1、第39卷第1期2023年2月Electro-Mechanical Engineering结构设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.01.005某机载液冷综合机架的结构设计*梁国1,2，王建1，陈诗超1，张朝1，郑国宏1（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.河北省电磁频谱认知与管控重点实验室，河北 石家庄 050081）摘要：针对某机载电子设备的小型化、轻量化和高热耗的特点，从内部模块的布局、结构功能一体化、电气及水路互联的盲配设计、散热结构及流道设计、电磁兼容设计等方面介绍了液冷综合机架的结构设计过程。对综合机架实体模型进行
2、了力学仿真和热仿真分析，并对实物样机进行了试验验证。结果表明，液冷机架的设计满足使用要求，对以后的工程应用具有较大的借鉴意义。关键词：机载设备；液冷综合机架；盲插设计；力学仿真分析；热仿真分析中图分类号：V245文献标识码：A文章编号：10085300(2023)01003204Structure Design of an Airborne Liquid Cooling Integrated FrameLIANG Guo1,2,WANG Jian1,CHEN Shichao1,ZHANG Zhao1,ZHENG Guohong1(1.The 54th Research Institute of
3、 CETC,Shijiazhuang 050081,China;2.Hebei Key Laboratory of Electromagnetic Spectrum Cognition and Control,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:In view of the characteristics of miniaturization,lightweight and high heat consumption of certainairborne electronic equipment,the structure design process of
4、the liquid cooling integrated frame is introducedfrom the perspectives of internal module layout,integration of structure and function,blind plug design ofelectrical and waterway interconnection,design of heat dissipation structure and flow channel,electromagneticcompatibility design,and so on.The m
5、echanical simulation and the thermal simulation are carried out forthe solid model of the integrated frame and the engineering prototype is tested and verified.The results showthat the design of the liquid cooling frame meets the application requirements,which has a good referencesignificance for fu
6、ture engineering application.Key words:airborne equipment;liquid cooling integrated frame;blind plug design;mechanical simulationanalysis;thermal simulation analysis引言随着机载电子设备功能越来越多、设备结构越来越复杂，单位产品的热流密越来越大，同时载机内部空间和承载重量有限，这些问题都对机载设备的小型化、轻量化和集成化提出了更高的要求12。为了充分利用机舱空间，提高设备集成度，功能结构一体化设计和模块化设计成为一种主流趋势34，即
7、将所有模块化组件集成安装到一台综合框架内，通过综合背板实现各模块之间的电连接，并利用盲插操作实现模块组件和综合背板之间的电气互联和液冷互联，只在综合机架壳体表面设置对外接口。此类设计形式不仅提高了机载设备的集成度，使得空间利用率提升，而且通过减重设计，在保证刚强度的前提下实现最轻量化，大大降低了设备的体积和重量，同时简化了设备和载机平台的接口，提高了设备的维修性。本文结合某机载电子设备结构的集成化设计过程，从结构总体布局设计、盲插设计、功能结构一体化设计、散热设计和电磁屏蔽设计等方面入手，借助仿真软件进行了力学仿真分析和热仿真分析，设计了工程样机并进行了试验验证。1系统组成及指标要求某机载液冷
8、综合机架主要包括ASSCA处理模块、ASSCA电源模块、液冷电源模块、液冷功放模块、接收开关模块、开关模块、滤波器、综合背板1、综合背板2、液冷组件、各种线缆等。*收稿日期：2022100232第39卷第1期梁国，等：某机载液冷综合机架的结构设计结构设计系统规定质量指标不大于220 kg，设计目标质量不大于216 kg，设备总热耗为19.44 kW，各模块质量分配及热耗统计如表1所示。表 1设备质量及热耗统计表设备质量/kg数量总质量/kg功耗/kWASSCA处理模块1.42433.60.84ASSCA电源模块1.422.82.40液冷电源模块9.0218.02.40液冷功放模块9.01090
