块互联信号与外界屏蔽；各模块外壳互联导通，主机前面板设计有设备接地柱，通过接地线实现设备接地。端机对平台接口插座均选用具有滤波功能的元器件，采用后装方式并带有导电屏蔽圈，防止外部信号对本机的干扰。

4热设计及热仿真

测试设备采用强迫风冷方式循环散热，各模块之间设计冷却风道，内部为5℃恒温风流，将模块内部热量带走。设备风冷系统包括托架上的进风口和设备冷却风道两部分。设备冷却风道位于两模块之间。

该测试设备端机内部集成了如天控与功放模块、电源模块等发热量较大的模块, 随着工作频率与运行速度的提高, 各模块发热量随之增大, 如果热量不能及时有效地散出去, 就有可能缩短器件的寿命, 降低模块的可靠性指标, 甚至直接造成模块不能正常工作或烧毁。

散热的目的是对整机模块的运行温度进行控制以保证其工作的稳定性和可靠性。因此在测试设备模块及机箱结构设计时应充分进行热分析和仿真, 以获取优良的散热效果, 使之能够满足军用环境的需求。

4.1风冷散热单元

根据预估设备散热功耗为560 W，由公式:

(1)

计算设备所需风量Qf=0.029 m3/s( 104.4 m3/h)。

式中:p热为散热功率(W);cp为空气比热(J/(kg·℃))，标况下为1 005 J/(kg·℃);ρ为空气密度(kg/m3)，标况下为1.293 kg/m3;Qf为体积流量(m3/s);△T为进出口温差(℃)，取15℃。

根据风量要求及设备风道流阻特性曲线选择风机4412FNH，风机相关参数如表2所示。

表2　风机参数表

图6　风机流阻特性曲线及结构尺寸图

风机流阻特性曲线及结构尺寸如图6所示。根据风机实际工作流阻选择参数示意图如图7所示。

4.2热仿真分析计算

为掌握整机模块内部温度分布情况, 确定产品能否在特定条件下正常工作, 采用计算流体力学(CFD)方法进行热分析, 采用Flomeric 公司的FLOTHERM7.1软件进行仿真计算, 对整机模块进行热仿真分析[4]。对测试设备内部模块实际热功耗进行整机热仿真, 环境温度分别设为25°和70°。

根据功耗预估仿真结果如图8和图9所示。

仿真结果显示，环境温度25℃时，射频综合处理单元50%占空比工作，端机最高温度在射频综合处理单元功率管处，最高温度为78.2℃，其余模块温度基本在60℃左右。环境温度70℃时，射频综合处理单元降额使用，以25%占空比工作，端机最高温度同样在射频综合处理单元功率管处，最高温度为112℃。除天控与功率控制模块温度较高外，其余模块温度基本在90℃以下。端机中功率管结温225℃，现场可编程门阵列(FPGA)结温125℃，电源模块结温105℃，由此可以看出热设计满足端机的工作环境要求。

图7　风机实际工作流阻示意图

4.3其他散热方式

除风冷系统设计外，设备还采用以下热设计形式：

(1) 选用低功耗器件，降低设备功耗，减少设备发热量；

(2) 热传导设计，提高机内热传导性能，降低设备内部各部件之间温差，消除局部温度过热现象，将热量均匀传导至模块壳体表面；

(3) 模块本身采用加装冷板方法散热，最大限度增加散热器，降低表面热流密度；

图8　环境温度25℃仿真云图

图9　环境温度70℃仿真云图

(4) 在某些部位采用散热帽、散热片等局部降温措施；

(5) 对功率较大的集成块采用贴附界面材料，将热量传导到机壳，降低局部温度，通过设备模块间风道中的冷却风流带走热量。

5结构减振设计

为避免振动和冲击对机箱造成的损坏, 测试设备需进行振动冲击防护设计。机箱和模块的振动冲击防护设计主要通过以下几方面来实现。

5.1机箱振动冲击防护设计

机箱的振动冲击防护设计主要是通过减小机箱尺寸、提高机箱刚度、对端机模块进行加固得以实现。选用强度较高的铝合金作为机箱的主体材料(5A06), 并将主要承力构件锚装构成一个牢固的整体，再将前后面板通过加强筋螺钉固定。机箱底部加装支脚减震器，提高了整机的固有频率和整体刚度,增强了设备的防振、抗冲击能力, 使机箱具有良好的机械强度和刚度。

