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折叠式mcu航空电子修设通用机箱构造策画 struct

  折叠式mcu航空电子设备通用机箱结构设计 structure design of folded mcu universal case of airborne electronic equipment.pdf

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  第29卷第1期 电子机械工程 V01.29.No.1 Electro—Mechanical Feb.2013 2013年2月 Engineering 折叠式MCU航空电子设备通用机箱结构设计+ 熊长武 (西南电子技术研究所, 四川成都610036) 摘要:介绍了一种折叠式MCU(可更换标准设备)航空电子设备通用机箱结构设计,对机箱设计标准、 设计要求及详细方案,热、振、电磁兼容专题设计与分析,定制开发思路进行了全面阐述。该通用机箱为 独立LRU(现场可更换设备),采用折叠开放式总体方案,左右侧门可绕主体框架上的转轴展开。机箱 外形及对外机械、电气接口满足HB7390标准的民用飞机电子设备接口要求。其产品和设计方案可供 现代军、民用航空电子设备参考或选用。 关键词:折叠式;MCU:航空电子设备;机箱;结构设计 中图分类号:V24文献标识码:A文章编号:1008—5300(2013)01—0005—05 of StructureofFoldedMCUUniversalCaseAirborne Design Electronic Equipment XIONG Chang·WU Institute China (Southwest ofElectronic 610036,China) Technology,Chengdu thestructureaboutakind Abstract:This offolded paper:introducesdesign MCU(modularconceptunit)uni· versalcaseofairborneelectronic case anddetailed solution, equipment.Thedesignstandard,requirements of andtheir ideasaredescribed.Thiscaseis analysisheat,vibration,electromagneticcompatibilitydesign leftand sidedoorcanturn an LRU(1ine unit),hassystemstructure,itsright independentreplaceable open 7 and connectorswiththeconnec— aroundthecaseshaft.ItS mechanicalelectrical agree shape,size,outward tor aboutcivil eectronic inHB7390standard.Theandtheirde- requirementsairplane equipment products ideashavereferencevalueformodern andcivilairborneelectronic sign military equipment. electronic words:folded;MCU;airborne Key equipment;case;structuredesign 通用机箱。本文基于此需求开发了折叠式3、4MCU 引 言 (可更换标准设备)航空电子设备通用机箱,可作为各 机载电子设备机箱是把设备内部各种电子元器 种军民用机载平台条件下模块化航空电子设备的标准 件、组件、模块和机械零部件合理组装成为有机整体, LRU(现场可更换设备)机箱使用,即可将按要求设计 使其免受各种复杂环境影响和干扰,确保电性能的基 的完成独立调试的功能模块、组件通过简单快捷的机 础结构。