公務(wù)員期刊網(wǎng) 論文中心 正文

設(shè)計艦船指控設(shè)備機械結(jié)構(gòu)論文

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了設(shè)計艦船指控設(shè)備機械結(jié)構(gòu)論文范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

設(shè)計艦船指控設(shè)備機械結(jié)構(gòu)論文

1艦船電子設(shè)備的基本要求

符合人機工程學(xué)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,是最近十幾年來所大力提倡的;人機工程學(xué)以人、機、環(huán)境三要素為核心,考慮到工業(yè)造型設(shè)計技術(shù)和藝術(shù),美觀、大方、適用、實用是始終追求的目標。

2艦船指控設(shè)備結(jié)構(gòu)型式的演變

自20世紀50年代開始,我國艦船指控設(shè)備完成了由機電指揮儀向數(shù)字化綜合指控設(shè)備的演變,設(shè)備從以模擬計算機為主轉(zhuǎn)變成以微型數(shù)字計算機為主。下面介紹指控設(shè)備上一些主要器件、部件和結(jié)構(gòu)型式的演變。

2.1顯示器的演變

目前,CRT顯示器已被液晶顯示器和LCD顯示器替代。由于工作原理不同,液晶顯示器、LCD顯示器與CRT顯示器有明顯的性能差異,較圓滿地解決了CRT顯示器無法克服的在體積、重量、功耗、環(huán)保和電磁輻射等方面的缺點。

2.2計算機的演變

早期艦船用計算機的結(jié)構(gòu)形式是:各插件模塊通過槽口固定于開放式插件框架中,自帶的楔形鎖緊裝置與槽口兩側(cè)壁緊固,其后部的電連接器通過盲插方式與印制大底板上的電連接器鏈接,大底板上的輸入輸出信號通過專用的轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接?,F(xiàn)在取而代之的是全密封、全加固的抗惡劣環(huán)境加固機,不僅體積小、重量輕,而且具有良好的抗振、散熱、電磁防護能力。

2.3功能部件的演變

鼠標、鍵盤、觸摸屏等通用的功能逐漸被集成為全加固模塊,通過預(yù)留接口與外部設(shè)備聯(lián)系。尺寸被嚴格定義,實現(xiàn)了模塊標準化、通用化設(shè)計。這類模塊多采用整體設(shè)計和加工工藝,如真空釬焊、整體鑄造和整體機加等,具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,既能減輕重量,又保證模塊有良好的適應(yīng)性。

2.4整機結(jié)構(gòu)型式的演變

顯示器、計算機和功能模塊的進步,導(dǎo)致了整機在重量、體積上都有了大幅度的下降,造型變得更加時尚、美觀。由于各類模塊標準化、通用化的實現(xiàn),整機設(shè)計變得快捷、方便,在爭取任務(wù)和任務(wù)立項時,根據(jù)特定的需求,短時間內(nèi)可提供初步的技術(shù)方案,確定外形尺寸和重量等指標。表1給出了不同時期指控設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式。

3幾個關(guān)鍵技術(shù)問題的現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,指控設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容發(fā)生了較大的變化,不再有非線性齒輪、劈錐、傳動鏈這類復(fù)雜結(jié)構(gòu),剩下的是臺、柜造型、面板設(shè)計、殼體鑄造等。臺、柜、箱及其各層次設(shè)備已實現(xiàn)標準化、通用化和系列化。整機內(nèi)部小到插件模塊、通用模塊、專用模塊,大到顯示器、計算機都實現(xiàn)了全加固設(shè)計,并通過嚴格的應(yīng)力篩選試驗,整機必須按國軍標要求參加例行試驗,通過抗振、散熱和電磁兼容能力測試。結(jié)構(gòu)設(shè)計及其可靠性測試方法和手段逐漸成熟,但也存在一些問題。

3.1隔振減振設(shè)計

隔振減振設(shè)計主要還是遵循傳統(tǒng)的方法進行,以定性設(shè)計為主。即,對結(jié)構(gòu)件做個初步的靜力分析后,再根據(jù)使用環(huán)境和經(jīng)驗乘上一個安全系數(shù),在設(shè)計階段難以充分考慮動態(tài)激勵帶來的影響。設(shè)備的抗振能力主要靠環(huán)境試驗來驗證。這種設(shè)計方法帶來的問題是:

