設(shè)計(jì)艦船指控設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)論文

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1艦船電子設(shè)備的基本要求

符合人機(jī)工程學(xué)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是最近十幾年來所大力提倡的；人機(jī)工程學(xué)以人、機(jī)、環(huán)境三要素為核心，考慮到工業(yè)造型設(shè)計(jì)技術(shù)和藝術(shù)，美觀、大方、適用、實(shí)用是始終追求的目標(biāo)。

2艦船指控設(shè)備結(jié)構(gòu)型式的演變

自20世紀(jì)50年代開始，我國艦船指控設(shè)備完成了由機(jī)電指揮儀向數(shù)字化綜合指控設(shè)備的演變，設(shè)備從以模擬計(jì)算機(jī)為主轉(zhuǎn)變成以微型數(shù)字計(jì)算機(jī)為主。下面介紹指控設(shè)備上一些主要器件、部件和結(jié)構(gòu)型式的演變。

2.1顯示器的演變

目前，CRT顯示器已被液晶顯示器和LCD顯示器替代。由于工作原理不同，液晶顯示器、LCD顯示器與CRT顯示器有明顯的性能差異，較圓滿地解決了CRT顯示器無法克服的在體積、重量、功耗、環(huán)保和電磁輻射等方面的缺點(diǎn)。

2.2計(jì)算機(jī)的演變

早期艦船用計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)形式是：各插件模塊通過槽口固定于開放式插件框架中，自帶的楔形鎖緊裝置與槽口兩側(cè)壁緊固，其后部的電連接器通過盲插方式與印制大底板上的電連接器鏈接，大底板上的輸入輸出信號(hào)通過專用的轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接。現(xiàn)在取而代之的是全密封、全加固的抗惡劣環(huán)境加固機(jī)，不僅體積小、重量輕，而且具有良好的抗振、散熱、電磁防護(hù)能力。

2.3功能部件的演變

鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等通用的功能逐漸被集成為全加固模塊，通過預(yù)留接口與外部設(shè)備聯(lián)系。尺寸被嚴(yán)格定義，實(shí)現(xiàn)了模塊標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)。這類模塊多采用整體設(shè)計(jì)和加工工藝，如真空釬焊、整體鑄造和整體機(jī)加等，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，既能減輕重量，又保證模塊有良好的適應(yīng)性。

2.4整機(jī)結(jié)構(gòu)型式的演變

顯示器、計(jì)算機(jī)和功能模塊的進(jìn)步，導(dǎo)致了整機(jī)在重量、體積上都有了大幅度的下降，造型變得更加時(shí)尚、美觀。由于各類模塊標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的實(shí)現(xiàn)，整機(jī)設(shè)計(jì)變得快捷、方便，在爭取任務(wù)和任務(wù)立項(xiàng)時(shí)，根據(jù)特定的需求，短時(shí)間內(nèi)可提供初步的技術(shù)方案，確定外形尺寸和重量等指標(biāo)。表1給出了不同時(shí)期指控設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式。

3幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，指控設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容發(fā)生了較大的變化，不再有非線性齒輪、劈錐、傳動(dòng)鏈這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，剩下的是臺(tái)、柜造型、面板設(shè)計(jì)、殼體鑄造等。臺(tái)、柜、箱及其各層次設(shè)備已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。整機(jī)內(nèi)部小到插件模塊、通用模塊、專用模塊，大到顯示器、計(jì)算機(jī)都實(shí)現(xiàn)了全加固設(shè)計(jì)，并通過嚴(yán)格的應(yīng)力篩選試驗(yàn)，整機(jī)必須按國軍標(biāo)要求參加例行試驗(yàn)，通過抗振、散熱和電磁兼容能力測試。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其可靠性測試方法和手段逐漸成熟，但也存在一些問題。

3.1隔振減振設(shè)計(jì)

隔振減振設(shè)計(jì)主要還是遵循傳統(tǒng)的方法進(jìn)行，以定性設(shè)計(jì)為主。即，對(duì)結(jié)構(gòu)件做個(gè)初步的靜力分析后，再根據(jù)使用環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)乘上一個(gè)安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)階段難以充分考慮動(dòng)態(tài)激勵(lì)帶來的影響。設(shè)備的抗振能力主要靠環(huán)境試驗(yàn)來驗(yàn)證。這種設(shè)計(jì)方法帶來的問題是：

1)由于無法準(zhǔn)確把握設(shè)備內(nèi)部重量及分布，臺(tái)、柜、箱在設(shè)計(jì)上普遍存在剛強(qiáng)度整體有余、局部不足的問題。雖然在振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)中也能發(fā)現(xiàn)一些問題，諸如在某個(gè)頻段振動(dòng)超標(biāo)，在哪個(gè)頻點(diǎn)共振幅值最大等，但不能具體定位，也不能準(zhǔn)確評(píng)估共振帶來的影響；