9、.013.80接收开关模块2.012.00电源开关模块3.013.00滤波器2.012.0机架（含其他组件）66.6164.602结构设计2.1总体结构布局液冷综合机架分为前后两个相对独立的安装空间。前部空间依据模块的功能特点分为上层和下层，上层共设置32个标准ASSCA模块槽位，插装电源开关模块、处理模块和接收开关模块；下层共13个槽位，从左至右依次为2个液冷电源模块、9个液冷功放模块和2个备份槽位。后部空间安装滤波器、综合背板1、综合背板2、射频线缆、电源线缆、控制线缆等；综合机架上端面靠后位置设置对外电连接器，左侧板设置液冷接头，综合机架底部安装减震器和转接板。综合机架前部模块布局如图1
10、所示，后部组件布局如图2所示。液冷功放模块 备份槽位机架ASSCA电源模块电源开关模块ASSCA处理模块备份槽位接收开关模块液冷电源模块图 1综合机架前部模块布局示意图综合背板2射频电缆电源线缆综合背板1电源滤波器图 2综合机架后部组件布局示意图2.2电气及液冷盲插设计综合机架内部模块种类及数量较多，如果采用传统的射频电缆及水接头实现上下级互联，为了预留折弯半径和操作空间，必将增大综合机架的外形尺寸和重量。为了实现综合机架的小型化，简化内部线缆连接关系，提高设备维护效率，内部模块电气和液冷全部采用盲插设计。设备之间的电连接全部通过安装于综合机架后端的综合背板1和综合背板2进行盲插操作，以实现电
11、气互联互通。功放模块和液冷通路之间通过分水背板的自密封盲插水接头实现综合机架内外的液冷互通和热交换。液冷框架的上下轨道板上设置有轨道槽，综合背板上设置有定位孔，同时在模块的上下面设置轨道，模块后端设置定位销。插装时，模块在轨道的导引下，引导定位销顺利插装到综合背板对应的定位孔中。轨道槽和定位销的配合使用，不仅实现了模块的顺利插拔，还增加了设备的抗振动冲击性能。2.3结构功能一体化设计综合机架和功放模块均采用结构功能一体化设计。综合机架主框架采用钎焊成形，为各种功能模块提供支撑结构，同时机架内开设散热流道，具备高效的散热功能，实现冷却液的内外互通。功放模块的重量和发热量均较高，在结构内部设置散热
12、流道，通过冷却液的一进一出实现功放模块和综合机架的热交换，如图3所示。盒体盖板导销S6连接器射频连接器流体连接器把手松不脱螺钉图 3功放模块结构示意图结构功能一体化的设计简化了结构，减少了零部件数量，提高了系统集成度，有效降低了综合机架的总重量。2.4散热结构设计为满足ASSCA模块和功放模块的散热需求，液冷框架在侧板和机架导轨槽内部设置有液冷通道，通过合理的液体流量分配，利用冷却液将各模块产生的热量带走。液冷框架进液口和出液口都设置在左侧板上，内部流道设计如图4所示。冷却液从进液口进入，分别流经中板和顶板的轨道板，经过轨道板内开设的微通道后，流向位于综合背板2下部的分水器。冷却液通过分水器上
13、设置的多个33结构设计2023年2月盲插水接头流向液冷功放模块，然后再从分水器的出水口流出，进而通过综合机架左侧壁的回液口将高温液体排出。分水器左侧板中板顶板回液进液图 4液冷框架流道分布示意图在流道设计上，考虑了流阻的合理匹配，顶板流道和中板流道是并联关系，顶板中板的流道和分水器流道为串联关系。2.5电磁屏蔽设计综合处理单元将众多模块组件集中于一个较小的空间内，且需完成收、发、控制等众多功能，大小信号之间、高低频信号之间、信号与电源之间极易产生相互干扰，同时来自于自然环境和其他模块的外部干扰也非常复杂。电磁兼容性已经成为综合机架能否正常工作的重要指标。针对综合机架电磁干扰的问题，通常采用整体
14、导电连续，内部各通道之间、各电路之间隔离等措施。详细措施包括：1）各模块均单独采取屏蔽措施，做成内嵌式盖板，选用导电橡胶密封圈；2）各种线缆均采用屏蔽电缆，输入和输出分开，避免微波信号之间的耦合串扰；3）所有的连接器均选用导电材料制作，其与安装壳体连接处不涂覆，保证有效接地；4）所有印制板设计按照电路功能进行分区，尽量减少电路内部模块之间的干扰，设置大面积接地，通过螺钉与机壳连接；5）综合机架采用封闭式设计，前后分别加装面板，面板和框架接缝处加装导电胶垫进行电磁屏蔽；6）将综合机架内部模块安装空间物理分割为各自相对独立且具有电磁屏蔽功能的封闭区域1和封闭区域2，两个区域在结构上相互独立，电磁信
15、号互不干扰，通过装在屏蔽板上的转接插座实现两个封闭空间的电气互联。2.6对外接口设计综合机架对外接口包括电气接口、供液接口、机械接口等，详细布局如下：1）所有电气接口全部布置在综合机架的上表面，包括电源输入、射频输出、射频输入、光纤通信和控制接口；2）供液接口布置在综合机架的左侧，分为进液口和出液口，液冷接头采用三曲槽锁紧式流体连接器，可实现快速插拔，断开时能实现自动密封防止泄漏；3）由于综合机架较重，为了方便搬运，在顶部设置4个吊环，在左右侧板各设置2个可折叠把手；4）综合机架下端安装空用无谐振峰隔震器，可以实现对设备的有效抗振缓冲，隔震器通过地板转接板与载机固定。3仿真分析3.1力学仿真分
16、析3.1.1振动环境及参数机载安装架的结构设计不但要满足复杂装机接口的要求，还应将恶劣环境对机载设备的影响降至最低5。该综合机架的载机平台为某型直升机，振动环境是由旋转部件引起的正弦单频尖峰振动叠加了气流场引起的较低量级随机振动。直升机旋翼主桨前4阶通过频率f1=21.2Hz，f2=42.4Hz，f3=63.6Hz，f4=84.8Hz；振动峰值A1=1g，A2=A3=A4=0.6g。3.1.2模态分析直升机实际振动频率范围为10 500Hz，引起结构共振的往往是低阶固有频率6，这里只提取综合机架的前6阶固有频率，如表2所示。表 2机架前6阶固有频率Hz模态频率1109.642183.89模态频率3196.994217.60模态频率5265.286273.76模态分析结果表明，设备的第1阶固有频率为109.64 Hz，大于直升机旋翼主桨的第4阶通过频率84.8 Hz，在主桨的前4阶通过频率内，综合机架结构不会发生共振。3.1.3随机振动分析在随机振动仿真中，沿相互垂直的3个轴向分别施加激励，得到X，Y，Z三轴向的最大3等效应力响应结果，分别为178.48 MPa，121.8 MPa，15
