电子设备平板类结构优化设计方法

刘欣

摘要：电子设备产品中的平板类结构，形式如：分机盖板、模块盖板等，在航空、航天、汽车、船舶等行业应用广泛。该类结构本身不起支撑承力作用，但对于电子产品的密封性、电磁兼容性却不可或缺。在航空航天领域，对产品的结构重量要求苛刻，希望以最轻的结构重量，获得最优的结构功能。

关键词：电子设备；平板；结构优化；设计

产品设计时，对于采用何种减重设计方式，没有相关的标准作为指导，基本上是凭借个人的设计经验选取。当然，目前商用软件可以对复杂几何结构、复杂工况进行拓扑优化，但设计和时间成本都相对较高。本文通过力学仿真分析，总结出图1所示几类结构模型，在相同力学边界、相同外形尺寸、相同重量等条件下，刚度最好的结构形式，以指导设计人员快速开展结构设计工作。

1分析方法

1.1结构刚度

刚度是指结构在受力时抵抗变形的能力，是结构弹性变形难易程度的表征。在产品中，结构需要足够的刚度保证外形稳固。刚度分为动刚度和静刚度。静载荷作用下抵抗变形的能力成为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力成为動刚度。平板类结构如盖板等本身不起支撑作用，但需要保证一定的刚度以满足密封性，避免局部共振等问题。

1.2固有频率

固有频率也称为自然频率，物体做自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有属性有关。一般而言，固有频率越高，结构的刚度越大，固有频率是评价结构刚度大小的重要指标。因此，利用仿真分析手段，可以得出结构的固有频率，从而判定其刚度的大小。

1.3模型建立

根据减重方式，以薄板结构（如图1基准模型O所示）为基准建立模型。利用CAD三维实体设计软件，分别建立三种平板结构减重模型，如图1模型A、B、C所示。其中，四种模型的外形尺寸相同，模型A、B、C三种模型凹槽深度、边框尺寸相同，重量与基准模型O一致。

在外形尺寸、重量条件相同的情况下，频率最高的模型被认为是最优的减重优化模型。

2算例分析

2.1外形尺寸

给定基准模型O外形尺寸A=210mm，B=210mm，厚度T=1.403mm。

2.2材料属性

计算材料选取常用工程材料铝合金，牌号：5A06-H116，参数如表1所示。

2.3模型参数

方法建立结构模型，参数如表1所示。

2.4频率计算结果

利用有限元分析软件，对建立的模型进行模态仿真计算，所有模型均为固支边界条件，前三阶固有频率结果如表2。

由计算结果可以看出，在相同重量、相同尺寸外形、相同厚度、相同边界条件的等情况下，模型A的固有频率最高，被认为是最优的减重模型。

3电磁兼容设计

随着电子技术的发展，电子设备的种类与日俱增，电磁环境日益复杂，电子设备想要在电磁环境中正常运行就一定要避免受到电磁的干扰。在电子设备结构设计中充分考虑电磁兼容的问题，才能够提高电子设备运行效率。在电子设备结构设计中，需要通过采用特定的技术手段保证电子设备的电磁兼容性，最常见的方法有滤波、屏蔽、接地三种。

3.1电磁滤波

电子设备的运行过程中，电路会产生一些较强的干扰信号，会对整个电路产生巨大的干扰作用。采用滤波技术可使电子设备传导干扰电平降低，借助阻抗失配原理，使电磁干扰的信号衰减。设置滤波电路可以保证电路安全稳定，减少电路干扰，提高电子设备安全稳定。

3.2电磁屏蔽

电磁屏蔽是目前解决电磁兼容问题的最有效方法，在进行电子设备设计时需对屏蔽体材料进行合理的选择。同时需要考虑缝隙的影响，对螺钉进行合理的布置，运用导电柔性介质使接触面增大。在对孔洞进行设计时，孔洞的尺寸应该小于λ/20，大于λ/50。

