一种舰载密闭机箱结构设计

张登材，张杰，张义萍

一种舰载密闭机箱结构设计

张登材，张杰，张义萍

（中国电子科技集团公司 第二十九研究所，四川 成都 610036）

在对比分析几种典型密闭机箱优缺点的基础上，详细阐述了一种能在高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境下工作的舰载整体铸造密闭机箱。简要介绍了密封原理，重点研究了密封材料和密封结构形式，最终解决了该机箱的密封问题。用ANSYS Workbench软件建立了该机箱的有限元模型，计算了机箱的模态，得到了机箱的前五阶固有频率和振型。结果表明：该机箱有足够的刚强度，满足设计要求。

密闭机箱；结构设计；模态分析

长期工作在高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境下，对舰载电子装备的可靠性、设备寿命等影响极大[1-3]。研究和实践表明，采用密闭机箱能有效防止潮气、盐雾、霉菌的侵蚀[4-6]。

某项目中的天线座安装在舰艇的桅杆上，全天候工作，其组成如图1所示。天线座上的机箱不仅要保护转台及转台上的电机，还要保护其上安装的天线阵和射频前端等电子设备，因此机箱采用全封闭的结构形式，有效阻止雨水、湿气和盐雾进入机箱，从而满足这些电子设备的三防设计要求。

图1 天线座结构示意图

1 密闭机箱的结构形式

现有研究和实践已经表明，钢铁材料在恶劣的海洋环境中极易产生锈蚀，而铝合金材料具有优良的抗腐蚀能力。此外，钢铁材料比重大，几乎是铝合金的三倍，装在舰艇桅杆上的设备要求重量轻，因此选定机箱材料为铝合金。

常见的铝合金机箱结构有以下几种形式。

（1）骨架加蒙皮式机箱。由铝合金型材通过焊接或利用螺钉拼装连接先形成机箱的骨架，然后在骨架上铆接蒙皮成型。这类机箱的材料利用充分、重量轻、成本低，但这种结构的密封性较差，容易漏水，环境适应性较低。

（2）大板拼焊式机箱。由铝合金板通过拼装焊接而成，材料利用率很高、结构简单、生产周期短，但焊接时变形较大，尺寸不易控制，难以消除残余应力，尺寸精度较低，表面质量差，密封性较差。

（3）整体铸造式机箱。采用铸造铝合金材料整体铸造成型，具有良好的抗腐蚀性能，抗冲击振动性和抗弯抗扭刚度比较好。此外，机箱通过机械加工后表面质量好、尺寸精度高。但这种机箱比上述两种类型的机箱略重一些，制造成本较高，生产周期也较长。

考虑到海洋环境的恶劣气候和本项目的实际情况，最终选择抗腐蚀能力强的铝合金整体铸造式机箱。设计上严格控制机箱壁厚并优化布置加强筋来减轻机箱重量，如图2所示，壁厚5 mm，整个机箱重量为48 kg。

2 机箱的密封

机箱与天线罩、门、射频前端、转台等处均存在着接合面，可能存在的泄漏环节比较多。一旦形成泄漏，海水或潮气进入机箱内，将直接威胁到电子设备的正常工作，因此应对密封进行重点设计。

2.1 密封原理

如图3所示，密封件未受压变形时的初始高度为1，受压变形后的高度变为2，相对变形量就定义为：

图3 密封原理示意图

研究表明，当＝10%时，即使密封件与装配面之间的缝隙小至0.01 mm，仍然会出现渗漏现象；继续增大压力，使＝20%～30%，由于密封件的弹性变形变大，密封件紧贴装配面，形成可靠密封。进一步研究表明，如果继续增大压力，使＞30%，密封效果没有明显改善，反而会由于密封件变形过大，导致密封件疲劳破坏，降低密封效果。因此在密封设计中，一般取＝20%～30%[7-8]。

2.2 密封材料

密封材料的自身性能和可靠性的高低直接影响到设备的密封能力和可靠性。在电子设备中，使用最广泛的密封材料是橡胶，其具有弹性高、不透气、不透水、电绝缘性好、比重低等性能，适当处理后，还具有优良的耐压、耐腐蚀、耐老化、耐高低温等性能。本项目选用便于装配的异形硅橡胶绳（图4）作为密封件。

图4 双密封结构示意图

2.3 密封结构形式

采用如图4所示结构，其在保证有效水密封的同时，能够通过控制密封槽的尺寸来严格控制密封件的压缩量，当密封件达到设计需要的压缩量时，两个密封面就闭合，密封件不会被继续压缩变形，从而保证密封件不会因为变形过大而损坏。此外，这种结构装配后外观无缝隙，不会因为密封而影响设备的整体外观，而且结构装配完成、结合面闭合后，两个密封面电导通，对于提高设备的电性能，尤其是提高电磁屏蔽性能非常有利。双密封可以进一步提高密封可靠性，即使因某种原因而损坏了其中一根橡胶绳，另一根橡胶绳同样可以保证密封。在设计这种密封结构时，除了要严格控制密封槽的几何尺寸外，还应适当提高密封槽和密封结合面的表面粗糙度，其Ra值不得大于3.2 μm。除此之外，还应考虑压紧螺钉的间距，间距过大同样影响密封效果。

