某型混插机箱的结构设计*

姜笃山，周艳阳，赵文虎

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某型混插机箱的结构设计*

姜笃山，周艳阳，赵文虎

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

随着电子技术的发展，对设备的小型化与集成化要求越来越高，数字与模拟插件以及显示设备需要在同一平台上进行整合。文中结合雷达设备需求，介绍了一种混插机箱的设计，对机箱的结构选型、插件布置以及Z型横梁过渡件设计进行了详细描述，实现了不同长度的数字与模拟插件的混插组合, 并利用FLOTHERM软件对机箱进行了热仿真分析。采用理论分析与软件仿真相结合的设计方式可明显提高产品的设计效率。

混插；结构设计；热仿真分析

引 言

随着电子技术的发展，对设备的小型化与集成化要求越来越高，某型雷达设备需要将数字与模拟插件以及显示设备在同一平台上进行整合。根据以往产品的经验，需要1个数字插件机箱、 1个模拟插件机箱以及1个小型机柜(含散热装置)来集成设备。原有模式使系统结构复杂，设备量大，成本增加，严重影响了产品的便携性与通用性。因此，设计便携式通用平台，采用混插机箱，将集成化的数字插件与模拟插件组合在一起并集成显示装置，将更加具有实用性和经济性。该设计思路是将系统进行大规模整合，利用仿真热分析，确定系统的环境适应性。通过仿真分析软件验证、优化热设计方案，以缩短产品的开发周期，显著降低产品验证热测试的工作量[1]。

1 机箱选型与布局设计

1.1 机箱选型

机箱是安装和保护电子元器件的重要结构，目前除已有的尺寸系列外，在结构形式上尚无统一标准，主要参照国标《电子设备机械结构》进行设计。机箱设计的好坏，将直接影响到产品的性能，在稳定设备质量，保证产品电性能指标以及提高经济效益方面起到举足轻重的作用。

根据机箱的使用条件、制造方法、内部元件的安装要求，常用的机箱形式有薄板折弯机箱、铸造机箱和型材机箱3种。与前两者相比，型材机箱具有轻型化、通风散热效果好等优点。地面便携类电子设备通常优先选用型材机箱。

机箱的外形尺寸由其内部安装的插件决定。某型便携机箱，需要放置宽度为48n(1n=5.08 mm)、高度为6U(1U=44.45 mm)的模拟插件，宽度为32n、高度为6U数字插件，其实际高度要求不小于6U，宽度则为标准宽度(内部安装空间为84n)。由于数字插件总长度比模拟插件长，因此在数字插件区域，考虑到前插卡、后插卡、背板尺寸以及显示屏安装等因素，机箱的实际深度设计为435 mm。考虑到通风散热效果以及重量要求，机箱高度为8U。在实际使用时，将机箱由水平放置变为竖直放置(如图1所示)，以改善其通风散热性能。

机箱的主要结构件有框架、底板、盖板、后面板、脚撑、把手等。机箱框架的主要结构件有横梁、前立柱、后立柱、支承梁、侧板、连接件等。图2为其详细分解图。

图2 机箱结构与分解示意图

1.2 插件布置与Z型横梁设计

便携式混插机箱包括数字插件区域、模拟插件区域和显示装置。整个系统，尤其是数字插件模块，热量高，发热区域集中。由于热模块分散布置有利于提高系统的散热性能[2]，因此设计时将数字电源与数字插件排布在机箱上侧，将模拟插件排布在机箱下侧，将液晶显示屏(10 inch)安装在后面板上。其具体分布如图3所示。

图3 插件布置示意图

电子设备在运输和使用过程中会受到各种机械力的干扰和作用，在这些力的作用下，恶劣的机械环境将直接影响到电子设备的可靠性。因此，如何强化电子设备结构，以尽可能地把环境对电子设备的影响降低到最小，是设计人员十分关心的问题。

便携式机箱通常与其他平台共享插件模块，机箱的设计需要根据其插件模块的尺寸来定。在如图3所示的某型混插机箱中，数字插件与模拟插件长度不一致，数字与模拟插件中间无横梁等隔档物，数字与模拟插件前面板无缝对齐连接。模拟背板与后插板若采用单一横梁无法紧固，若采用2根横梁又会存在干涉。虽然根据相应位置差，整体加工横梁能够解决尺寸差问题，但是后插卡的固定孔与导槽以及模拟插件背板的安装将给整体加工带来很大的工作量。若采用焊接横梁的方式又会使型材变形，使后插卡以及模拟插件与背板配合误差变大。

型材机箱的优势就是能够充分利用现有型材，按一定尺寸对其进行截取，实现机箱的快速构建。在实际设计过程中，针对上述难题，结合横梁的结构特性，设计了一种Z型过渡件，解决2根横梁错位造成的后插卡与背板的固定问题，如图4所示。该Z型过渡件保证了组合梁的强度，满足设备对机箱的要求。

