艦船指控設備機械結構論文

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1艦船電子設備的基本要求

符合人機工程學的機械結構設計，是最近十幾年來所大力提倡的；人機工程學以人、機、環(huán)境三要素為核心，考慮到工業(yè)造型設計技術和藝術，美觀、大方、適用、實用是始終追求的目標。

2艦船指控設備結構型式的演變

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

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。

2.2計算機的演變

早期艦船用計算機的結構形式是：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通過專用的轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接?，F(xiàn)在取而代之的是全密封、全加固的抗惡劣環(huán)境加固機，不僅體積小、重量輕，而且具有良好的抗振、散熱、電磁防護能力。

2.3功能部件的演變

鼠標、鍵盤、觸摸屏等通用的功能逐漸被集成為全加固模塊，通過預留接口與外部設備聯(lián)系。尺寸被嚴格定義，實現(xiàn)了模塊標準化、通用化設計。這類模塊多采用整體設計和加工工藝，如真空釬焊、整體鑄造和整體機加等，具有體積小、結構緊湊等特點，既能減輕重量，又保證模塊有良好的適應性。

2.4整機結構型式的演變

顯示器、計算機和功能模塊的進步，導致了整機在重量、體積上都有了大幅度的下降，造型變得更加時尚、美觀。由于各類模塊標準化、通用化的實現(xiàn)，整機設計變得快捷、方便，在爭取任務和任務立項時，根據(jù)特定的需求，短時間內(nèi)可提供初步的技術方案，確定外形尺寸和重量等指標。表1給出了不同時期指控設備的結構型式。

3幾個關鍵技術問題的現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，指控設備的結構設計內(nèi)容發(fā)生了較大的變化，不再有非線性齒輪、劈錐、傳動鏈這類復雜結構，剩下的是臺、柜造型、面板設計、殼體鑄造等。臺、柜、箱及其各層次設備已實現(xiàn)標準化、通用化和系列化。整機內(nèi)部小到插件模塊、通用模塊、專用模塊，大到顯示器、計算機都實現(xiàn)了全加固設計，并通過嚴格的應力篩選試驗，整機必須按國軍標要求參加例行試驗，通過抗振、散熱和電磁兼容能力測試。結構設計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隔振減振設計

隔振減振設計主要還是遵循傳統(tǒng)的方法進行，以定性設計為主。即，對結構件做個初步的靜力分析后，再根據(jù)使用環(huán)境和經(jīng)驗乘上一個安全系數(shù)，在設計階段難以充分考慮動態(tài)激勵帶來的影響。設備的抗振能力主要靠環(huán)境試驗來驗證。這種設計方法帶來的問題是：

1)由于無法準確把握設備內(nèi)部重量及分布，臺、柜、箱在設計上普遍存在剛強度整體有余、局部不足的問題。雖然在振動、沖擊試驗中也能發(fā)現(xiàn)一些問題，諸如在某個頻段振動超標，在哪個頻點共振幅值最大等，但不能具體定位，也不能準確評估共振帶來的影響；

2)設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，在使用過程中需對承載量進行調(diào)節(jié)，給用戶帶來一定的麻煩。

3.2熱設計

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

3.3電磁兼容設計

早期的純機械設備和機電設備幾乎不要做電磁兼容試驗，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，設備內(nèi)外電磁信號縱橫交錯、密集重疊，功率分布不均勻；特別是電子戰(zhàn)，其基本著眼點就是奪取“制電磁權”。電磁兼容設計在現(xiàn)代指控系統(tǒng)中的重要性可見一斑。電磁兼容設計涉及電器和結構等多個專業(yè)，綜合性很強。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。經(jīng)過多年的研究并結合試驗，指控設備的電磁兼容設計已初具規(guī)模，并制定了一些設計規(guī)范。但是，由于設備內(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，一些問題在設計階段很難被發(fā)現(xiàn)。而電磁兼容檢測試驗又是在設備出廠、功能調(diào)試完成后根據(jù)要求進行的，這時已到了研制的后期，等發(fā)現(xiàn)了問題，再針對超標項目實施解決方案，通常代價是昂貴的，會增加一些不期望的附加元器件。