1)由于無法準確把握設(shè)備內(nèi)部重量及分布,臺、柜、箱在設(shè)計上普遍存在剛強度整體有余、局部不足的問題。雖然在振動、沖擊試驗中也能發(fā)現(xiàn)一些問題,諸如在某個頻段振動超標,在哪個頻點共振幅值最大等,但不能具體定位,也不能準確評估共振帶來的影響;

2)設(shè)備的重量和幾何重心的位置,是在總裝完成后靠稱量才能最終確定,所以,通常是選擇具有一定承載范圍的減震器,在使用過程中需對承載量進行調(diào)節(jié),給用戶帶來一定的麻煩。

3.2熱設(shè)計

現(xiàn)役的指控設(shè)備從機箱到臺、柜基本上還是通過風(fēng)機散熱,這是目前主流散熱方式。對于發(fā)熱量大的模塊,如加固機,除了要解決自身的散熱問題,還在臺、柜內(nèi)部設(shè)計專用風(fēng)道,保證熱量快速排除。其弊病是會造成電磁干擾且噪聲較大;20世紀90年代,國外一些潛艇指控設(shè)備開始采用液冷散熱,這種通過泵產(chǎn)生的動力推動密閉裝置中液體的循環(huán)來實現(xiàn)散熱的方式,具有較高的效率,且噪聲較小,缺點是成本較高。近年來,國內(nèi)也開始進行這方面的研究與試驗。由于現(xiàn)行的熱設(shè)計方法不能準確判斷臺、柜內(nèi)部氣流的走向,故無法實現(xiàn)對設(shè)備從芯片到整機實施有效的溫度控制,僅僅是根據(jù)總功耗、單個風(fēng)機的風(fēng)量以及熱源的位置來大略地確定風(fēng)機的數(shù)量和進、出風(fēng)口的位置,散熱效率不高。

3.3電磁兼容設(shè)計

早期的純機械設(shè)備和機電設(shè)備幾乎不要做電磁兼容試驗,然而,隨著軍械電子化程度的迅速提高,越來越多的電路被裝入有限的空間,設(shè)備內(nèi)外電磁信號縱橫交錯、密集重疊,功率分布不均勻;特別是電子戰(zhàn),其基本著眼點就是奪取“制電磁權(quán)”。電磁兼容設(shè)計在現(xiàn)代指控系統(tǒng)中的重要性可見一斑。電磁兼容設(shè)計涉及電器和結(jié)構(gòu)等多個專業(yè),綜合性很強。雖然電磁干擾主要是電子元器件及其分布的問題,但與它們安裝的位置、元器件屏蔽與密封的好壞、材料固有的屏蔽效能等緊密相關(guān)。經(jīng)過多年的研究并結(jié)合試驗,指控設(shè)備的電磁兼容設(shè)計已初具規(guī)模,并制定了一些設(shè)計規(guī)范。但是,由于設(shè)備內(nèi)部安裝的模塊較多,很難直觀地了解內(nèi)部的電磁環(huán)境,一些問題在設(shè)計階段很難被發(fā)現(xiàn)。而電磁兼容檢測試驗又是在設(shè)備出廠、功能調(diào)試完成后根據(jù)要求進行的,這時已到了研制的后期,等發(fā)現(xiàn)了問題,再針對超標項目實施解決方案,通常代價是昂貴的,會增加一些不期望的附加元器件。

4關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢

從上節(jié)中可以看到:

1)指控設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的研制任務(wù)量大、周期長、成本高;

2)隔振減振、散熱、電磁防護等關(guān)鍵技術(shù)的研究進入了瓶頸期,還停留在依靠經(jīng)驗或以往環(huán)境試驗結(jié)果類比、亦或有限的公式估算上。置身于21世紀,這種設(shè)計方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代國防對產(chǎn)品快速、可靠、經(jīng)濟的要求。三維設(shè)計技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展與推廣,為這些研究內(nèi)容的突破提供了有力支持。它們與傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法的融合,將有助于提高研制效率,推動機械結(jié)構(gòu)設(shè)計從定性到定性與定量相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。

4.1三維設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)由二維向三維的轉(zhuǎn)變可以說是革命性的,設(shè)計者借助計算機將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為可視的、可修改、可分析的實體模型,為新產(chǎn)品研發(fā)、仿真分析及后續(xù)的演示帶來諸多方便。