作为高技术产品的现代航空电子设备的机箱 械、电气互联组装成一个标准LRU机箱式电子设备, 设计,早已不再是单纯机械安装、支撑和结构外壳设计 同时满足各种电气性能、机械连接性能、使用维护性能 的概念。1。,而是以满足设备功能和环境要求为基本设 和环境适应性能。 计内容,体现电子设备总体设计思想的综合技术。 为推动机载电子设备机箱设计技术的快速发展, 1机箱设计标准及典型结构形式 促进机箱结构设计的标准化、通用化、系列化、组合化, 提高产品质量、降低制造成本,方便使用和维修,有必 1.1机箱设计标准 要专门开发满足相关标准及使用要求的航空电子设备 国外发达国家特别是欧美很早就推行了军民用航 s收稿日期:2012—10一C19 ·5· 万方数据 ·抗恶劣环境设计与试验技术· 电子机械工程 2013年2月 空电子设备机箱的标准化、系列化设计工作,典型的航 接13要求等,不规定机箱如何构形的问题,即无论如何 空电子设备机箱设计标准如下心J。 拼装,只要满足外形尺寸系列及接口要求即可。从机 (1)ARINC404及ARINC404A规范箱构形上可以简单地分为独立箱体式、积木组合式、混 Radio 美国航空无线电公司(AeronauticalInc.) 合型3种。独立箱体式指机箱相对独立,构成设备的 1956年制定了ARINC404规范,规定航空电子设备外外壳,内部可安装各种模块和组件。积木组合式指不 形尺寸代号为ATR,ATR取自该公司电子设备结构设存在单独的机箱,机箱由设备各组成单元像垒积木一 计师AustinTrumbull的名字AT及Radio的首字母R。样搭建而成。混合型机箱则兼具前面两种特征。根据 其特点是:所有电子设备一律为长方体,高度完全相同 独立式机箱内模块的安装形式又可分为插板式、书页 (7.625英寸),不同设备可选不同的长度和宽度;对外 式两种,其中书页式可像书页一样折叠展开,方便机箱 电气接口全部采用安装在设备后壁上的DPX一2矩形及模块的安装、检测与维护。 电连接器完成;前面板尽可能不设置圆形连接器以避 免交错给维修和电磁兼容带来困难;冷却气流从安装 2折叠式MCU通用机箱设计方案 架冷却通风系统进入设备,便于使用飞机环境控制系 2.1总体设计方案 统;采用统一的设备紧固与安装方式。该公司1974年 折叠式MCU航空电子设备通用机箱设计满足 又推出ARINC404A规范,增加了矮小型1/4ATR、短 HB7390标准旧],同时贯彻执行通用化、系列化、模块 1ATR两种尺寸。 化设计准则,提高机箱标准化及互换性水平。机箱详 (2)ARINC600规范 细设计注重人机工程、外观造型及表面处理,使设备美 由于前述标准机箱采用英制单位、机箱宽度系列 观大方,有良好的维修性和可操作性。通过研究借鉴 间距较大、对外连线增多等因素,美国航空无线电公司 国内外同类产品设计经验,确定本折叠式MCU通用机 1977年发布了ARINC600规范,将设备外形尺寸系列 箱采用铣制铝合金零部件螺装组合而成的结构总体方 代号改称为MCU,与ARINC404及404A相比,外形尺 案,避免板筋件机箱易变形、不适合零星生产的缺点。 mill 寸采用国际单位制,可选尺寸宽度最小为25.4 机箱由面板、后框、顶板、底板、左侧门、右侧门等主要 (1MCU),最宽为388.4mm(12MCU),共12档;用600 结构件以及其他功能零部件组成,左右侧门可绕机箱 型矩形连接器代替DPX一2矩形电连接器,可安装600 后框上的转轴折叠展开,其外观、组成及尺寸见图1一 根接插件并可安装同轴、光纤、电源和识别销等接插 H3 件。目前多数民用客机上的电子设备均采用该标准。 (3)DOD-STD-1788标准 1985年美国军方发行的采用国际单位制的“航空 电子设备接口设计标准”,规定电子设备外形尺寸系 列代号为LRU,其尺寸与ARINC600的MCU尺寸系列 完全相同,只是少一个25.4mm(1MCU)的宽度,共11 档;后部安装M600型军用矩形连接器可安装750根黾·—t二··一 接插件,高度比600型矩形连接器小46.61/n/n,从而 使后壁有冷却空气风道位置,增强散热功能。 我国航空电子设备机箱标准起草于80年代末,主 要有GJB441—88《机载电子设备机箱和安装架的安装 形式和基本尺寸》和HB7390--96{民用飞机电子设备 接口要求》。前者尺寸系列代号称为ATR,接近于美 军标DOD—STD一1788的LRU系列标准,但在尺寸基 准、安装接口、冷却风道等细节上有很多不同,使用时 要注意甄别。后者基本等同于ARINC600规范,但细 节上也有一些区别。 1.2典型机箱结构形式 图2折叠式MCU机箱组成 所有机箱设计标准只规定机箱的外形尺寸系列、 ·6· 万方数据 第29卷第1期 熊长武:折叠式MCU航空电子设备通用机箱结构设计 ·抗恶劣环境设计与试验技术· 1)机箱侧门上模块安装机械接口尺寸见图6,左 右侧门镜像对称。 图3 4MCU机箱外形尺寸 2.2模块布局 折叠式3、4MCU通用机箱一般可安装4个功能模 图6机箱侧门模块安装机械接口 块和1个接口模块。4MCU通用机箱内4个功能模块 布局如图4所示,模块l安装于左侧门上,中部模块 2)机箱中部模块安装机械接口尺寸见图7,左右 2、模块3分别安装于机箱中隔板上(也可直接安装于 镜像对称。 I. 型 -l 机箱顶板及底板上的中模块安装件上),模块4安装 卫.至 .. :: .. :: ..望. ;-—一—●————————一—_——————●一—- 于右侧门上,3MCU机箱内尺寸划分有适当变化。 r1卅、 臁一 霉渊模块●◇蕊 圆圈恻例㈠ 蜀 图7机箱中部模块安装机械接口 娑 3)接口模块电气组件机械接口尺寸见图8。 , f、一 ,,一 图4 4MCU机箱内功能模块布局 擘≥ .堑l,≯J=五j芦”、、 l广.二;■_:? }。。: /‘ f,严弓、 一 接口模块位于机箱尾部,包含满足AIuNC600标 准的高低频组合式接插件、相关电路板及其功能组件, 见图5. 镧 飞习霉尹青 图8机箱接口模块安装机械接口 2.3.2模块电气互联接口 模块间互联电气接El需根据整机及模块详细设计 图5接口模块功能布局 及机箱结构特点确定,主要通过接口模块实现。可采 2.3接口设计 用专用高低频电缆、刚柔板、排线模块安装机械接口 电信号,机箱中部模块2、3之间可以采用直接对插的 在机箱设计方案中,各个功能模块按机箱规定的 硬连接方式。采用本机箱设计方案的某电子设备通过 机械接口要求螺装于对应的机箱结构件上,从而实现 接口模块实现各模块低频互联的电气连接件方案如图 机箱与功能模块的独立设计、加工。 9所示。 ·7· 万方数据 ·抗恶劣环境设计与试验技术· 电子机械工程 2013年2月 手E吁 l进风区域 I。 l———_、 重 瘸薰黧副 口 量 i!三:;三。O。O。Q。O0。,0。0。0。0,0’7 进风孔7 一 ‘m 图114MCU机箱底部进风口设计 图9某4MCU电子设备模块间互联方案 2.4面板布局与标识设计 机箱面板上布置显控器件、安装及使用维护组件, 在适当位置标识功能代号、功能名称或使用说明字符。 在前面板上方中央距上边5inln处粘贴可识别研制生 产单位的企业标识,在前面板下方中央距下边6IiLrn 处铆接设备铭牌。机箱面板布局见图10。 ,o______●________l___●_____o、 岛CETCIO I中国电科 I 电源指示0 BT正常o Bn故障。 图12某4MCU电子设备散热及流阻特性分析 通过分析可知,在该机箱设计散热条件下,设备内 b:=:=::::.:.:d圈 部散热充分,流场均匀,流阻特性满足设计条件下机箱 入口处最小供风静压力500Pa的要求[4]。 图104MCU机箱面板布局 3.2抗振设计 随着航空技术的发展,航空电子设备使用寿命的 3专题设计与分析 延长,对航空电子设备耐恶劣机械环境的要求也相应 提高。