2)設(shè)備的重量和幾何重心的位置，是在總裝完成后靠稱量才能最終確定，所以，通常是選擇具有一定承載范圍的減震器，在使用過程中需對(duì)承載量進(jìn)行調(diào)節(jié)，給用戶帶來一定的麻煩。

3.2熱設(shè)計(jì)

現(xiàn)役的指控設(shè)備從機(jī)箱到臺(tái)、柜基本上還是通過風(fēng)機(jī)散熱，這是目前主流散熱方式。對(duì)于發(fā)熱量大的模塊，如加固機(jī)，除了要解決自身的散熱問題，還在臺(tái)、柜內(nèi)部設(shè)計(jì)專用風(fēng)道，保證熱量快速排除。其弊病是會(huì)造成電磁干擾且噪聲較大；20世紀(jì)90年代，國外一些潛艇指控設(shè)備開始采用液冷散熱，這種通過泵產(chǎn)生的動(dòng)力推動(dòng)密閉裝置中液體的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)散熱的方式，具有較高的效率，且噪聲較小，缺點(diǎn)是成本較高。近年來，國內(nèi)也開始進(jìn)行這方面的研究與試驗(yàn)。由于現(xiàn)行的熱設(shè)計(jì)方法不能準(zhǔn)確判斷臺(tái)、柜內(nèi)部氣流的走向，故無法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備從芯片到整機(jī)實(shí)施有效的溫度控制，僅僅是根據(jù)總功耗、單個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以及熱源的位置來大略地確定風(fēng)機(jī)的數(shù)量和進(jìn)、出風(fēng)口的位置，散熱效率不高。

3.3電磁兼容設(shè)計(jì)

早期的純機(jī)械設(shè)備和機(jī)電設(shè)備幾乎不要做電磁兼容試驗(yàn)，然而，隨著軍械電子化程度的迅速提高，越來越多的電路被裝入有限的空間，設(shè)備內(nèi)外電磁信號(hào)縱橫交錯(cuò)、密集重疊，功率分布不均勻；特別是電子戰(zhàn)，其基本著眼點(diǎn)就是奪取“制電磁權(quán)”。電磁兼容設(shè)計(jì)在現(xiàn)代指控系統(tǒng)中的重要性可見一斑。電磁兼容設(shè)計(jì)涉及電器和結(jié)構(gòu)等多個(gè)專業(yè)，綜合性很強(qiáng)。雖然電磁干擾主要是電子元器件及其分布的問題，但與它們安裝的位置、元器件屏蔽與密封的好壞、材料固有的屏蔽效能等緊密相關(guān)。經(jīng)過多年的研究并結(jié)合試驗(yàn)，指控設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)已初具規(guī)模，并制定了一些設(shè)計(jì)規(guī)范。但是，由于設(shè)備內(nèi)部安裝的模塊較多，很難直觀地了解內(nèi)部的電磁環(huán)境，一些問題在設(shè)計(jì)階段很難被發(fā)現(xiàn)。而電磁兼容檢測試驗(yàn)又是在設(shè)備出廠、功能調(diào)試完成后根據(jù)要求進(jìn)行的，這時(shí)已到了研制的后期，等發(fā)現(xiàn)了問題，再針對(duì)超標(biāo)項(xiàng)目實(shí)施解決方案，通常代價(jià)是昂貴的，會(huì)增加一些不期望的附加元器件。

4關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢

從上節(jié)中可以看到：

1)指控設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研制任務(wù)量大、周期長、成本高；

2)隔振減振、散熱、電磁防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)入了瓶頸期，還停留在依靠經(jīng)驗(yàn)或以往環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果類比、亦或有限的公式估算上。置身于21世紀(jì)，這種設(shè)計(jì)方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代國防對(duì)產(chǎn)品快速、可靠、經(jīng)濟(jì)的要求。三維設(shè)計(jì)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展與推廣，為這些研究內(nèi)容的突破提供了有力支持。它們與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的融合，將有助于提高研制效率，推動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從定性到定性與定量相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。

4.1三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由二維向三維的轉(zhuǎn)變可以說是革命性的，設(shè)計(jì)者借助計(jì)算機(jī)將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為可視的、可修改、可分析的實(shí)體模型，為新產(chǎn)品研發(fā)、仿真分析及后續(xù)的演示帶來諸多方便。