4關鍵技術的發(fā)展趨勢

從上節(jié)中可以看到：

1)指控設備結構設計的研制任務量大、周期長、成本高；

2)隔振減振、散熱、電磁防護等關鍵技術的研究進入了瓶頸期，還停留在依靠經(jīng)驗或以往環(huán)境試驗結果類比、亦或有限的公式估算上。置身于21世紀，這種設計方法已無法適應現(xiàn)代國防對產(chǎn)品快速、可靠、經(jīng)濟的要求。三維設計技術和仿真技術的發(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)驗設計方法的融合，將有助于提高研制效率，推動機械結構設計從定性到定性與定量相結合的轉(zhuǎn)變。

4.1三維設計技術的應用

結構設計實現(xiàn)由二維向三維的轉(zhuǎn)變可以說是革命性的，設計者借助計算機將設計思想轉(zhuǎn)化為可視的、可修改、可分析的實體模型，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)三維設計可以直觀地反映整機內(nèi)部各單元的裝配關系，避免產(chǎn)生干涉等錯誤。

2)三維軟件的參數(shù)化設計技術特別適于復雜結構件局部特征修改的快速設計。以機柜殼體為例，對于同一規(guī)格的不同機柜，殼體大部分設計特征是通用的，不同主要表現(xiàn)為：兩側(cè)壁上橫向加強筋和走線凸臺的高度位置，導銷支架、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，在殼體三維模型構建過程中使用變量來控制上述特征的位置尺寸和約束關系，根據(jù)不同的機柜需求編輯這些參數(shù)，即可得到具有相似拓撲結構的殼體。

3)隨著艦船裝備量的加大，用戶對設備的重量提出了嚴格要求。在設計階段通過指定材質(zhì)，可快速預測出整機的重量，避免了整機裝配完成后再進行減重或配重處理。

4)根據(jù)臺、柜、箱內(nèi)部的重量分布，可較準確地地計算出設備的幾何重心，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、標準件數(shù)據(jù)庫，在新產(chǎn)品設計時可直接調(diào)用，節(jié)省了人力、物力，避免了重復勞動。

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，在國外設計和分析通常分屬不同的部門，設計者考慮的是功能的實現(xiàn)，分析人員則是負責對設計的合理性和準確性做出評估。有了三維模型，分析人員可直接在三維模型上進行簡化，開展分析，保證設計與仿真同步進行。

4.2基于仿真分析的隔振減振設計

仿真技術的引入，在方案論證階段有助于快速了解整機的振動特性以及對外載的響應情況，為決策提供支持；在設計過程中能及時發(fā)現(xiàn)結構上的薄弱環(huán)節(jié)，盡量做到結構合理、加工量少、材料利用率高，在保證抗振能力的前提下，實現(xiàn)輕量化設計。國內(nèi)很多研究機構和高校都開展了這項工作，并取得了良好的效果。應用較廣泛的結構力學仿真軟件有很多，如ANSYS、UGNX、ABAQUS等。建議組織專人開展這項研究，掌握模塊、機箱和整機各層次設備的結構力學性能，提高指控設備機械結構設計的競爭力。

4.3基于仿真分析的熱設計

隨著電子技術的迅速發(fā)展，指控設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減少；一些發(fā)熱量較大的功率器件和組件的熱設計問題日顯突出。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的熱仿真軟件的支持。目前已廣泛應用的計算機輔助熱設計軟件有FLUENT，ANSYS，ICEPAK等。這類軟件可在短時間內(nèi)獲得復雜熱分析方案的模擬結果，及時對元器件的布局、傳熱路徑的設計是否合理做出判斷。

4.4基于仿真分析的電磁兼容設計

相對抗振和散熱，艦船領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)，與實際工程緊密結合，通過建立干擾源、接收器與多種傳輸路徑的數(shù)學模型來模擬傳導、輻射、屏蔽等電磁干擾現(xiàn)象，并提供發(fā)射機和接收機的端口庫、濾波器庫、頻譜信號庫、屏蔽材料庫等，可在研制過程中對板卡、模塊和臺柜等各層次設備及設備間的抗干擾設計做出評估，便于及早發(fā)現(xiàn)問題，減少試驗階段的整改。

5結束語

由于仿真軟件的局限性和實際設備的復雜性，仿真分析與物理試驗之間會存在一定的差異，仍需綜合考慮試驗結果和設計者的經(jīng)驗，最終使定量研究的理論成果與經(jīng)驗設計方法在試驗的基礎上統(tǒng)一起來。

作者:董梅 單位：江蘇自動化研究所電子設備事業(yè)部