一种电子装备结构优化设计方法与流程

本发明属于电子装备领域，具体涉及高密度复杂机载机箱电子装备的结构优化设计方法。
背景技术：
：电子装备的机箱是把装备内部各种电子元器件或机械零部件组装成为整体，并使其免除各种复杂环境的影响和干扰、确保电性能的基础结构。作为应用于高新技术产品的现代军用电子装备的机箱，不但要满足装备的功能需要，而且要满足装备的环境需求。一个设计精良的电子机箱，可以使装备经受较强的振动冲击和电磁干扰以及较为恶劣的气候条件，是提高现代化电子装备可靠性的基础。航天电子装备与普通商用电子装备有着很大的不同。由于其应用环境极为恶劣，在机箱结构设计上必须采用一系列的加固措施，尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造成的影响。电子装备结构设计的目的是为安装在它内部的电子元件和组件提供一个良好的、能够抵抗外界恶劣条件的微环境，抗振缓冲设计、热控制设计及电磁兼容设计便是其中的关键技术。随着电子装备多学科问题的不断提出和重视，使得电子装备的多场耦合问题也不断地成为研究和设计的重点，以使电子装备在整体上取得更高的性能指标，更好地适应在使用中遇到的各种复杂、苛刻的环境。对于多场耦合问题，国外对此早已在多个领域开始了研究，并取得了很多有价值的成果。如，采用边界元法研究耦合接触问题；研究电子装备中不同电磁场之间的耦合问题；采用域内网格匹配法的流-固耦合问题等。近年来，针对多场耦合问题还组织了多次国际性的会议，如2005和2007年欧盟计算数学及其应用学会举办了耦合问题(CoupledProblems)的国际会议；德国斯图加特大学也举办过三次同样主题的国际会议；国际区域分解法学会也已经举办过17届相关专题的多场耦合问题求解方法的国际会议。国内对多场耦合问题的研究起步较晚，发展的也相对较慢。有相当一部分文献是对国外成果的总结和综述，虽然未能提出新的成果，却可以让更多国内的研究者对多场耦合的国际进展有个明确的了解。例如，流-固耦合研究进展；热电材料多场耦合综述及振动系统机电耦合研究综述等。随着国内对多场耦合问题的不断重视和研究，也取得了一些可观的成果，并不断向国际水平接轨。例如，利用有限元方法研究热-结构耦合模型；研究了压电复合材料的热-结构耦合问题，压电复合材料由于航空航天的应用使得对其研究和应用取得了很大的成果；还有研究MEMS中的多场耦合问题等等。国内对多场耦合问题的研究也重视多方、多层次的合作与交流，除了积极参加相关国际会议进行学习和交流外，还组织了许多多场耦合问题的学术会议和研讨会。目前，在国内外耦合问题的求解基本上有三种方法：(1)域消除法：使用积分变换或模态缩减法以消除一个或几个域，余下的域则用集成求解法，这里的域可以理解为不同的物理场。(2)集成解法：在一个时间步内同时求解所有耦合物理场的控制方程。(3)分区算法：分区算法是把各个耦合域模型作为一个独立的实体进行计算的，域间的相互关系可通过数据进行传递。分区算法在某些耦合求解方面应用的比较广泛。目前，常用于耦合研究的场主要有电场、磁场、位移场、温度场和流场等，它们之间也有着一定的复杂的耦合关系存在。虽然国内外学者和组织对多场(或多学科)耦合问题已经取得了很多的成果，但大多局限于一定的领域，如控制系统的机电耦合问题或者传统的热结构，流体结构等问题。还不具备广泛的适用性。另外，对电子装备机箱类结构的多场耦合问题很少有学者做系统的研究。机箱类结构的振动、散热及电磁屏蔽等问题有其自身的特点，解决这些问题对提高电子装备机箱类结构的整体性能有着重要的意义。机箱类结构作为电子系统的载体，其整体性能的大幅提高不仅能够促进国防及航空航天事业的发展，还能减少电子装备对环境和人体产生次生污染，节省能源消耗。因此，电子装备机箱类结构的多学科、多场耦合问题值得进行深入系统的研究和应用。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种电子装备结构优化设计方法，该方法能够针对机箱类结构的振动、散热等问题有其自身的特点，提高电子装备机箱类结构的整体性能。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。