本通用机箱主体为铣加工的金属结构件多向螺 3.1散热设计 装拼接而成,可折叠展开的左右侧门在设备调试完成 MCU通用机箱一般采用外部环控风冷的强迫通 后与机箱主体再次螺装加固,可充分满足典型航空电 风冷却方案,环控冷却风通过机箱底部进风口进入设 子设备恶劣机械环境使用要求。图13和表1即是采 备内部,通过内部风道直接冷却各主要发热模块或组 用该通用机箱的某电子设备的抗振分析结果。 件,出风口设置于机箱顶部。机箱底部进风口设计除 需满足标准规定的进风口区域要求外,还要根据内部 模块布局、热源集中区域分布等特点进行布局优化设 计,确保冷却介质对热源集中区域进行高效散热。机 箱顶部出风口设计要同时考虑流道风阻、EMC、外观防 护等要素。内部风道优化设计主要考虑模块特点及布 局要求,尽量提高换热效率,降低流道风阻,必要时增 加内部导流设计将冷却介质直接从进风口导入热源集 中区域以实现环控供风条件下的最佳整机散热方案。 图11即是根据内部模块布局设计的进风口设计方案。 图12即是采用该通用机箱的某电子设备(单机 图13某4MCU电子设备机箱模态分析 热耗300W)的热分析及流阻特性分析情况。 ·8· 万方数据 第29卷第1期 熊长武:折叠式MCU航空电子设备通用机箱结构设计 ·抗恶劣环境设计与试验技术· 表1模态分析结果 (I)机箱散热、密封方式的改进设计 阶次辨 阶次辨 阶次辨 机箱顶板及底板按HB7390的规定开出了布局合 理的通风散热孔阵,一方面实际产品研发时可根据内 l 245.92 3 297.91 5 340.12 部模块特征、热源分布对进出风口进行改进优化设计 2 261.8 4 307.36 6 360.76 以明显提高散热效率,另一方面如整机设备散热量不 大且对机箱有密封要求,可取消机箱顶板及底板的通 根据仿真分析结果,整机及模块的一阶谐振频率 风散热孔阵而采用表面自然散热。 已达到245Hz以上,远高于一般印制板组件的安装固 (2)机箱左、右侧门与功能模块一体化设计 有频率,具有较高的结构冈q强度。 为节约空间,减小重量,可将机箱左、右侧门直接 3.3电磁兼容设计 作为功能模块结构件使用,即实现机箱左、右侧门与功 为考虑整机设备的电磁兼容性特殊要求,设备整 能模块1、4的一体化设计方案。 体设计成电磁密封式机箱,对机箱顶板通风散热孔阵 (3)模块厚度分配改进设计 进行了电磁兼容优化设计,加装了屏蔽网,对机箱左右 如机箱设计方案中4个模块的厚度分配不满足需 侧门采用嵌入式设计,在安装接缝处加装了导电橡胶 求,可对机箱顶、底板上的中模块安装件安装位置进行 电磁兼容屏蔽密封条。同时改进接插件、指控元器件 适应性改进设计,以便对模块厚度空间进行相互调整 以及机箱底部安装面的设计,确保接插件外壳、机箱外 以满足特殊厚度分配的需求。 壳良好接地。 该通用机箱不加装屏蔽网时的屏蔽效能分析结果 5结束语 dB以 见图14。从分析情况看,机箱屏蔽效能可达40 上,在常用的U/V频段屏蔽效能更高KJ。 综上所述,本文根据相关标准开发了折叠式3、 4MCU航空电子设备通用机箱,具有如下技术特点: 1)机箱设计为独立LRU设备,通过标准设备安装 架安装,机箱外形及对外机械、电气接口满足HB7390 《民用飞机电子设备接口要求》,采用后部矩形电连接 器实现电气连接¨J。 2)采用折叠式机箱总体结构,机箱左右侧门可绕 机箱后框上的转轴折叠展开,机箱使用时可将各独立 调试完成的功能模块安装于机箱左右侧门及中隔板 上,非常便于模块的安装、检测与维护。 3)为增强机箱的通用性,整个机箱为开放式结 构,通过铣制结构件组合螺装而成,拆装方便,同时便 ∞p/器辏链隧 于特殊情况下的改进及适应设计。 4)使用环境条件参考DO一160一F《机载设备的环 境条件与试验程序》及GJBl50执行,机箱可采用自然 频率/100MHz 散热或强迫风冷散热方式,强迫风冷散热时按下部进 图14某4MCU电子设备机箱电磁屏蔽效能 《民用飞机电子设备接口要求》规定的机械接口及冷 4定制设计与开发 却风道接口要求,冷却风穿过机箱直接对内部各功能 模块进行高效散热。 