設(shè)計艦船指控設(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，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)計技術(shù)和藝術(shù)，美觀、大方、適用、實用是始終追求的目標(biāo)。
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)備從以模擬計算機(jī)為主轉(zhuǎn)變成以微型數(shù)字計算機(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計算機(jī)的演變
早期艦船用計算機(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，實現(xiàn)了模塊標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計。這類模塊多采用整體設(shè)計和加工工藝，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，造型變得更加時尚、美觀。由于各類模塊標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的實現(xiàn)，整機(jī)設(shè)計變得快捷、方便，在爭取任務(wù)和任務(wù)立項時，根據(jù)特定的需求，短時間內(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給出了不同時期指控設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式。
3幾個關(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(fù)雜結(jié)構(gòu)，剩下的是臺、柜造型、面板設(shè)計、殼體鑄造等。臺、柜、箱及其各層次設(shè)備已實現(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、計算機(jī)都實現(xiàn)了全加固設(shè)計，并通過嚴(yán)格的應(yīng)力篩選試驗，整機(jī)必須按國軍標(biāo)要求參加例行試驗，通過抗振、散熱和電磁兼容能力測試。結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計
隔振減振設(shè)計主要還是遵循傳統(tǒng)的方法進(jìn)行，以定性設(shè)計為主。即，對結(jié)構(gòu)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(shè)計階段難以充分考慮動態(tài)激勵帶來的影響。設(shè)備的抗振能力主要靠環(huán)境試驗來驗證。這種設(shè)計方法帶來的問題是：
1)由于無法準(zhǔn)確把握設(shè)備內(nèi)部重量及分布，臺、柜、箱在設(shè)計上普遍存在剛強(qiáng)度整體有余、局部不足的問題。雖然在振動、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(biāo)，在哪個頻點(diǎn)共振幅值最大等，但不能具體定位，也不能準(zhǔn)確評估共振帶來的影響；
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
現(xiàn)役的指控設(shè)備從機(jī)箱到臺、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、柜內(nèi)部設(shè)計專用風(fēng)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(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(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。由于現(xiàn)行的熱設(shè)計方法不能準(zhǔn)確判斷臺、柜內(nèi)部氣流的走向，故無法實現(xiàn)對設(shè)備從芯片到整機(jī)實施有效的溫度控制，僅僅是根據(jù)總功耗、單個風(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
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，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(diǎn)就是奪取“制電磁權(quán)”。電磁兼容設(shè)計在現(xiàn)代指控系統(tǒng)中的重要性可見一斑。電磁兼容設(shè)計涉及電器和結(jié)構(gòu)等多個專業(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，指控設(shè)備的電磁兼容設(shè)計已初具規(guī)模，并制定了一些設(shè)計規(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)計階段很難被發(fā)現(xiàn)。而電磁兼容檢測試驗又是在設(shè)備出廠、功能調(diào)試完成后根據(jù)要求進(jìn)行的，這時已到了研制的后期，等發(fā)現(xiàn)了問題，再針對超標(biāo)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(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)驗或以往環(huán)境試驗結(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)計方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代國防對產(chǎn)品快速、可靠、經(jīng)濟(jì)的要求。三維設(shè)計技術(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)驗設(shè)計方法的融合，將有助于提高研制效率，推動機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計從定性到定性與定量相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。
4.1三維設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用
結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)由二維向三維的轉(zhuǎn)變可以說是革命性的，設(shè)計者借助計算機(jī)將設(shè)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(shè)計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)生干涉等錯誤。
2)三維軟件的參數(shù)化設(shè)計技術(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。以機(jī)柜殼體為例，對于同一規(guī)格的不同機(jī)柜，殼體大部分設(shè)計特征是通用的，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，用戶對設(shè)備的重量提出了嚴(yán)格要求。在設(shè)計階段通過指定材質(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、柜、箱內(nèi)部的重量分布，可較準(zhǔn)確地地計算出設(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)計時可直接調(diào)用，節(jié)省了人力、物力，避免了重復(fù)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(shè)計和分析通常分屬不同的部門，設(shè)計者考慮的是功能的實現(xiàn)，分析人員則是負(fù)責(zé)對設(shè)計的合理性和準(zhǔn)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(jìn)行簡化，開展分析，保證設(shè)計與仿真同步進(jìn)行。
4.2基于仿真分析的隔振減振設(shè)計
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)的振動特性以及對外載的響應(yīng)情況，為決策提供支持；在設(shè)計過程中能及時發(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，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)和高校都開展了這項工作，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)計的競爭力。
4.3基于仿真分析的熱設(shè)計
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減少；一些發(fā)熱量較大的功率器件和組件的熱設(shè)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(qiáng)的熱仿真軟件的支持。目前已廣泛應(yīng)用的計算機(jī)輔助熱設(shè)計軟件有FLUENT，ANSYS，ICEPAK等。這類軟件可在短時間內(nèi)獲得復(fù)雜熱分析方案的模擬結(jié)果，及時對元器件的布局、傳熱路徑的設(shè)計是否合理做出判斷。
4.4基于仿真分析的電磁兼容設(shè)計
相對抗振和散熱，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(shè)備及設(shè)備間的抗干擾設(shè)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(jié)束語
由于仿真軟件的局限性和實際設(shè)備的復(fù)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(jié)果和設(shè)計者的經(jīng)驗，最終使定量研究的理論成果與經(jīng)驗設(shè)計方法在試驗的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。
作者：董梅 單位：江蘇自動化研究所電子設(shè)備事業(yè)部