一种电子装备结构优化设计方法，包括下述步骤：(1)根据电子装备的结构参数和尺寸，用三维造型软件pro/e建立电子装备模型；(2)用Workbench分析软件读取建立好的电子装备模型，并用Workbench分析软件中的Geometry模块对电子装备模型的结构参数进行重新建模，得到优化结构参数，并且实时输出更新后的优化模型；(3)根据电子装备的初始工作环境和热参数，在Icepak热仿真软件中，设定热分析的热初始条件，对优化模型进行热仿真分析，得到热仿真结果，即电子装备的工作温度；(4)根据电子装备的初始工作条件，在staticstructure结构仿真软件中，设定结构分析的结构初始条件，将热仿真分析结果中的电子装备的工作温度施加到优化模型结构上进行热-结构耦合仿真分析，得到热-结构耦合仿真结果，即电子装备的结构热变形；(5)建立电子装备的数学优化模型，分别将步骤(3)得到的电子装备的工作温度和步骤(4)得到的电子装备的结构热变形输入到优化数学模型中；(6)如果电子装备的工作温度和结构热变形f均小于电子装备的结构最大热变形Def和电子装备最高温度Tmax，则确定该结构的电子装备设计合理；否则，调整电子装备的优化结构参数和热参数，重复步骤(2)－(6)，直至满足要求。进一步，所述步骤(1)中，电子装备的结构参数包括冷板中的导流板长度，所述热参数包括流过冷板的冷却液的流速。进一步，所述步骤(5)中，建立电子装备的数学优化模型为：式中，f为步骤(3)和步骤(4)中仿真得到的电子装备的工作温度Tmax和电子装备的结构热变形Def，L1、L2、L3...分别为电子装备中各个导流板的长，v为流过导流板的冷却液的流速，Def为电子装备结构最大热变形，Tmax为电子装备的最高温度。进一步，所述步骤(2)中，得到优化结构参数为L1、L2、L3...，即为电子装备中各个导流板的长。进一步，所述步骤(3)中，热初始条件包括环境温度、冷却液材料的设定、电子装备的功耗、冷却液入口温度和冷却液流速。进一步，所述步骤(4)中，结构初始条件包括电子装备的温度场、约束、载荷和设定接触。进一步，所述步骤(6)中，调整电子装备的优化结构参数和热参数，在步骤(2)中采用序列二次优化算法进行对结构参数进行优化，得到优化结构参数。本发明的有益效果在于：1)本发明为以机箱为对象的研究提供了一种简单明了的优化方法，在考虑结构的基础上，加入了热对结构的影响，相对于传统的单优化结构的方式，更能反映机箱在工作中的情况，该优化结果更准确，保证机箱在恶劣服役环境下的性能稳定性。2)本发明的电子装备结构设计优化的方法，由于在Workbench分析软件中输出了实时更新的模型，所以可以直接对更新后的模型进行验证，并且可以对更新后的模型进行其他学科的计算，比如电场、磁场的计算。3)本发明的电子装备结构优化的方法，其结构中优化了冷板结构，能更好的通过热传导方式，利用冷板中的液体把模块器件的热量带走，降低了由于高密度集成带来温度过高导致机箱性能降低或失效的弊端。4)本发明的电子装备结构优化的方法，集成的都是常用软件，结构分析是staticstructure，热分析是ICEPAk，具有很强的实用性。本发明用于在结构-热两场相互影响情况下机箱的设计，以实现多物理场耦合仿真优化设计，并实现在优化过程中，对建模仿真研究的指标的考核，对实际工程具有指导意义。附图说明图1为本发明流程框图；图2为冷板流道模型；图3为电子装备结构参数的敏感度图；图4为电子装备结构参数的对于热变形的敏感度曲线；图5为电子装备结构参数对应变形的迭代值分布；图6为电子装备冷却液流速对应变形的迭代值分布；图7为电子装备冷却液流速对应温度的迭代值分布；图8为电子装备冷板参数对应温度的迭代值分布。具体实施方式下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。如图1所示，本发明的电子装备结构优化设计方法，包括下述步骤：(1)根据电子装备的结构参数和尺寸，用三维造型软件pro/e建立电子装备模型；电子装备的结构参数包括冷板中的导流板长度，所述热参数包括流过冷板的冷却液的流速。(2)用Workbench分析软件读取建立好的电子装备模型，并用Workbench分析软件中的Geometry模块对电子装备模型的结构参数进行重新建模，采用ISIGHT优化软件提供的序列二次优化算法进行对结构参数进行优化，得到优化结构参数；并且实时输出更新后的优化模型。(3)根据电子装备的初始工作环境和热参数，在ICEPAK热仿真软件中，设定热分析的热初始条件，热初始条件包括环境温度、冷却液材料的设定、电子装备的功耗、冷却液入口温度和冷却液流速。对优化模型进行热仿真分析，得到热仿真结果，即电子装备的工作温度。(4)根据电子装备的初始工作条件，在staticstructure结构仿真软件中，设定结构分析的结构初始条件，结构初始条件包括电子装备的温度场、约束、载荷和设定接触。将热仿真分析结果中的电子装备的工作温度施加到优化模型结构上进行热-结构耦合仿真分析，得到热-结构耦合仿真结果，即电子装备的结构热变形。