3 机箱的模态分析

在舰载环境下，机箱不仅要承受其装载的电子设备的重量载荷和风载荷，还要承受舰船航行过程中遇到风浪引起的颠振和炮弹、导弹等武器发射时的剧烈冲击，因此要求机箱必须具有一定的刚强度。此外，国军标中有关舰载设备的设计要求规定，机柜机箱骨架的一阶固有频率应在30 Hz以上。由于本项目的机箱是采用铸造铝合金整体成型，刚强度比钢材低，该机箱还经历过苛刻的减重设计，因此在设计阶段很有必要对这个机箱进行模态分析，得到机箱的固有频率和振型这两个模态参数，以验证机箱是否满足设计要求[9]。

比较常用的模态分析方法主要有实验模态分析法和有限元分析法。实验模态分析法是针对具体实物样机通过测试等实验手段来得到其动态特性，主要是得到实物的固有频率和振型这两个模态参数。在产品的设计阶段，通常还没有实物样机，因而只能采用有限元法进行模态分析。本文利用ANSYS Workbench软件来建立机箱的有限元模型，求得其固有频率和振型。

在建立机箱有限元模型时，首先要建立材料特性参数，机箱的原材料为ZL104，铸造成型后进行T6热处理，材料特性如表1所示。为方便有限元网格划分、缩减计算规模，需要对机箱的实际结构进行必要的简化处理，忽略实际机箱上的小圆角、密封槽、螺纹连接孔等一些对模态分析基本上没有影响的小特征。随后采用四面体实体单元对前述机箱自动划分网格，最后在机箱底部与舰艇桅杆连接处施加固定约束，求解机箱的约束模态。如图5所示。

表1 机箱材料性能表

经过仿真计算，得到机箱的前5阶固有频率和振型如表2所示，可以看出，机箱的一阶固有频率大于30 Hz，满足设计要求。机箱的一、二阶振型如图6所示。

4 结论

在对比分析几种典型密闭机箱优缺点的基础上，详细阐述了一种能在高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境下工作的舰载整体铸造密闭机箱。重点研究了密封材料和密封结构形式，解决了该机箱的密封问题。此外，设计人员采用ANSYS Workbench软件对舰载机箱的模态进行了有限元仿真和分析，结果显示本密闭性舰载机箱具有较好的刚度，满足环境使用要求。

表2 机箱固有频率和振型计算结果表

图5 机箱有限元模型示意图

图6 机箱的一、二阶振型示意图

[1]谢义水. 舰载电子设备的三防设计[J]. 机械工程学报，2007，43（1）：83-86.

[2]吴红光，董洪远，齐强. 舰载武器装备海洋环境适应性研究[J]. 海军航空工程学院学报，2007，22（1）：161-165.

[3]曲晓燕，邓力. 舰载武器海洋环境适应性分析[J]. 舰船电子工程，2011，31（4）：138-142.

[4]刘国维，单兴红. 某舰载雷达密闭机柜设计[J]. 电子机械工程，2000，87（5）：12-14.

[5] 赵培聪. 舰用雷达机柜的现状及发展趋势[J]. 电子机械工程. 2001，89（1）：11-13.

[6]孙海龙，王晓慧. 舰载电子设备三防密封设计技术综述[J]. 装备环境工程，2008，5（5）：49-52.

[7]生建友. 军用电子设备的密封件设计[J]. 舰船电子工程，2005，25（5）：134-137.

[8]王宝瑛，孙燕军. 电子设备密封结构的设计[J]. 机械，2007，34（8）：66-67.

[9]马静静，胥光申. 重要电子设备机箱动态特性分析与试验[J]. 机械，2013，40（6）：26-29.

Structural Design of a Shipborne Air-Tight Case

ZHANG Dengcai，ZHANG Jie，ZHANG Yiping

(The 29th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

A shipborne air-tight cast aluminum alloy case in high temperature, high humidity and high salinity marine environment is introduced on the bases of the comparison analysis of merits and demerits about several typical air-tight case in this paper. The sealing principle, sealing material and sealing structural form are researched. The sealing problem of the case is solved. The finite element model of the case is established and the first five natural frequency and vibration modes are calculated with ANSYS workbench software. It is shown that the case has sufficient rigidity and strength to satisfy the design demand.

air-tight case；structural design；modal analysis

TB42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.015

1006－0316 (2018) 12－0053－04

2018－05－14

张登材（1973－），男，重庆人，工学硕士，高级工程师，主要从事电子设备结构设计与研究工作。