5.2端机模块振动冲击防护设计

提高结构抗振、抗冲击能力并使结构共振频率远离激励的主频率或整机模块的危险频率，从而保障电性能的正常发挥[5]。

根据端机所应承受的力学环境条件选择合理的结构形式；提高产品结构刚度；增大产品结构阻尼；提高产品结构强度，使安全裕度>0；合理布局电路板。

刚度越大，抵抗变形的能力越强，其自身的固有频率越高。提高结构刚度的具体措施：选择较高的刚度比材料，提高零件自身刚度；采用小型化、模块化设计理念，减轻重量，提高结构刚度；减小电路板间距，压缩无效空间；在满足强度、刚度、导热、粒子辐照屏蔽要求和工艺水平允许的前提下应尽量减少壁厚，减轻重量。

阻尼在振动过程中起到耗散系统能量、降低结构响应的作用。增大阻尼可使振动过程中响应的振动量级减小，载荷放大量降低，从而降低设备结构的振动应力值。增大阻尼的措施主要有：安装集成块、分离元器件的印制板上采取粘接加强或灌封等措施；控制安装间隙，以减小安装内应力的存在；设备内使用的紧固件和电连接器应具有防松措施；元器件尤其是晶体管等质量大于7 g的器件，采取合理加固措施(机械固定、粘胶固定、局部灌封固定等)；对于某些抗震能力差(如晶体振荡器、滤波器等)的零件，加绝缘减振衬垫局部减振。

6维修性设计

6.1具有良好的可达性设计要求

(1) 设备配置根据其故障率高低、维修难易、重量等因素统筹考虑布局，凡故障率较高、需要经常维修的部分应有良好的可达性；

(2) 检查维修任一部分时减少拆装环节；

(3) 故障率较高的部件装拆简便；

(4) 各检查测试点应布置在易接近的位置。

6.2标准化、通用化和互换性

(1) 设计时选用元器件按我所质量部认证的厂家生产的标准元器件，减少品种规格；

(2) 结构设计中选用标准件、通用件，以便更好地保证产品质量，提高产品的标准化、通用化和互换性程度。

6.3设备的维修方法

测试设备维修采用设备自检测方法，诊断故障部位，对故障模块进行维修。维修分为二级：

(1) 一级维修为外场维修，采用更换可更换单元(SRU)方法。

(2) 二级维修为设备承制单位维修，对故障模块进行维修，更换失效元器件，恢复其电性能。如有条件，二级维修也可在场站进行。

7腐蚀与防护设计

为了提高模块及整机的防潮湿、防霉菌、防盐雾的三防性能, 采取如下三防措施[6]:

(1) 选用相同电化学偶、防护性能好的金属铝作该分机的结构件材料, 且对其表面进行导电氧化处理,既保证了屏蔽性能,又满足三防要求。

(2) 结构件凹槽处加装密封条，能够有效增强整机密封性。

(3) 在机箱外表面涂冰灰半光丙烯酸聚氨酯烘干磁漆, 以增强整个电子设备的三防性能。

8结束语

本文详述了测试设备结构设计方面的思路及考虑， 笔者充分运用电子设备结构设计的专业知识, 认真、仔细地对该测试设备进行了模块化、小型化、电磁兼容性、热、防冲击、振动等设计考虑。通过采用成熟经验和结构力学三维设计及仿真软件UG、热仿真软件Flotherm，较好地解决了整机结构形式、屏蔽、散热等主要矛盾, 取得了满意的效果。从原理样机到工程样机, 电气性能、体积、重量等均完全满足了系统主要技术指标及安装、环境指标。

参考文献

[1]周开勤.机械设计师实用手册[M].天津:天津科学技术出版社,1995.

[2]王健石.电子设备结构设计标准手册[M].北京:中国标准出版社,2001.

[3]中国国家标准化管理委员会.电子设备台式机箱基本尺寸系列.GB/T 3047.6-2007[S].北京:中国标准出版社,2007:1-2

[4]赵春林.电子设备的热设计[J].电子机械工程,2002,18(5): 40-42.

[5]季馨，王树荣.电子设备振动环境适应性设计[M].北京:电子工业出版社,2012.

[6]南雁,郭建平,张娅妮.某机载电子设备总体结构设计[J].航空计算技术，2011，41(3):97-100.

The Structural Design of A Certain Tactical Data Link Test Equipment

HAN Zhong-jian1，ZHANG Na2

(1.The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068,China;2.The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047,China)

Abstract:This paper introduces the system and overall unit demand of a certain tactical data link test equipment,elaborates the structure design thought and method of the machine box,overall unit module,bracket,etc.,improves the maintainability of the equipment by means of the structure mode of modularization and miniaturization,which reduces the volume and weight of the equipment while ensuring the structure strength.The thermal simulation analysis and anti-vibration design are also performed to the test equipment in order to guarantee the equipment meet environmental adaptability requirement.

Key words:structure design；test equipment；modularity；thermal design；anti-vibration design; maintainability

收稿日期:2016-01-25

中图分类号：TN03

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0115-07

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.028