某弹载电子设备质量、质心和质偏设计

陈福林

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

某弹载电子设备质量、质心和质偏设计

陈福林

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

质量特性参数是直接影响导弹飞行轨迹和飞行姿态的重要参数，决定了导弹精确打击目标的成败。安装在导弹内部的各弹载电子设备的质量特性参数直接影响整弹的质量特性参数。因此对弹载电子设备的质量、质心和质偏等质量特性参数进行设计是非常重要且必需的。文章从前期方案入手，通过功能模块合理划分，材料合理选用，质量、质心分配，线缆走向要求等阐述了某弹载电子设备质量、质心和质偏的设计过程。

弹载；电子设备；质量；质心；质偏

引 言

子母弹是当今各国发展的重点，越来越引起各国军方的广泛关注。作为某子母弹的子弹的重要组成部分，该电子设备安装于子弹弹体内部，其质量、质心和质偏直接影响到子弹的质量、质心和质偏。以往的设计经验是前期设计时预留配重空间，根据测试结果再进行配重，从而达到总体要求。但该电子设备受弹体空间的限制和自身功能的影响，结构已非常紧凑[1]，无法预留太多的配重区域供后期测试配重，因此对前期的方案设计提出了很大的挑战。各功能模块如何划分，材料如何选择，质量、质心分配，内部连接线缆的走向等，都是该设备质量、质心和质偏设计时有待一一解决的难题。

针对以上提出的诸多问题，本文以设计方案为切入点，对功能模块的划分，质量、质心分配，线缆走向及材料选择都做了严格的规定。同时运用三维设计软件和高精度质量、质心和质偏测试仪，辅以合理的测试工装设计等[2]，对某弹载电子设备质量、质心和质偏的设计过程进行了详细的阐述。

1 设备质量特性指标

该弹载电子设备的主要质量特性包括质量m=(2±0.1) kg，质心Xc≤115 mm(沿天线端面向终端方向)，质偏≤0.3 mm。设备质量含对外连接的线缆和接插件，质心及质偏不含对外连接的线缆和接插件。设备质心、质偏要求见图1。

2 设备组成及功能模块划分

根据设备的功能特性，充分考虑其维修性、互换性等诸多因素；结合设备所处的安装环境，同时兼顾协同化设计要求，对该设备进行模块化[3]设计势在必行。从设备的功能及简化内部线缆连接入手，在保证结构强度和线缆可靠连接的前提下，将设备功能模块划分为天线单元、收发信道模块、频率合成器单元、终端单元和电源模块。该设备的功能模块划分框图和功能模块在设备中的布局如图2、图3所示。

图2 设备功能模块划分框图

图3 功能模块在设备中的布局

3 材料选择及线缆走向

从该弹载设备的质量特性要求可知，质心位置靠近天线单元端。根据各功能模块的布局特点，结合各功能模块自身的功能特性，如散热、抗冲振、内部无封装器件的防护等[4]，同时考虑设备的环境适应性，特别是所处的力学环境，前期方案对各功能模块的接口要素、材料及内部线缆走向作了严格的规定。各功能模块的材料选择及材料特性[5]如表1所示。

表1 功能模块结构件材料及材料属性

众所周知，各功能模块为实现自身的功能，相互间必然存在线缆连接。线缆走向直接影响设备的质量特性，特别是对质偏的影响很大。因此在设计之初需对设备内部线缆的连接方式及线缆的型号等有所要求，再辅以合理的结构设计，确定线缆的走向，并在合适的位置对线缆进行加固处理，既使每套设备的线缆走向保持一致，又满足设备各项力学试验的要求。

通过线缆的长度、接插件的型号等能准确地确定线缆的质量。按质量均匀分布原则对线缆附加质量属性，方便在三维软件和计算中对各功能模块的质量特性进行分配。

4 质量、质心分配

为实现整机质量特性指标要求，对各功能模块质量、质心进行合理分配尤为重要。合理的质量特性分配既是满足总体指标要求的重要保证，又是降低设计加工成本的有力保障。根据设备质量特性指标的要求，按公式(1)[5]将质心分配到X轴、Y轴和Z轴上。再将分配到X轴、Y轴和Z轴上的质心分别分配给各功能模块，从而实现质量、质心的合理分配。分配结果如表2所示。

(1)

式中：Pi为各质点的质量；xi、yi、zi为各质点在相应轴上的坐标。

表2 质量、质心分配表

由图1可知，设备基本为一圆锥形结构。为方便设计和计算仿真，表2中各功能模块的质心坐标值均是如下方式定义的坐标系内的值：坐标原点选择各模块圆锥大端的圆心，X轴正向为圆锥的轴线指向圆锥小端，Y轴正向为垂直于半圆锥面指向功能模块，Z轴根据右手法则确定。坐标系定义如图4所示。

图4 功能模块坐标系定义

5 质量、质心和质偏设计仿真

根据各功能模块质量特性的分配结果，按各模块的实际外形尺寸和所分得的质量、质心参数，在UG软件中建立三维实体模型，并对实体模型附加相应的属性，最后组装在一起，通过软件功能进行仿真以验证上述分配结果是否满足要求。实体模型及仿真结果如图5所示。三维仿真模型中去掉了对外连接的线缆和接插件，模拟了内部各功能模块连接线缆的走向。