图4 Z型过渡件与组合横梁

2 机箱散热能力分析

2.1 机箱模型与理论计算

机箱的室外环境温度要求为50 ℃，加上数字插件自身的热分布相对集中，因此对机箱的热设计进行分析就显得非常重要。

混插机箱的主要发热器件与大功耗印制板集中在数字部分，在同一散热模式下，数字模块的散热性能决定整个机箱能否正常工作。为提高板载芯片的散热能力，印制板上安装有型材散热片，以扩大散热面积。

根据设备环境条件最高工作温度要求，取机箱环境温度为50 ℃，按出风口和进风口10 ℃的温差，即出风口温度为60 ℃，则定性温度为55 ℃。 在定性温度为55 ℃时，空气特性参数为

1)空气比热Cp= 1 005 J/(kg·℃)；

2)空气密度ρ= 1.07 kg /m3；

3)空气动力粘度ν=18.46 × 10-6m2/s。

根据热平衡方程，按机箱(数字插件区域，下同)发热量Q=400 W、出风口和进风口的温差Δt=10 ℃计算，机箱风道所需的总风量为

Qf=Q/(Cp×ρ× Δt)=

400/(1.07 × 1 005 × 10)=

0.037 2 m3/s= 133.92 m3/h

在机箱内，数字插件上方有2个风扇，考虑到冗余度，单个风扇的风量不小于100 m3/h。选取合适的风扇，既能满足设备散热需要又能尽可能地降低噪声。

2.2 软件模拟与仿真分析

电子设备的热分析软件可以快速而准确地得到系统的热设计分析结果，模拟出设备的温度场分布，从而使设计者对设备的散热能力有直观、准确的了解[3]。

根据各个插件的热功耗以及板载芯片的位置，确定了数字模块的位置。利用FLOTHERM软件，对设计的机箱数字区域进行了热分析仿真。根据机箱尺寸以及数字插件、数字电源的外形结构，创建了187 mm × 179 mm × 355.6 mm的机箱模型，如图5所示。按照实际热功耗，定义每个数字插件板载芯片的热功耗不小于50 W，数字电源的热功耗为200 W(在实际建模中，采用热源与流场阻尼来模拟电源)。按照实际机箱情况，选择220AC、118 m3/h的风扇，其位置参照它在机箱内的布局。

图5 数字插件区域模型

定义环境温度为35 ℃，通过软件仿真，获取机箱温升。如图6所示，机箱内最高温度为73.4 ℃，温升Δt为38.4 ℃，且温度最高点为数字电源附近的刀片计算机，这与实际预测结果一致。刀片计算机一侧为数字电源，电源自身的高热量增加了刀片计算机的实际环境温度。从仿真结果可知，在50 ℃环境条件下，板载芯片最高温度为88.4 ℃，小于90 ℃，满足使用要求。

图6 机箱温升与流速

在实际使用中，84n的机箱有4n可用空间，在刀片计算机与数字电源之间增加一个自制的4n风扇插件，可进一步改善两者的散热性能，如图7所示。

图7 机箱三维外形图

3 结束语

本文通过分析混插机箱内部插件，确定了混插机箱的结构形式和外形尺寸；通过设计一种Z型过渡件，解决了数字插件后插卡与模拟插件背板横梁错位造成的固定问题；利用软件对其进行了热仿真验证。结果表明：该混插机箱满足设计要求；在实际使用过程中，该机箱能够较好地适应室外实际环境，满足使用要求。理论计算与软件仿真相结合，可以减少相关样机的研制，提升产品品质，缩短产品的研发周期。

[1] 赖天华. 浅谈数字化仿真设计在电子产品结构总体设计中的应用[J].电子机械工程, 2001, 17 (1): 38-41．

[2] 赵惇殳. 电子设备热设计[M]. 北京：电子工业出版社, 2009．

[3] 徐晓婷, 朱敏波, 杨艳妮. 电子设备热仿真分析及软件应用[J]. 电子工艺技术, 2006, 27 (5) : 265-268．

姜笃山(1982-),男，硕士，工程师，主要从事电子对抗及雷达模拟领域的结构总体设计工作。

周艳阳(1979-),女，高级工程师，主要从事电子对抗及雷达模拟领域的结构总体设计工作。

赵文虎(1976-)，男，高级工程师，主要从事电子对抗及雷达模拟领域的结构总体设计工作。

Structure Design of a Certain Cabinet with Hybrid Plug-card

JIANG Du-shan，ZHOU Yan-yang，ZHAO Wen-hu

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

With the development of electronic technology, the miniaturization & integration are more and more important in the equipment design. The digital plug-card, the analog plug-card and the display facility are required to be integrated on the same platform. In this paper the structure & thermal design of a certain cabinet with hybrid plug-card is introduced with some radar equipment requirements considered. The design type selection, the allocation of plug-card and Z-type transition of the cabinet are described in detail. Besides, thermal simulation analysis for the cabinet is carried out by the software FLOTHERM. The digital plug-cards and analog plug-cards with different length are allocated together on the same cabinet. It is found that the design efficiency is obviously improved, compared with traditional methods, when theoretical analysis & calculation and software simulation are adopted at the same time.

hybrid plug-card; structure design; thermal simulation analysis

2013-10-14

TN957.8

A

1008-5300(2014)03-0030-03