设计舰船指控设备机械结构论文

1舰船电子设备的基本要求

符合人机工程学的机械结构设计，是最近十几年来所大力提倡的；人机工程学以人、机、环境三要素为核心，考虑到工业造型设计技术和艺术，美观、大方、适用、实用是始终追求的目标。

2舰船指控设备结构型式的演变

自20世纪50年代开始，我国舰船指控设备完成了由机电指挥仪向数字化综合指控设备的演变，设备从以模拟计算机为主转变成以微型数字计算机为主。下面介绍指控设备上一些主要器件、部件和结构型式的演变。

2.1显示器的演变

目前，CRT显示器已被液晶显示器和LCD显示器替代。由于工作原理不同，液晶显示器、LCD显示器与CRT显示器有明显的性能差异，较圆满地解决了CRT显示器无法克服的在体积、重量、功耗、环保和电磁辐射等方面的缺点。

2.2计算机的演变

早期舰船用计算机的结构形式是：各插件模块通过槽口固定于开放式插件框架中，自带的楔形锁紧装置与槽口两侧壁紧固，其后部的电连接器通过盲插方式与印制大底板上的电连接器链接，大底板上的输入输出信号通过专用的转接板转接。现在取而代之的是全密封、全加固的抗恶劣环境加固机，不仅体积小、重量轻，而且具有良好的抗振、散热、电磁防护能力。

2.3功能部件的演变

鼠标、键盘、触摸屏等通用的功能逐渐被集成为全加固模块，通过预留接口与外部设备联系。尺寸被严格定义，实现了模块标准化、通用化设计。这类模块多采用整体设计和加工工艺，如真空钎焊、整体铸造和整体机加等，具有体积小、结构紧凑等特点，既能减轻重量，又保证模块有良好的适应性。

2.4整机结构型式的演变

显示器、计算机和功能模块的进步，导致了整机在重量、体积上都有了大幅度的下降，造型变得更加时尚、美观。由于各类模块标准化、通用化的实现，整机设计变得快捷、方便，在争取任务和任务立项时，根据特定的需求，短时间内可提供初步的技术方案，确定外形尺寸和重量等指标。表1给出了不同时期指控设备的结构型式。

3几个关键技术问题的现状

经过几十年的发展，指控设备的结构设计内容发生了较大的变化，不再有非线性齿轮、劈锥、传动链这类复杂结构，剩下的是台、柜造型、面板设计、壳体铸造等。台、柜、箱及其各层次设备已实现标准化、通用化和系列化。整机内部小到插件模块、通用模块、专用模块，大到显示器、计算机都实现了全加固设计，并通过严格的应力筛选试验，整机必须按国军标要求参加例行试验，通过抗振、散热和电磁兼容能力测试。结构设计及其可靠性测试方法和手段逐渐成熟，但也存在一些问题。

3.1隔振减振设计

隔振减振设计主要还是遵循传统的方法进行，以定性设计为主。即，对结构件做个初步的静力分析后，再根据使用环境和经验乘上一个安全系数，在设计阶段难以充分考虑动态激励带来的影响。设备的抗振能力主要靠环境试验来验证。这种设计方法带来的问题是：

1)由于无法准确把握设备内部重量及分布，台、柜、箱在设计上普遍存在刚强度整体有余、局部不足的问题。虽然在振动、冲击试验中也能发现一些问题，诸如在某个频段振动超标，在哪个频点共振幅值最大等，但不能具体定位，也不能准确评估共振带来的影响；

2)设备的重量和几何重心的位置，是在总装完成后靠称量才能最终确定，所以，通常是选择具有一定承载范围的减震器，在使用过程中需对承载量进行调节，给用户带来一定的麻烦。

3.2热设计

现役的指控设备从机箱到台、柜基本上还是通过风机散热，这是目前主流散热方式。对于发热量大的模块，如加固机，除了要解决自身的散热问题，还在台、柜内部设计专用风道，保证热量快速排除。其弊病是会造成电磁干扰且噪声较大；20世纪90年代，国外一些潜艇指控设备开始采用液冷散热，这种通过泵产生的动力推动密闭装置中液体的循环来实现散热的方式，具有较高的效率，且噪声较小，缺点是成本较高。近年来，国内也开始进行这方面的研究与试验。由于现行的热设计方法不能准确判断台、柜内部气流的走向，故无法实现对设备从芯片到整机实施有效的温度控制，仅仅是根据总功耗、单个风机的风量以及热源的位置来大略地确定风机的数量和进、出风口的位置，散热效率不高。

3.3电磁兼容设计

早期的纯机械设备和机电设备几乎不要做电磁兼容试验，然而，随着军械电子化程度的迅速提高，越来越多的电路被装入有限的空间，设备内外电磁信号纵横交错、密集重叠，功率分布不均匀；特别是电子战，其基本着眼点就是夺取“制电磁权”。电磁兼容设计在现代指控系统中的重要性可见一斑。电磁兼容设计涉及电器和结构等多个专业，综合性很强。虽然电磁干扰主要是电子元器件及其分布的问题，但与它们安装的位置、元器件屏蔽与密封的好坏、材料固有的屏蔽效能等紧密相关。经过多年的研究并结合试验，指控设备的电磁兼容设计已初具规模，并制定了一些设计规范。但是，由于设备内部安装的模块较多，很难直观地了解内部的电磁环境，一些问题在设计阶段很难被发现。而电磁兼容检测试验又是在设备出厂、功能调试完成后根据要求进行的，这时已到了研制的后期，等发现了问题，再针对超标项目实施解决方案，通常代价是昂贵的，会增加一些不期望的附加元器件。

