某型便携发控系统观瞄发控装置瞬态热仿真分析

2020-02-22曾志惠博周航

科技创新导报 2020年28期

关键词：瞬态

曾志惠博周航

摘要：某型便携发控系统观瞄发控装置是某型导弹武器系统的重要组成部分，本文根据观瞄发控装置内部各组件的功耗情况以及工作的环境温度，对观瞄发控装置三维模型进行了合理简化，应用热仿真分析软件进行了观瞄发控装置任务周期内的瞬态热仿真分析，并对仿真结果进行了分析，所获得的结果对观瞄发控装置的设计具有重要的参考价值。

关键词：发控系统密闭机箱瞬态热仿真

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）10（a）-0083-06

Abstract： The sighting and launch control device of a portable launching control system is an important part of a missile weapon system. According to the power consumption of each component of the sighting and launching control device and the working environment temperature， the three-dimensional model of the sighting and launching control device is rationally simplified and the transient thermal simulation analysis of the sighting and launching control device in the mission cycle is carried out by using Flotherm XT thermal simulation analysis software. The simulation results are analyzed， and the obtained results have important reference value for the design of the sighting and launching control device.

Key Words： Launching control system; Sealed case; Transient; Thermal simulation

某型便携发控系统观瞄发控装置是某型导弹武器系统的重要组成部分。发控系统是保障导弹发射成功的重要设备，承担着数据交互、导弹射前信息处理和安全发射控制等重要使命[1]。觀瞄发控装置作为某型便携发控系统的核心组件，是一个高度集成的机电一体化密闭机箱。在设计上要面临多功能集成带来的高热流密度、更严酷的抗振要求和复杂电磁环境，同时还要兼顾良好的维护性和轻量化设计，对结构设计提出更高的要求[2]。在自然散热的情况下，完全密闭的箱体热传导路导路径长，其散热能力基本不太理想[3]。

便携发控系统属单兵反坦克导弹武器系统的发射装置，与射手之间结合紧密[5-6]，高温对射手的操作使用带来一定的影响，热设计也属的装备人因工程设计的一部分[7]。

随着电子产品的集成度及组装度的不断提高，产品内各种模块的功耗也在不断增加，尤其是大功率模块，如果不进行有效合理的散热，会造成大功率模块在工作过程中失效甚至损坏。大功率模块的散热问题是电子产品热设计中的关键[7]。大多数电子元器件工作温度在 80℃以上时，其失效率会随着工作温度升高急剧上升，因此高温导致的设备工作故障成为了影响可靠性的重要因素[8]。由于电子元器件密度的增加以及传热路径的复杂性，其热分析和热设计成为了一个不容忽略的问题[9-10]。

导弹武器系统各设备往往需要经受环境条件的复杂变化，因此电子设备将经受工作温度的复杂变化，对其进行瞬态温度场及热特性的分析是很有必要的，这将对系统的设计提供重要的参考价值[11-12]。仿真计算误差较小，在5%以内，满足工程应用需求。因此，数值仿真技术的使用能大幅提高产品的研发效率，并保证产品可靠性[13]。

1 观瞄发控装置瞬态热仿真分析条件

1.1 观瞄发控装置模型简介

观瞄发控装置主要由内部设备以及壳体等组成，各模块在观瞄发控装置内部布局如图 1所示。箱体为密封箱体，各部件通过螺钉与壳体固连，其中设备一底面与壳体中部连接，设备二与壳体后端面接触，设备三与壳体后端面接触。

观瞄发控装置中主要热源共计11个，总功耗110W，各组件功耗见表 1。

1.2 观瞄发控装置瞬态热仿真物理特性参数

观瞄发控装置壳体材料为铸铝合金ZL101A，25℃时导热系数为150W/（m·K），壳体外表面喷涂军绿色漆，材料的物性参数如表 2所示。

1.3 观瞄发控装置工作条件及仿真工况

仿真环境温度为35℃，在35℃环境温度下，观瞄发控装置连续工作4个周期，每个周期持续时间30min，每个任务周期内的前26min，数据链和制冷热像不工作，其余设备正常工作，工作设备的总功耗为40W;每个任务周期内的后4min，制冷热像不工作，其余设备正常工作，各设备总功耗为95W，共计2h，任务剖面示意图如图 2。