1)三維設(shè)計可以直觀地反映整機內(nèi)部各單元的裝配關(guān)系,避免產(chǎn)生干涉等錯誤。

2)三維軟件的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)特別適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件局部特征修改的快速設(shè)計。以機柜殼體為例,對于同一規(guī)格的不同機柜,殼體大部分設(shè)計特征是通用的,不同主要表現(xiàn)為:兩側(cè)壁上橫向加強筋和走線凸臺的高度位置,導(dǎo)銷支架、前橫梁支架安裝位置以及后橫梁的高度位置。如果利用三維軟件參數(shù)化建模工具,在殼體三維模型構(gòu)建過程中使用變量來控制上述特征的位置尺寸和約束關(guān)系,根據(jù)不同的機柜需求編輯這些參數(shù),即可得到具有相似拓撲結(jié)構(gòu)的殼體。

3)隨著艦船裝備量的加大,用戶對設(shè)備的重量提出了嚴格要求。在設(shè)計階段通過指定材質(zhì),可快速預(yù)測出整機的重量,避免了整機裝配完成后再進行減重或配重處理。

4)根據(jù)臺、柜、箱內(nèi)部的重量分布,可較準確地地計算出設(shè)備的幾何重心,并以此為依據(jù)確定隔振器的大小和安裝位置,逐步實現(xiàn)由選擇隔振器到定制隔振器的轉(zhuǎn)變。

5)建立產(chǎn)品常用件、標準件數(shù)據(jù)庫,在新產(chǎn)品設(shè)計時可直接調(diào)用,節(jié)省了人力、物力,避免了重復(fù)勞動。

6)仿真分析和演示系統(tǒng)需要三維模型的支持。以仿真為例,在國外設(shè)計和分析通常分屬不同的部門,設(shè)計者考慮的是功能的實現(xiàn),分析人員則是負責對設(shè)計的合理性和準確性做出評估。有了三維模型,分析人員可直接在三維模型上進行簡化,開展分析,保證設(shè)計與仿真同步進行。

4.2基于仿真分析的隔振減振設(shè)計

仿真技術(shù)的引入,在方案論證階段有助于快速了解整機的振動特性以及對外載的響應(yīng)情況,為決策提供支持;在設(shè)計過程中能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié),盡量做到結(jié)構(gòu)合理、加工量少、材料利用率高,在保證抗振能力的前提下,實現(xiàn)輕量化設(shè)計。國內(nèi)很多研究機構(gòu)和高校都開展了這項工作,并取得了良好的效果。應(yīng)用較廣泛的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件有很多,如ANSYS、UGNX、ABAQUS等。建議組織專人開展這項研究,掌握模塊、機箱和整機各層次設(shè)備的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,提高指控設(shè)備機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的競爭力。

4.3基于仿真分析的熱設(shè)計

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,指控設(shè)備集成化程度不斷提高,單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量不斷增加,而有效的散熱面積卻相對減少;一些發(fā)熱量較大的功率器件和組件的熱設(shè)計問題日顯突出。如何有效降低傳熱路徑上的熱阻成為急待解決的問題,這需要可靠性高且工程化強的熱仿真軟件的支持。目前已廣泛應(yīng)用的計算機輔助熱設(shè)計軟件有FLUENT,ANSYS,ICEPAK等。這類軟件可在短時間內(nèi)獲得復(fù)雜熱分析方案的模擬結(jié)果,及時對元器件的布局、傳熱路徑的設(shè)計是否合理做出判斷。

4.4基于仿真分析的電磁兼容設(shè)計

相對抗振和散熱,艦船領(lǐng)域的電磁兼容仿真研究更是鮮見。直到近年才有一些成熟的電磁兼容仿真分析軟件被引入國內(nèi),如SEMCAD、EMC-A、IE3D-SI等,它們從電磁兼容三要素(干擾源、耦合路徑、接收器)出發(fā),與實際工程緊密結(jié)合,通過建立干擾源、接收器與多種傳輸路徑的數(shù)學(xué)模型來模擬傳導(dǎo)、輻射、屏蔽等電磁干擾現(xiàn)象,并提供發(fā)射機和接收機的端口庫、濾波器庫、頻譜信號庫、屏蔽材料庫等,可在研制過程中對板卡、模塊和臺柜等各層次設(shè)備及設(shè)備間的抗干擾設(shè)計做出評估,便于及早發(fā)現(xiàn)問題,減少試驗階段的整改。

5結(jié)束語

由于仿真軟件的局限性和實際設(shè)備的復(fù)雜性,仿真分析與物理試驗之間會存在一定的差異,仍需綜合考慮試驗結(jié)果和設(shè)計者的經(jīng)驗,最終使定量研究的理論成果與經(jīng)驗設(shè)計方法在試驗的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。

作者:董梅 單位:江蘇自動化研究所電子設(shè)備事業(yè)部