3.3接地技术

接地技术，即为电源和信号提供回路和基准电位。接地技术的设计可以有效防止电磁干扰并且抑制电磁的噪声，在进行接地技术的设计时需要考虑抑制接地干扰措施、接地点选择等多种因素。在电子设备中具体的接地方式主要分为多点接地、单点接地、悬浮地三种。

4散热设计

随着电子技术的迅猛发展，人类对电子设备小型化、微型化和高集成化的追求越来越强烈，导致电子机箱的热密度成量级增长。电子设备在过热环境下工作，其工作效率及可靠性将会受到影响。在进行电子设备设计时，需根据其使用环境、产品功耗、尺寸参数等选择合适的散热方式，以达到散热良好的目的，提高电子设备的工作可靠性。

4.1散热槽

在电子设备结构设计过程中，发热量大的元器件贴壁处理，机箱箱体外侧通过不同形式的散热槽来增加散热面积，提高散热效率。在进行结构设计过程中，可根据元器件功率、机箱尺寸要求、重量要求等设计不同形式的散热槽。

4.2强迫风冷

在热流密度较大、温升要求较高的设备中，使用强迫通风冷却。通过设置合理的风道，选用合适的通风机来实现强迫风冷。强迫通风冷却系统的体积和质量较大，但对于要求不十分严格的地面设备是一种非常合适的散热方式。

4.3强制液冷

当自然冷却或强迫风冷不能满足大功率电子设备散热要求时，通过强迫液冷可提高散热效率。在机箱箱壁内部设置合理的流体信道，外接冷却系统，通过散热介质的循环，将元器件的热量带走，实现散热。

4.4热管散热

热管技术是利用液体工质的相变传热，具有极高的传热效率，散热效果好，噪音低，使用寿命长。它的工作过程为热管两端产生温差时，蒸发端的液体会迅速气化，将热量带向冷凝端，两端温差越大，蒸发速度越大。液体在冷凝端凝结液化以后，通过毛细作用，流回蒸发端，如此循环往复，不断地将热量带向温度低的一端。

5机械振动控制设计

电子设备在运输或使用时，会受到环境的振动与冲击，会对电子设备造成巨大的影响。因此在电子设备设计过程中需要进行机械振动控制设计。目前常用的方法主要有结构动力学修改与优化设计、附加振动控制结构器和振动自适应结构。

5.1结构动力学修改与优化设计

结构动力学修改与优化设计是通过修改系统动力学特性、优化设计系统结构，改善振动系统的动力学特性，以达到振动控制性能指标。结构动力学修改与优化设计法包括两个方面的内容：结构动力学修改与灵敏度分析、结构动力学优化设计。

5.2附加振动控制结构器

附加振动控制结构器法是在原系统上附加各种振动控制器或结构，在目前的振动控制中应用最为广泛，常用的主要有隔振消振法、动力吸振法、阻尼结构减振法等。隔振消振法是目前应用最广泛的方法，如在设备整机上加外置减振器。

5.3振动自适应结构

振动自适应结构是一种较多应用智能材料与组件的智能结构，将分布式的传感器、作动器与系统的结构高度融合为一体。振动自适应结构本身对振动条件的变化具有自适应功能，可以自动改变系统的动力学特性，抑制振动带来不良影响。

结论

工程中的减重经验设计方法很多，本文将几种常见的经验模型进行对比分析，得出模型A为平板类结构最优的减重设计方案，读者可根据不同的应用场景，合理优化布局，得到最优的结构产品。

参考文献

[1]何敏.某机载电子设备振动分析与振动控制研究[D].北京：电子科技大学，2007.

[2]穆士乐.电子设备的电磁兼容性设计[J].电子技术与软件工程，2017，（3）：124.

[3]邓少文.电子设备结构设计中的电磁兼容研究[J].无线互联科技，2017，（16）：102-103.

[4]刘兴俊.电子设备结构设计中的电磁兼容[J].中国新技术新产品，2015，（6）：2-3.

（作者单位：天津光电通信技术有限公司）