2 观瞄发控装置热仿真建模

2.1 观瞄发控装置模型简化原则

观瞄发控装置的实体模型比较复杂，含有大量紧固件、凸台、圆角、孔隙等元素，这给后续的热仿真分析带来一定困难，所以在进行热分析前应先对三维实体模型进行简化。

简化原则如下：

（1）在保留壳体及内组件基本特征的前提下，去除对发热及散热影响不大的元素使之成为便于划分网格的规整结构;

（2）剔除与热的传导路径无关的元器件;

（3）对于简化困难的组件，可采取等效替代的方法。

2.2 观瞄发控装置热仿真建模

装置的热分析模型在仿真软件中建立，主要进行了以下工作：

（1）设置各组件主要材料的物性参数的导热系数以及热源功率;

（2）装置为一封闭体，主要采取自然冷却形式，打开辐射开关并设置材料发射率;

（3）检查模型;

（4）根据模型的整体尺度，划分网格;

（5）打开求解器，设置迭代步数，进行运算;

（6）针对不同的工况，修改相关参数并进行多次求解。

仿真分析软件中建立热仿真模型及网格见图3所示。

3 观瞄发控装置瞬态热仿真分析结果及分析

使用软件进行求解，得到观瞄发控装置任务剖面结束时刻各设备、箱体以及箱体内部的环境温度值以及温度分布云图和观瞄发控装置工作时间段内各设备、箱体以及箱体内部环境温度的升温曲线。图4所示为观瞄发控装置任务剖面结束时刻的温度分布云图。

在每个任务周期中，变量为数据链单元的工作时间段，从整个工作时间段内的各组件温度曲线图，如图5，所示可以看到数据链单元中的收发模块和图像调解模块的曲线变化趋势是一样的，除了在最开始的30min时间段中器件都刚开始，即使数据链单元在前26min不工作，也会和其他器件一样，温度会上升得比较迅速，而后的每个30min时间段也是在26min前数据链不工作，温升较慢幅度很低;26min时因数据链开始工作出现，曲线呈近乎直线上升;30min时数据链停止工作，温度开始骤降，之后呈现缓慢下降，下降幅度很小，下降到最低点时因整个装置并未达到稳态还会有一个很小的上升;到了56min时数据链重新开始工作，温度又出现大幅度升温直至60min时工作结束;在60min后数据链单元不工作温度大幅度下降，但是因为其他单元温度相对达到平稳，使得数据链单元在降温后未出现小幅度升温现象，而是逐渐趋向于平稳，在其工作之后在大幅度升温;因其他的器件与数据链单元的距离大小不同，使得其他单元的温度曲线受数据链单元影响产生波动的程度也不一样，机壳距离数据链单元最近，其温度曲线的波动幅度也是最明显的。从图中也可以看到其他各組件的温度曲线图在数据链功耗变化时也出现了或小或大的波动变化。

4 结语

本文对某型便携发控系统观瞄发控装置模型进行了合理简化，应用热仿真分析软件计算得出了观瞄发控装置在其任务周期内的温度变化情况。每一个任务周期整个装置中最高温度的器件均为数据链单元中的收发模块，在每一个任务周期的30min时达到最大温度，第四个任务周期后最高达到61.85℃。由于设备三的功耗和最大温度呈现一定的周期性变化，所以可考虑在设备三通过相变材料的相变特性进行温度调节，降低峰值温度。

参考文献

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[2]黄贤浪.一种高热流密度电子设备结构设计[J].机械工程师，2019（6）：120-123.

[3]陈雷.刍议电子设备结构设计中的电磁兼容设计[J].科技创新导报，2019，16（4）：66，68.

[4]吴涛，邱娜.单兵反坦克导弹的装备与发展[J].舰船电子工程， 2010（6）：17-20.

[5]黄燕群，段志蓥，任立力，王爽英.便携式发射装置的人因工程研究[J].弹箭与制导学报：1-7[2020-05-15].

[6]孙远波，李敏，石磊.人因工程基础与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[7]王立，周玉杰. 基于Icepak的某电子机箱大功率模块散热分析与优化[J].科技创新导报，2019（26）：117-178，120

[8]张伟.某高热流密度机载通信电子设备结构设计[D].成都：电子科技大学，2018.

[9]潘显坤，余建祖，高红霞.航空电子元器件稳态和瞬态热分析[J].电子机械工程，2005， 21（1）：22-25.

[10]吕永超，杨双根，LUYong-chao，et al.电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J].电子机械工程，2007，23（1）：5-10.

[11]张建峰，王翠玲，吴玉萍，等. ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[J].冶金能源，2004，23（5）：9-12.