4关键技术的发展趋势

从上节中可以看到：

1)指控设备结构设计的研制任务量大、周期长、成本高；

2)隔振减振、散热、电磁防护等关键技术的研究进入了瓶颈期，还停留在依靠经验或以往环境试验结果类比、亦或有限的公式估算上。置身于21世纪，这种设计方法已无法适应现代国防对产品快速、可靠、经济的要求。三维设计技术和仿真技术的发展与推广，为这些研究内容的突破提供了有力支持。它们与传统的经验设计方法的融合，将有助于提高研制效率，推动机械结构设计从定性到定性与定量相结合的转变。

4.1三维设计技术的应用

结构设计实现由二维向三维的转变可以说是革命性的，设计者借助计算机将设计思想转化为可视的、可修改、可分析的实体模型，为新产品研发、仿真分析及后续的演示带来诸多方便。

1)三维设计可以直观地反映整机内部各单元的装配关系，避免产生干涉等错误。

2)三维软件的参数化设计技术特别适于复杂结构件局部特征修改的快速设计。以机柜壳体为例，对于同一规格的不同机柜，壳体大部分设计特征是通用的，不同主要表现为：两侧壁上横向加强筋和走线凸台的高度位置，导销支架、前横梁支架安装位置以及后横梁的高度位置。如果利用三维软件参数化建模工具，在壳体三维模型构建过程中使用变量来控制上述特征的位置尺寸和约束关系，根据不同的机柜需求编辑这些参数，即可得到具有相似拓扑结构的壳体。

3)随着舰船装备量的加大，用户对设备的重量提出了严格要求。在设计阶段通过指定材质，可快速预测出整机的重量，避免了整机装配完成后再进行减重或配重处理。

4)根据台、柜、箱内部的重量分布，可较准确地地计算出设备的几何重心，并以此为依据确定隔振器的大小和安装位置，逐步实现由选择隔振器到定制隔振器的转变。

5)建立产品常用件、标准件数据库，在新产品设计时可直接调用，节省了人力、物力，避免了重复劳动。

6)仿真分析和演示系统需要三维模型的支持。以仿真为例，在国外设计和分析通常分属不同的部门，设计者考虑的是功能的实现，分析人员则是负责对设计的合理性和准确性做出评估。有了三维模型，分析人员可直接在三维模型上进行简化，开展分析，保证设计与仿真同步进行。

4.2基于仿真分析的隔振减振设计

仿真技术的引入，在方案论证阶段有助于快速了解整机的振动特性以及对外载的响应情况，为决策提供支持；在设计过程中能及时发现结构上的薄弱环节，尽量做到结构合理、加工量少、材料利用率高，在保证抗振能力的前提下，实现轻量化设计。国内很多研究机构和高校都开展了这项工作，并取得了良好的效果。应用较广泛的结构力学仿真软件有很多，如ANSYS、UGNX、ABAQUS等。建议组织专人开展这项研究，掌握模块、机箱和整机各层次设备的结构力学性能，提高指控设备机械结构设计的竞争力。

4.3基于仿真分析的热设计

随着电子技术的迅速发展，指控设备集成化程度不断提高，单位体积内产生的热量不断增加，而有效的散热面积却相对减少；一些发热量较大的功率器件和组件的热设计问题日显突出。如何有效降低传热路径上的热阻成为急待解决的问题，这需要可靠性高且工程化强的热仿真软件的支持。目前已广泛应用的计算机辅助热设计软件有FLUENT，ANSYS，ICEPAK等。这类软件可在短时间内获得复杂热分析方案的模拟结果，及时对元器件的布局、传热路径的设计是否合理做出判断。

4.4基于仿真分析的电磁兼容设计

相对抗振和散热，舰船领域的电磁兼容仿真研究更是鲜见。直到近年才有一些成熟的电磁兼容仿真分析软件被引入国内，如SEMCAD、EMC-A、IE3D-SI等，它们从电磁兼容三要素(干扰源、耦合路径、接收器)出发，与实际工程紧密结合，通过建立干扰源、接收器与多种传输路径的数学模型来模拟传导、辐射、屏蔽等电磁干扰现象，并提供发射机和接收机的端口库、滤波器库、频谱信号库、屏蔽材料库等，可在研制过程中对板卡、模块和台柜等各层次设备及设备间的抗干扰设计做出评估，便于及早发现问题，减少试验阶段的整改。

5结束语

由于仿真软件的局限性和实际设备的复杂性，仿真分析与物理试验之间会存在一定的差异，仍需综合考虑试验结果和设计者的经验，最终使定量研究的理论成果与经验设计方法在试验的基础上统一起来。

作者：董梅 单位：江苏自动化研究所电子设备事业部