图5 设备实体模型及质量、质心和质偏仿真结果

依据图5中的仿真结果，仿真质量为1.955 kg，称出对外连接的线缆和接插件的质量为0.087 kg，则设备质量为2.042 kg，满足质量(2±0.1) kg的要求。质心位置为X=165.186 mm、Y=0.219 mm、Z=0.153 mm。得出X轴向质心位置Xc=104.814 mm，质偏为0.267 mm，满足质心、质偏的要求。

6 测试验证

各功能模块验收完成后再完成整机的钳电装，待整机调试完成后再进行质量特性参数的测试。由于整机调试时需焊接好对外连接的线缆和接插件，这无形中给测试增加了很大的难度。测试时外接电缆如何固定、如何扣除其质量对整机质量特性的影响以及保证每套设备测试的一致性是有待解决的难题。

针对上述因外接电缆引入测试难度的问题，根据设备外形安装的特性，结合质量、质心测试仪器安装接口，需设计出既满足外接电缆的固定要求又具备设备与质量、质心测试仪器因形状不同的有效过渡的测试工装。

测试工装设计时，在满足正确安装设备和适合测试仪器的前提下，还需设计一个固定外接线缆的装置，使各套设备在测试时外接电缆都保持一致，从而实现对设备的质心、质偏进行精确测试。图6为外接电缆固定在工装上的示意图。

图6 测试工装示意图

为扣除外接电缆对设备测试值的影响，在设计工装时同时按真实外接电缆1:1制作了测试电缆(图6)，其走向尽量模拟电缆真实的走线路径。在工装的质量、质心和质偏测试值中已含测试电缆(即设备外接电缆)，因此将设备装入工装后的测试值扣除工装的测试值即得出设备的质量特性值(不含设备外接电缆)。图7为设备带测试工装的示意图。

图7 设备带测试工装示意图

通过上述方案分别测试出工装的质量、质心和质偏值，再测试出设备带工装的质量、质心和质偏值。再通过公式(1)计算得出设备的质量、质心和质偏值(已扣除外接线缆)。

目前，质心静态测量方法主要有机械称重定位法、多点支撑称重法、不平衡力矩法[6]。本设备选用多点支撑称重法进行测量，测出工装的质量、质心和质偏为：质量1.785 kg；质心120.588 mm；质偏9.65 mm，偏角为43°(从Ⅰ象限到Ⅳ象限的顺序)。测出设备带工装的质量、质心和质偏为：质量3.707 kg；质心145.873 mm；质偏4.75 mm，偏角为43°。

按公式(1)计算出设备的质心Xc=104.644 mm，满足不大于115 mm的要求。

质偏的计算需按平行四边形法则先将测试工装和设备带工装的质偏分解到象限轴上，叠加后得出设备在象限轴上的值，再按平行四边形法则将其合成，从而得出设备的质偏。

按公式(1)计算出该弹载设备分解到Y轴上的质偏值为0.136 mm，分解到Z轴上的质偏值为0.146 mm，则质偏为0.199 5 mm。

设备质量m=2.009 kg，质心Xc=104.644 mm，质偏为0.199 5 mm，满足总体下达的质量特性指标。

对比质量、质心和质偏的测试计算值和质量、质心分配后的仿真值，结果基本一致，从而证实了设备质量、质心和质偏设计和各功能模块质量特性分配的合理性。

7 结束语

文中通过功能模块合理划分，材料合理选用，质量、质心分配，线缆走向要求等阐述了某弹载电子设备质量、质心和质偏的设计过程。对比理论计算、计算机软件仿真及实际测试验证的结果表明，该设备的质量、质心和质偏设计合理，满足总体的质量特性要求。

[1] 邱成悌, 赵惇殳, 将全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2001.

[2] 苏·波利亚·科夫. 电子设备的结构设计[M]. 北京: 科学出版社, 1982.

[3] 童时中. 模块化原理设计方法及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[4] 陈福林. 某弹载毫米波功率放大器结构设计[J]. 电子机械工程, 2015, 31(2): 19-32.

[5] 王健石, 胡克全, 吴传志. 电子设备结构设计手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 1993.

[6] 卢志辉, 孙志扬, 李祥云, 等. 高精度质心测量方法研究[J]. 兵工学报, 2009, 30(12): 1748-1752.

陈福林(1974-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Design of Mass, Centroid and Centroidal Deviation for a Missile-borne Electronic Equipment

CHEN Fu-lin

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

Mass parameters are important factors directly influencing the flight track and attitude of missiles, and thus determine whether the missiles can realize precision strike successfully. The mass parameters of the whole missile are directly dependent on the mass parameters of various electronic equipment installed inside the missiles. Therefore, it is very important and indispensable to design the mass, centroid and centroidal deviation for the missile-borne equipment. This paper illustrates the design process of the mass, centroid and centroidal deviation for a missile-borne equipment through modular function reasonable division, material reasonable selection, mass and centroid allotment, and cable alignment request.

missile-borne; electronic equipment; mass; centroid; centroid deviation

2015-10-19

V214；V243

A

1008-5300(2015)06-0029-04