基于ANSYS Workbench的某航空电子设备结构设计

摘 要：随着航空技术的不断发展，航空电子设备的复杂程度越来越高，对电子设备结构设计的要求也越来越高。合理的结构设计直接影响着现代航空电子设备的性能发挥，保证其能在各种环境条件下发挥最佳性能。ANSYS Workbench软件为电子设备结构设计提供了丰富的仿真工具，能够高效、快捷地对电子设备结构进行力学分析和热设计仿真，验证结构设计的合理性，为电子设备结构优化设计提供指导。

关键词：航空电子设备；结构设计；ANSYS Workbench；力学仿真；热仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）14-0168-05

Structure Design of an Avionics Based on ANSYS Workbench

MENG Wei

（The 20th Institute of CETC， Xi'an 710068， China）

Abstract： With the continuous development of aviation technology， the complexity of avionics becomes higher and higher， and the requirements of structure design is also increasing. A good structure design can directly affect the performance of modern avionics， and ensure its best performance under various environmental conditions. ANSYS Workbench software provides kinds of simulation tools for avionics structure design， which can perform mechanical analysis and thermal design simulation efficiently and quickly. And it verifies the rationality of structure design and provides guidance for the structure optimization design of avionics.

Keywords： avionics; structure design; ANSYS Workbench; mechanical simulation; thermal simulation

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.034

0 引 言

现代航空领域评价一架飞机性能时，不再只关注其气动特性和发动机特性，航空电子设备的性能也变得越来越重要，当前大多数飞机的航空电子设备在飞机总体制造成本中的占比已经超过了30%，少数具备特殊功能的飞机能超过50%，航空电子设备的升级也直接改善和提高了飞机整体性能水平，成为航空领域发展重点研究的方向之一[1]。

电子设备性能分为电气性能和结构性能两部分[2]。结构性能是电气性能的直接承载，是电子设备在各种复杂环境条件下能稳定工作的重要保证。

本文针对某航空电子设备，根据其设备组成、使用环境等，依据相关行业标准进行结构设计，并借助ANSYS Workbench平台对设计结果进行力学分析以及热设计仿真，验证其结构设计的合理性。

1 外形尺寸

早期飞机上配备的电子设备较少，因此电子设备在设计外形尺寸时采用按需设计的原则，尺寸外形各异，互换性差。随着电子技术的发展以及航空技术升级的需求，飞机上各种功能先进的电子设备逐渐增多，对空间分配及互换性提出了新的要求，因此全球各系统厂及设备厂均展开了标准化系列化的研究工作。

美国是航空电子设备发展较早并且较成熟的国家之一。美国航空无线电公司先后发布了外形尺寸代号为“ATR”（ARINC404）以及“MCU”（ARINC600）行业标准，美国军方也发布了外形尺寸代号为“LRU”和“LRM”的军用标准，这几种外形尺寸系列在全球范围内都有广泛的应用，特别是在以欧美为代表的民用航空领域占据绝对的主导优势[3]。

苏联也发布了“航空无线电电子组装机箱”国家标准，兼容了美国“ATR”机箱标准，并进行了扩充。

我国航空电子设备发展起步较晚，早期主要引用美国“ATR”和“MCU”尺寸系列标准，后经过自主发展，先后制定了“机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸（GJB441）”以及“机载电子设备机箱和安装架通用规范（GJB779）”等一系列标准，弥补了相关领域的技术空白，但在民用航空领域，依然遵循美国“ATR”和“MCU”尺寸系列标准[4]。

参考上述各行业标准，根据设备内部组成，并结合设备的使用平台以及对原有设备的原位互换性，该电子设备采用符合ARINC600标准的2MCU外形尺寸标准机箱，即57.2 （±0.5） mm×318 （±1） mm×194 （-1～

0） mm。

2 结构形式

2.1 整机结构

航空电子设备通常具有体积小、器件多以及热量相对集中的特点，因此良好的结构设计对航空电子设备特别重要。一般的，航空电子设备主要有拼接式、框架式和插箱式[5-7]三种结构形式：

1）拼接式结构是目前应用最广的形式，机箱内部的模块、印制板等合理分布，利用螺钉固定在机箱侧板上，各模块之间利用线缆连接。拼接式结构形式简单，当设备需要维修时，只需要取掉相应的侧板，断开连接线缆就可以将所需模块取掉，对其他部分不产生影响，整体维修性好，加工工艺简单。

