电子机箱设备机-电-热三场综合优化设计分析

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1、第一章绪论1．1课题来源本文来源于国防“十一五"基础科研项目“电子设备多学科综合优化技术"，该项目以某航空电子机箱设备为研究对象，通过深入研究产品模块化、小型化设计过程面临的热、振动、电磁兼容及它们相互之间的关联关系等问题，建立模块化航空电子设备多学科综合分析和优化设计软件平台。该平台主要包括电子设备CAD／CAE集成建模、电磁分析、振动分析、热分析和综合优化设计共五个模块，旨在成为一个电子设备多学科综合优化设计的通用化平台，使我们利用该平台设计出的电子设备产品在考虑三场相互影响的基础上在振动、电磁、热等方面的指标满足用户的要求。课题中软件选用说明：CAD建模

2、采用Pro／E4．0、振动分析采用Ansysl1．0和AnsysWorkbenchl1．0、热分析采用Icepakl2．0、电磁分析采用Fek05．4、优化采用iSIGHT8．0和MATLAB软件。另外，为了联系各个学科，使之成为一个集电子设备建模、多学科分析和多学科综合优化为一体的软件平台，本课题还用C++及C++Builder等高级语言编写了大量的接口程序代码。1．2电子设备结构设计研究背景与意义1．2．1电子设备结构设计的主要内容随着现代电子技术的迅速发展，从普通日常家用电器到各种复杂军用车载电子设备、机载电子设备和舰载电子设备，电子设备已经遍及人类生活

3、的各个领域，而且发挥着越来越重要的作用。从电子设备的使用范围来看，在航天、航空、室内、野外、水面和水下都广为使用。电子设备，特别是军用电子设备在其寿命周期(研制、生产、储存、运输和使用)的各个阶段，要直接或间接经受各种自然环境和平台环境的影响，产生环境效应，制约电子设备的工作效能。随着高科技电子设备的发展，电子设备对环境适应性性能的优劣，直接影响其性能和功能，如何提高电子设备的抗恶劣环境能力，提高其可靠性是至关重要的。要保证电子设备在其寿命周期内正常工作，首先必须在设计阶段对影响电子设备的各种可能因素加以考虑，设计出可靠性高的产品。这些影响因素根据电子2电子机

4、箱设备机．电．热三场综合优化设计研究设备的工作环境的不同而异，而大多数电子设备都会遇到振动、热和电磁兼容等问题。．经研究发现，电子设备的电性能失效通常是由于电子设备中的元器件温度过高、振动的疲劳效应及共振现象等引起，因此，在进行电子设备结构设计时，热和振动是必须考虑的问题。另外，随着电子技术的发展，电磁环境越来越复杂，电磁兼容也成为现代电子设备结构设计所必须考虑的问题之一。总之，电子设备结构作为其电性能的承载体，其设计的好坏直接影响到电子设备的工作性能。目前电子设备结构设计的主要目的是保证电子设备在各种因素的影响下其电性能实现的稳定性，除了电子设备的电路设计、

5、结构总体设计和“三防’’设计等外，还必须进行防热、抗振以及防电磁干扰方面的设计。1)电子设备的热设计：电子设备和元器件日趋小型化，而其功能与复杂性日益增长，这使得电子设备的体积功率密度越来越大，热流密度急剧上升。结果导致电子设备的温度迅速提高，电子设备的故障也越来越多。所以电子设备的热设计需要加以特别研究。电子设备的热设计，是指对电子元件、组件以及整机的温升控制。尤其是对高密度组装的设备，更需注意其热耗的排除。温升控制的方法包括：自然冷却、强迫风冷、强迫液冷、热管等各种形式[1】。2)电子设备的电磁兼容设计：电子设备的广泛应用和发展使其精度和灵敏度不断提高，对

6、免受电磁干扰影响的要求也就越来越高，同时这些设备在使用时也会对外部产生电磁辐射干扰。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。3)电子设备的抗振设计：在振动环境下，由于振动的疲劳效应及共振现象，电子设备可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的问题。这就对电子设备的可靠性提出了要求，因此必须提高设备的抗振动与冲击的能力。1．2．2电子设备结构优化设计软件平台开发的意义和面临的问题为适应电子技术发展的新形势，提高电子设备环境适应能力，世界各国加大了电子装备的研制力度。研制思路也发生了很大的变化，研制周期已经从数年到现在的数月，研制过程从以往的原理样机

7、、初样、正样，发展到现阶段的快速研制、一次成功，延续性升级换代。这种研制方式对目前的科研手段及方法提出了严峻的挑战。电子设备结构是电子设备的重要组成部分，是电子设备电气物理模型的布局总成和承载平台。电子设备除了机械性能外，还必须满足抗振动冲击、耐热和电磁兼容性要求，迫切需要进行仿真分析和综合优化。目前，国内电子设备的结构设计更多的依赖于设计经验。在性能分析中，通常运用商业分析软件对电子设备设计中各个学科问题进行一些局部分析。因为通第一章绪论用软件不是专为电子设备结构设计而开发，缺乏大量支持数据和针对性的前后处理功能，故使用难度大、前后处理繁琐、计算时间很长。所

8、建的模型无法在各类分析软件中通用，必须