折叠式MCU通用机箱由于采用了开放式架构,各 5)结构设计参照军用电子设备/系统有关设计规 主要结构件相互独立铣制而成,因此非常便于特殊情 范执行,可同时满足抗冲击振动、散热、电磁兼容、电气 况下的定制开发与适应性改进设计,即不需对机箱方 互联、可靠性、维修性、安全性、三防、人机工程、包装运 案进行大的调整,仅更改局部组成部件便可满足机箱 输及交付等方面的需求。 的特殊使用需求。 (下转第42页) ·9· 万方数据 ·工艺技术· 电子机械工程 2013年2月 小。由于熔滴同工件短路时,电流强度几乎降为零,极 将焊丝输送和熔滴状态结合起来,整个焊接过程热输 大地减少了焊接过程热输入量。有研究表明,CMT工 入量小,变形小,无飞溅,焊缝均匀,焊接成本低,尤其 适合薄壁的铝合金波导构件焊接。利用该工艺可以极 艺的热输入量比传统的MIG技术低30%一50%‘51,非 常适合铝合金薄板构件的焊接,并且焊缝质量高,如图 大地提高波导的焊接质量和焊接效率,降低焊接变形。 4所示。 国大众公司)以及日本(川崎重工集团公司)多家公司 采用。在我国CMT技术也具有广阔的应用前景,其推 广和应用可以提高我国焊接产品的品质、生产效率以 及能源利用率。 参考文献 图4厚度为0.8咖的铝合金薄板对接焊缝 [J].电焊机,2006(6):5-7. CMT技术的电弧稳定性高。CMT技术的电弧长 [2]张洪涛,冯吉才,胡乐亮.CMT能量输入特点与熔滴过 度可通过机械方式和数字方式进行实时监控和实时调 渡行为[J].材料科学与工艺,2012(2):128-132. 整,确保了电弧的稳定性,即使在高速自动焊接情况 [3]黄安海,梁宁,李元生.高精度复杂波导组件的焊接技 下,也不会出现断弧。 术研究[J].雷达科学与技术,2001(1):46—50. CMT技术对焊前装配要求相对较低。它对一般 [4]杨万均,肖敏.湿热环境中焊接波导的环境适应性分析 的装配间隙和错边要求低,例如,对于1mm厚的薄板 [J].电子产品可靠性与环境试验,2004(6):42-45. 对接接头,其装配间隙最大允许值为1.5nlln,极大地 22—25. 减少了焊接夹具加工的难度及钳工的工作难度∞J。 [6]尹铁,金晶,张锋,等.CMT冷金属过渡技术在管道外部 CMT技术的焊缝成型美观。由于在CMT焊接送 丝过程中电流基本不变,实现了恒定的熔深,焊缝均 匀。由于消除了传统熔焊过程的汽化爆短因素,所以 CMT焊接真正做到了无飞溅。 栾兆菊(1981一),女,博士,工程师,主要从事搅 拌摩擦焊接、电子束焊接、氩弧焊工艺以及材料焊接改 3结束语 性的研究工作。 冷金属过渡技术作为一种全新的焊接工艺,首次 (上接第9页) [2]任苏中.航空电子设备结构设计[M].北京:航空工业 6)采用铣制铝合金零部件螺装组合而成的结构 出版社,1992:12—23. 总体方案,加工工艺性好,适合于零星或小批量生产。 本文论述的折叠式MCU通用机箱设计方案为实 设备接口要求[s].北京:中国航空工业总公司,1996: 3—28. 现航空电子设备机箱的标准化、系列化开辟了很好的 [4] 思路,其产品已实际运用于某型飞机平台的通信电子 却系统通用规范[s].北京:国防科学技术工作委员会, 装备中,取得了较好的效果,因此其产品和设计方案可 1997:3-4. 供现代军、民用航空电子设备直接参考或选用。 [5]何林涛.基于HFSS的孔阵机壳近场屏蔽效能分析[J]. 工程设计学报,2011(4):255—259. 参考文献 [1]顾世敏,顾桂兰,华国芳,等.GJB441--1988机载电子 设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸[s].北京:国 熊长武(1975一),男,硕士,高级工程师,主要从事 防科学技术工作委员会,1988. 航空电子装备结构设计工作。 ·42· 万方数据