2）框架式也叫串糖葫芦，即将各模块通过螺钉层层串联起来，其内部各模块之间多通过连接器直接对插进行数据交换。框架式结构机箱具有良好的散热性能，各模块散热器件均能直接与各自的结构框架相接触，利于热量的快速导出。但框架式电子设备进行维修时，需要将整机紧固件松开，单独取出需要维修或更换的模块，对整机密封性能要求较高。同时，模块之间的对插式设计，对尺寸精度要求较高，整体制造工艺相对复杂。

3）插箱式结构是最新发展起来的一种结构形式，它以标准化、系列化为设计原则。机箱内部模块采用拔插式结构设计，通过起拔器及锁紧条安装固定于机箱内部，各模块之间通过机箱内部的母板进行数据交换，模块与母板之间多为盲插式设计。插箱式结构内部模块通用性强，当发生故障时只需要拔掉故障模块，插入正常模块即可完成维修。相比于其他结构形式，插箱式结构对内部各模块与母板之间的配合度要求较高。

2.2 前面板形式

通常情况下航空电子设备连接器置于后面板上，与安装托架直接对插或通多线缆直接连接，前面板除指示灯以及必要的功能按钮外，不允许布置任何连接器，以提高设备面板的简洁性，减少设备舱内线缆交错。

航空电子设备前面板一般有平板式和阶梯式两种形式：

1）平板式即面板整体平整，通常由一块金属板直接铣切或钣金加工成型，制造工艺简单，但没有充分利用机内空间。

2）阶梯式可以充分利用机上空间，在满足标准规定的条件下允许前面板有所凸出，增大设备的可用空间。ARINC600规定前面板允许凸出63.5 mm [8]。

2.3 把手形式

把手是航空电子设备不可缺少的结构件之一。把手不仅可以在设备转运时为搬运人员提供支撑，同时在电子设备安装及拆卸时，工作人员可以通过把手施加力量。因此把手应具有足够的刚度和强度。把手根据其结构形式可以分为固定式和折叠式两种：

1）固定式把手为最常用的把手，结构形式简单，通用性强，不受产品限制，在满足安装尺寸的前提下，可在任何产品之间互换安装。但固定式把手所占空间较大，不适用于空间尺寸受限的地方。

2）折叠式把手解决了空间限制，使用时将把手拉出，使用完成后将把手收回，多用在阶梯式面板结构上，把手藏于阶梯式面板下方位置，不占用额外空间，但其结构形式复杂。

2.4 前紧定钩

当航空电子设备被安装到托架上时，为了保证设备安装的可靠性，在飞机振动条件下航空电子设备与托架之间不发生相对位置变化，通常利用托架上的前锁紧装置与设备前面板所带的前紧定钩配合锁紧。前紧定钩是航空电子设备上的主要受力结构，受飞机振动、冲击等各种外力，因此前紧定钩应具有足够的强度和刚度，一般情况下，前紧定钩多选用优质合金钢。此外，为保证前紧定钩与托架前锁紧装置的配合，以及通用性和互换性，各航空电子设备设计标准都对前紧定钩的外形尺寸做了规定。

对于2MCU外形尺寸的机箱，ARINC600规定前紧定钩只需要安装一个，位于前面板下部中心位置，与前面板下沿齐平，采用沉头螺钉安装。

2.5 后面板

后面板用于安装航空电子设备专用的矩形连接器，常用的有美国的DP型连接器、600型连接器以及我国的J16型矩形连接器，其中在民用航空电子设备领域，600型矩形连接器是应用范围最广的。后面板安装的连接器直接与托架上安装的插座对接，完全对插后后面板与托架之间的间隙很小，因此，为了不影响连接器的对插，保证电性能的稳定性，后面板不允许有过高的突出物，ARINC600规定后面板用于安装固定矩形连接器的螺钉不宜高出后面板2.5 mm。

3 散热方式

航空电子设备机箱根据散热形式可分为密闭式和开放式两种形式[9-10]：

1）密闭式机箱多用于功耗较小的设备，自然散热，设备内部热量传递到壳体后，通过机箱表面与外部空间进行热量交换。为提高散热效率，密闭式机箱侧板多设计有散热槽或散热翅片，以增大散热面积。