1)三維設(shè)計(jì)可以直觀地反映整機(jī)內(nèi)部各單元的裝配關(guān)系，避免產(chǎn)生干涉等錯(cuò)誤。

2)三維軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)特別適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件局部特征修改的快速設(shè)計(jì)。以機(jī)柜殼體為例，對(duì)于同一規(guī)格的不同機(jī)柜，殼體大部分設(shè)計(jì)特征是通用的，不同主要表現(xiàn)為：兩側(cè)壁上橫向加強(qiáng)筋和走線凸臺(tái)的高度位置，導(dǎo)銷支架、前橫梁支架安裝位置以及后橫梁的高度位置。如果利用三維軟件參數(shù)化建模工具，在殼體三維模型構(gòu)建過程中使用變量來控制上述特征的位置尺寸和約束關(guān)系，根據(jù)不同的機(jī)柜需求編輯這些參數(shù)，即可得到具有相似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的殼體。

3)隨著艦船裝備量的加大，用戶對(duì)設(shè)備的重量提出了嚴(yán)格要求。在設(shè)計(jì)階段通過指定材質(zhì)，可快速預(yù)測出整機(jī)的重量，避免了整機(jī)裝配完成后再進(jìn)行減重或配重處理。

4)根據(jù)臺(tái)、柜、箱內(nèi)部的重量分布，可較準(zhǔn)確地地計(jì)算出設(shè)備的幾何重心，并以此為依據(jù)確定隔振器的大小和安裝位置，逐步實(shí)現(xiàn)由選擇隔振器到定制隔振器的轉(zhuǎn)變。

5)建立產(chǎn)品常用件、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可直接調(diào)用，節(jié)省了人力、物力，避免了重復(fù)勞動(dòng)。

6)仿真分析和演示系統(tǒng)需要三維模型的支持。以仿真為例，在國外設(shè)計(jì)和分析通常分屬不同的部門，設(shè)計(jì)者考慮的是功能的實(shí)現(xiàn)，分析人員則是負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性做出評(píng)估。有了三維模型，分析人員可直接在三維模型上進(jìn)行簡化，開展分析，保證設(shè)計(jì)與仿真同步進(jìn)行。

4.2基于仿真分析的隔振減振設(shè)計(jì)

仿真技術(shù)的引入，在方案論證階段有助于快速了解整機(jī)的振動(dòng)特性以及對(duì)外載的響應(yīng)情況，為決策提供支持；在設(shè)計(jì)過程中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，盡量做到結(jié)構(gòu)合理、加工量少、材料利用率高，在保證抗振能力的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)和高校都開展了這項(xiàng)工作，并取得了良好的效果。應(yīng)用較廣泛的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件有很多，如ANSYS、UGNX、ABAQUS等。建議組織專人開展這項(xiàng)研究，掌握模塊、機(jī)箱和整機(jī)各層次設(shè)備的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，提高指控設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的競爭力。

4.3基于仿真分析的熱設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，指控設(shè)備集成化程度不斷提高，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量不斷增加，而有效的散熱面積卻相對(duì)減少；一些發(fā)熱量較大的功率器件和組件的熱設(shè)計(jì)問題日顯突出。如何有效降低傳熱路徑上的熱阻成為急待解決的問題，這需要可靠性高且工程化強(qiáng)的熱仿真軟件的支持。目前已廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)軟件有FLUENT，ANSYS，ICEPAK等。這類軟件可在短時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜熱分析方案的模擬結(jié)果，及時(shí)對(duì)元器件的布局、傳熱路徑的設(shè)計(jì)是否合理做出判斷。

4.4基于仿真分析的電磁兼容設(shè)計(jì)

相對(duì)抗振和散熱，艦船領(lǐng)域的電磁兼容仿真研究更是鮮見。直到近年才有一些成熟的電磁兼容仿真分析軟件被引入國內(nèi)，如SEMCAD、EMC-A、IE3D-SI等，它們從電磁兼容三要素(干擾源、耦合路徑、接收器)出發(fā)，與實(shí)際工程緊密結(jié)合，通過建立干擾源、接收器與多種傳輸路徑的數(shù)學(xué)模型來模擬傳導(dǎo)、輻射、屏蔽等電磁干擾現(xiàn)象，并提供發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的端口庫、濾波器庫、頻譜信號(hào)庫、屏蔽材料庫等，可在研制過程中對(duì)板卡、模塊和臺(tái)柜等各層次設(shè)備及設(shè)備間的抗干擾設(shè)計(jì)做出評(píng)估，便于及早發(fā)現(xiàn)問題，減少試驗(yàn)階段的整改。

5結(jié)束語

由于仿真軟件的局限性和實(shí)際設(shè)備的復(fù)雜性，仿真分析與物理試驗(yàn)之間會(huì)存在一定的差異，仍需綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，最終使定量研究的理論成果與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。

作者：董梅 單位：江蘇自動(dòng)化研究所電子設(shè)備事業(yè)部