基于钣金工艺综合模块化机箱结构设计

汤曹勇

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都610036）

1 引言

钣金是针对金属薄板（通常为6 mm 以下）的一种综合冷加工工艺，包括剪、冲/切、复合、折、铆接等，其显著特征是同一零件厚度一致。本文介绍了一种主体结构采用钣金工艺制备的机箱的结构设计，其机箱设计要达到如下指标：结构性能应满足相应环境适应性要求的规定；结构设计要保证模块的互换性、通用性和标准化；机箱各设备、模块上应采取有效的接地、搭接和屏蔽措施，使系统满足电磁屏蔽的相关要求。

2 基于钣金工艺的综合模块化机箱结构设计

2.1 机箱结构设计

综合模块化机箱主要由一个综合机箱和LRM 功能模块组成，如图1 所示。基于钣金工艺的综合模块化机架在结构形式上分为前部的模块承载区和后部的电气互联区。

图1 钣金综合模块化机架示意图

基于钣金工艺的综合模块化机如图2 所示。机架的主框架及插槽采用钣金工艺的方式加工成形。与铣削加工的零件相比，钣金的装配经常使用铆接装配。上插槽和下插槽都是通过铆接的方式固定在钣金主框架上，机架前部的承载区域由钣金框架和插槽铆接形成。

2.2 LRM 模块结构设计

LRM 是综合机箱内基本的电子封装形式，是综合机箱各种功能实现的载体。LRM 模块的结构形式如图3 所示，其中的锁紧机构、起拔器、铭牌等附件为标准件。

图2 钣金综合模块化机示意图

图3 LRM 模块结构形式

3 机箱的散热设计

在进行机箱散热设计时，首先要了解机箱内的热耗情况、每个模块的相对准确的热耗器件表面的热流密度和器件的结温等信息。模块热耗条件如表1 所示。据军标规定，机箱工作温度为-55～+70 ℃。

表1 模块热耗表

目前一些热流密度比较大、温升要求比较高的电子设备多数采用强迫空气冷却。强迫空气冷却具有设备简单、成本低等特点[1]。

综合模块化机箱采用风机强迫风冷方案，6 只风机布置在机箱顶部向上吹风。气流从机箱底部栅格进入机箱内部，经过模块两侧，与模块散热齿换热后，由机箱顶部排出，如图4 所示。

图4 综合化模块机箱散热方案

模块的散热设计可以从PCB 板的选材、设计元器件选用、器件在PCB 板上的布置和传热路径设置等方面来进行设计，参考文献[2]针对PCB 板的选材和设计元器件选用等进行了详细阐述。模块PCB 板设计时应注意发热器件在PCB板上的布置，布置的位置应尽可能缩短传热路径，应优先保证表面热流密度高的器件传热路径最短[3]。

对综合模块化机箱进行热仿真分析，其机箱的流场粒子如图5 所示。

图5 整机流场粒子图

模块三及其内部PCB 的温度云图如图6 和图7 所示。通过上述仿真结果可以看出：器件的壳温在93.8～100 ℃之间，根据器件的热耗和结壳热阻计算其结温。模块内部器件的结温最高为110.3 ℃，均未超过许用结温125 ℃，机箱风冷强迫散热方案能够满足使用要求。

4 机箱抗振动冲击设计及振动试验

由于机架内部安装了大量LRM 模块，考虑到设备整体的力学环境可靠性，设备底部设计安装4 个隔振器。同时设备采取如下抗振措施：设备主体采用钣金工艺加工而成。在保证质量指标的情况下，设备结构件局部取1.5 mm 左右，并且在这些位置局部安装加强筋，从而提高其抗振能力；确保印制板本身有足够的强度，印制板上面的元器件布局尽量对称，安装应尽量低矮，体积和质量较大的元器件布于靠近安装点的位置上；印制板模块四周都直接与结构件接触，能提高印制板刚度，避免印制板模块受冲振时产生变形。

图6 模块三印制板温度云图A

图7 模块三印制板温度云图B

振动试验如图8 所示。试验量值为1.6 倍试验量值。在非工作状态下进行试验。每个轴向按上述试验条件规定的振动功率谱给受试样机施加应力6 h。机箱振动试验如图9 所示。通过冲击和耐久振动试验后，发现机架未出现断裂和损伤，机架能满足振动要求。

图8 振动试验谱线

图9 机箱振动试验

5 电磁兼容性结构设计

结构的电磁屏蔽设计主要是通过材料的选用、结构形式的确定和对屏蔽体孔缝泄漏的抑制，来降低和防止电磁干扰[4]。该项目机箱采取如下措施提高电磁屏蔽：对模块内部的不同功能单元之间采取分区域单独屏蔽方式；模块采用全封闭结构，必要时模块各金属构件间加嵌屏蔽材料；模块、机箱上连接器安装位置处要做屏蔽处理；模块、机箱用连接电缆必须做屏蔽处理，降低电磁辐射；模块、机箱提供可靠接地。

6 结束语

目前采用钣金工艺的风冷机箱已通过了振动和高低温等试验项目的考核，验证了该机箱热设计、抗振动冲击设计等方面合理，满足设计和使用要求。