2）开放式机箱多为强迫风冷散热，对功耗较高的设备，自然散热无法满足其散热需求，需要额外的冷却介质加强散热，开放式机箱进风口一般位于机箱底部，出风口位于机箱顶部，机箱内部根据各模块尺寸及功耗设计专门的风道，冷空气从电子设备托架底部的送风口送入，由设备底部进风口进入设备内部，按照预先设计的风道流动，将功耗设备的热量带走后从顶部出口流出。

ARINC600标准严格规定了开放式机箱进出分口的分布区域，且进出风口通风小孔直径应小于4 mm，以防有异物落入设备内部。

4 样机设计

依据ARINC600标准规定，2MCU标准机箱电子设备采用自然冷却时，整机热耗不允许超过10 W，当采用强制风冷散热时，整机热耗不允许超过50 W。

该电子设备共包含三个模块，其中电源模块热耗10 W，处理板模块热耗20 W，射频模块热耗10 W，设备总热耗为40 W，因此应采用强制风冷散热。

依据上述设计思路，利用三维建模软件UG进行模型设计，该电子设备样机三维模型如图1所示。

5 力学分析

航空电子设备一般安装于机上设备舱内，设备舱一般位于客舱、货舱或者驾驶舱下部，当飞机发动机启动、起飞、着陆甚至正常飞行中遇到气流扰动，都会使设备舱内的电子设备产生振动。电子设备的机箱结构应能保证电子设备在各种振动条件下正常工作，不出现变形、断裂等损伤。

按照机载设备环境条件规定，标准振动条件如表1所示。

ANSYS Workbench提供了完整的结构静力学及动力学仿真工具，能够满足各种工况下的结构力学仿真分析。在进行力学仿真前需要对三维模型进行简化，去掉对力学仿真结果影响不大的螺钉孔、圆角、密封槽等细节特征，既能减少网格划分数量，提高网格质量，还能缩短计算时间，提高效率[11]。

将上述条件添加到ANSYS Workbench中进行受力分析，得到设备应力分布如图2、图3及图4所示。

从上述仿真结果可以看出，在规定振动条件下，设备垂向所受应力最大为14 MPa，远小于铝合金材料许用强度，整机结构强度满足要求。

6 热设计分析

飞机可以在一天时间内从热带地区飞到寒带地区，也可以在几分钟内从地面爬升到几千米高度，机上航空电子设备需要适应不同的环境温度，保证各项功能正常。

ANSYS Workbench提供了电子产品散热仿真的专业工具Icepak。与其他热仿真软件相比，Icepak具有界面友好、易上手的特点，对电子设备机箱散热仿真有很强的针对性，能够帮助设计人员高效、便捷地对电子设备进行热仿真及优化设计。与力学仿真类似的，Icepak在进行热仿真前，也需要多三维模型进行简化，除了去掉一些对热仿真结果影响不大的特征如安装孔、圆角、密封槽外，Icepak还提供了专门的简化模块，用于对进出风口开孔特征、风扇等进行简化，以提高网格划分质量，缩短计算时间[12]。

按照使用环境要求，当环境最高温度为50 ℃，机架所供冷空气温度为40 ℃，且冷空气流量不超过8.8 kg/H时，设备应能正常工作。将上述热仿真条件在Icepak中进行设置，并增加三个温度监测点，监测设备内三个模块的温度变化，经仿真计算所得结果如图5至图9所示。

从图5、图6可以看出，整个计算过程收敛，内部模块温度随时间趋于平稳，计算结果有效。

从图7、图8和图9可以看出电源模块最高温度为56.4 ℃，信号处理模块最高温度为67.1 ℃，射频模块最高温度为52.7 ℃，均低于模块许用温度85 ℃。因此，该电子设备整机结构热设计满足使用要求。

7 结 论

航空电子设备结构设计应遵循相关行业标准，满足标准化系列化设计趋势，提高设备的互换性、通用性能力。振动设计和热设计作为航空电子设备结构设计的重要方面，是电子设备可靠工作的重要保证，借助ANSYS Workbench多物理场仿真平台，可以对结构力学性能和热性能进行仿真计算，验证结构设计的合理性，为结构优化设计提供依据。

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作者简介：孟玮（1990—），男，汉族，陕西榆林人，工程师，硕士研究生，研究方向：电子机械。

收稿日期：2024-05-17