某新型船用模块结构设计与振动冲击分析*

汪 洋 黄东篱

（中船黄埔文冲船舶有限公司 广州 510715）

1 引言

随着现代船舶电子设备不断的更新与升级，设备计算能力呈现集成化、密集化发展趋势[1]。这就对于设备的基础模块功能需求不断提升，单个6U规格母板的表面已经无法容纳更多的元器件进行布线，不能够满足功能计算需求，在这种趋势下，越来越多的船用模块开始使用功能拓展子卡[2]。

XMC类型子卡是目前使用较多的子卡类型之一，其通过一个垂直于母板TOP面的对插连接器直接与母板通信连接，布置于母板TOP面的正上方，形成了一种空间叠层结构[3]。该种类型的子卡在长度方向与6U母板几乎持平，在宽度方向尺寸约为母板的一半，能够极大地拓展模块元器件的有效布线空间，适应目前船用电子设备计算环境对模块的要求。

随着新型拓展子卡引入的同时，也给船用模块的工程化带来了一些亟需解决的实际问题[4]。模块的元器件布线有效面积增大，高功耗的元器件增加，整个模块的热功耗呈线性增加，在传统6U模块有限狭窄的空间内，要求模块的导热盒能够同时满足整体结构强度和散热需求，要求模块能够适应船用振动和冲击环境[5]。如此严苛的外部限制条件约束，给模块的结构设计提出了更高的要求。

综合考虑船用模块的结构特点[6]，为了能够在距离6U模块母板TOP面单个槽位间隔的高度空间内对XMC拓展子卡的BOT面元器件和母板TOP面元器件导热，本文在已知各印制板具体元器件布局的前提下，设计出了一种夹层导热方式的新型导热盒结构，并利用有限元仿真技术建立模拟出该结构的装配模型[7]，对模块在船用振动和冲击的工况下进行了仿真计算分析，通过计算分析发现，该模块形变应力指标能较好地满足设计要求，耐振抗冲性能良好[8]。

2 结构设计

本文所述新型模块的6U母板和XMC拓展子卡的结构形式如图1所示。

图1 母板与XMC子卡对插结构

上图展示了该新型模块的母板和XMC子卡的相对位置关系，拓展子卡直接通过两个连接器与母板进行信号传递通讯，为保证信号强度，一般使连接器尽可能地接近母板主连接器。子卡的上下表面均布有GPU等核心元器件，具有较高的功耗，有散热的需求。为充分利用印制板母板空间，于子卡的正下方的母板上也布置有一些功耗较低的元器件。因此，在子卡和母板之间需要有一层金属隔板，将上下两侧的元器件热量传导至模块的传热面上进行散热。

图2 模块纵剖结构示意

XMC子卡通过连接器与母板对插，需要有额外加固方式使子卡相对母板固定且符合船用振动冲击环境。考虑到母板通过螺钉固定于导热盒上，本结构方案使子卡通过位于四角的螺钉最终固定于导热盒上。

XMC凹槽的存在使得导热盒刚度大打折扣，在导热盒中部位置必然产生应力集中且变得极易发生形变，需要专门设计沿凹槽边缘的纵向加强筋，和在凹槽接近中部的横向加强筋，对整个导热盒零件进行加固设计。

图3 导热盒结构示意

隔板的厚度越厚，导热盒的刚度越好，子卡附近元器件散热热阻越低，整个模块的使用性能越高。结合实际工程化的生产加工工艺，本方案的隔板设计厚度定为2mm。

模块的母板一般厚度[9]为1.6mm，子卡板厚与母板保持一致，子卡连接器通过凹槽上的通道，实现子卡与母板的安装与对插[10]。结合图2，子卡与导热盒于四角安装固定后，再加装盖板以形成子卡上下表面元器件的散热通道。整个模块结构外形如图4所示。

图4 模块结构装配

本方案所述模块的结构装配形式能够完成对整个模块的加固、保护和散热需求。

3 有限元仿真分析

为进一步验证本文所述设计的新型隔振器方案能否满足船用工况[11]下的技术指标要求，在有限元分析软件Abaqus中建立了其有限元仿真模型如下图，该有限元网格模型共由15304个单元，8329个结点组成，如图5所示。

图5 模块网格模型

在仿真软件中模拟模块在电子机箱中的安装状态添加相关约束。模块的传热面和锁紧条紧固在机箱的卡槽中，设定为固定约束，模块母板的连接器与机箱的印制底板对插后同样简化为固定约束。模块中相关零件和母板子卡相对固定。

约束设定好后计算模块的整体振动模态，模态分析主要通过频率和阵型来展现结构的振动特性，以此进行合理的振动评价。模态基本理论为

其中K为系统的刚度矩阵，ωi为第i阶模态对应的固有频率[12]。设定模块的导热盒、盒盖、盖板等零件材料为铝合金牌号为6A02，对应的材料密度为2870 kg/m3，印制板材料密度约为1100 kg/m3，在软件材料库中选择相关类似材料赋予网格模型[10]。仿真计算结果如图6所示。

图6 模块前18阶模态结果

通过分析仿真结果，模块的一阶固有频率为78.6Hz。依据国军标GJB 150.16A-2009中表C.9《安装在舰船上设备的振动试验量值》，水面舰船扫频试验频段为0～60Hz。模块的模态仿真结果高于60Hz，所以在舰载扫频试验中不会出现共振现象，满足基本振动试验要求。

图7 模块一阶模态仿真结果

模块安装于机箱中，机箱设备一般由自身单独安装或由机柜总体配置减振器。本文所述模块冲击仿真方案中设定减振器平均传递率为0.6。依据国军标GJB 150.18中对于冲击试验的描述模拟船用电子设备的冲击试验，取试验经验数据，最大加速度峰值为300g，减振器衰减40%后作用到模块上为180g，三角波，作用时间为20ms。依据以上数据设定模块的边界条件[13]，仿真计算模块在冲击条件下的状态，计算结果如图8所示。

图8 模块冲击应力云图

从仿真结果可知，整个模块壳体的最大应力集中位于盖板螺钉的安装处，仿真结果约为100MPa，一般硬铝的抗拉强度约为370Mpa，在许用应力范围内。单独提取PCB印制板的仿真结果，如图9所示。

图9 印制板应力云图

通过上图可知，仿真计算印制板应力主要集中于子卡的四个安装螺钉处，远小于导热盒和盖板应力，满足使用加固需求。

4 结语

针对传统6U模块在常规尺寸下布线空间不足，功能受限，达不到电子设备需求性能指标的现状，本文根据工程实际中模块增加拓展XMC子卡的要求，对该新型模块进行了结构设计，给出了导热盒具体的内部结构方案和整体装配方案。本文在此基础上利用有限元分析软件Abaqus建立了该新型隔振器的三维仿真模型，综合考虑约束、边界条件和不同的振动冲击工况，分析计算出了仿真模型的振动和抗冲性能，通过与设计指标和材料相关应力指标进行对比，得出了该模块振动冲击性能均能满足设计要求。本文所述该新型模块结构方案可进一步在其它船用电子设备模块上推广和参考。