(5)建立电子装备的数学优化模型如下：式中，f为步骤(3)和步骤(4)中仿真得到的电子装备的工作温度Tmax和电子装备的结构热变形Def，L1、L2、L3...分别为电子装备中各个导流板的长(即为步骤(2)得到的优化结构参数)，v为流过导流板的冷却液的流速，Def为电子装备结构最大热变形，Tmax为电子装备的最高温度。分别将步骤(3)得到的电子装备的工作温度和步骤(4)得到的电子装备的结构热变形输入到优化数学模型中。(6)如果电子装备的工作温度和结构热变形f均小于电子装备的结构最大热变形Def和电子装备最高温度Tmax，则确定该结构的电子装备设计合理；否则，调整电子装备的优化结构参数和热参数，重复步骤(2)－(6)，直至满足要求。本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：运用ISIGHT优化软件，对设定好的冷板结构参数进行优化，冷板结构参数设定为导流板的长度，并且将最大温度和最大结构变形作为约束条件，建立优化模型，整体的机箱质量作为优化目标，建立优化模型：式中，L1、L2、L3...为冷板流道各个导流板的长，v为冷却液的流速，Def为变形。Tmax为最高温度。在考虑结构热两个学科同时作用下，仿真对象结果的情况，即要考虑结构本身的性能，又要考虑热对结构的影响，即热变形后，结构的性能如何。考虑模型的结构参数发生改变时如何进行优化。具体方案流程如图1所示。在Workbench分析软件中，调用Geometry模块，导入外部机箱模型并对机箱冷板进行参数化建模，对冷板的导流板的长度进行参数化，冷板参数化位置如图2所示为Geometry模块中冷板流道模型。对参数化的模型进行优化仿真计算。调用ICEPAK对模型进行热仿真分析，以某机载的机箱为对象，因为ICEPAk是专门做机箱电子散热的软件，软件支持电子机箱专有的PCB板，也有散热形式为风冷的风扇，液冷的opening开口，以及流体材料。后处理功能也很强大。完整的ProE模型很复杂，有各种倒角、螺栓等细节，出于对计算机计算能力的考虑，对模型进行简化，模型的简化在Workbench平台下的Geometry模块中进行，可以通过Geometry中对电子设备专用的简化工具Simplify来进行简化，模型的简化将模型中的倒角，螺纹，各种连接孔进行去除和删减，使其尽量化为规则的几何模型。对机箱的侧板进行简化，将其转化为一个规则体，除去加强筋和减重槽等细节，这样在ICEPAk中能够划分出优良的网格。并且将不规则的几何模型切分成规则的几何模型，使能够划分出贴体的有限元网格。将外部模型导入到ICEPAk中进行热仿真分析，需要对模型进行识别，但是在ICEPAk中实现这个功能不是很方便，因为在ICEPAk中不容易实现对模型部件的选取和选中，而在Workbench进行处理更容易实现。将模型导入到Workbench平台下的Geometry模块中进行识别，将模块中的印刷电路板识别为ICEPAk专有的PCB，从而能够对其进行PCB板功耗、材料的设置，能够比较精确的模拟PCB实际散热情况。在模块与冷板通过创建概念面，设置厚度为1毫米，并且将其识别为热阻，来模拟导热硅脂。而对于其他的部件，则识别为ICEPAk的认可的block单元，从而在导入到ICEPAk时可以直接对其进行设置。因为机箱为液冷机箱，所以需要在Geometry中，需要将流道用材料为液体的block块进行填充，用fill操作将流道填充。这样在ICEPAk中将填充的材料设置为流体，就可以模拟流道中的液体。而流体材料的填充需要在一个封闭空间中，选中包含流道的所有部件，然后用fill对其进行填充。在模型简化与识别完后，通过Geometry和ICEPAk的无缝连接，将模型导入到ICEPAk中进行热分析。在ICEPAk中进行材料参数的设置，材料分为结构材料、流体材料，导热硅脂以及PCB材料，在Geometry中已经将模块中的印刷电路板识别为ICEPAk特色的PCB板，可以对其进行PCB板功耗，材料的设置，能够比较精确的模拟PCB实际散热情况。设置流体材料为乙二醇(64％)和水(34％)混合物。网格划分的好坏在一定程度上决定了计算的精确度。仿真对象选取的模型有上下两个冷板、流体材料很不规则，所以对其设置多级网格划分，设置级数为3，采用mesh-HD方法进行网格划分，设置三个方向上的最大网格数为计算区域的四十分之一。在ICEPAk中对网格进行处理可以大大减少网格数量，提高计算效率：对于复杂模型，适当切分后，划分非连续性网格，因为ICEPAk采用的计算方法是有限容积法，对计算区域内所有空间都划分网格，将模型所在的空间位置以及空气划分成两个区域的网格，这两个区域的网格密度不相同，空气部分网格密度稀疏，这样的处理能大大减少网格的数量。在模块与冷板的接触位置处设置导热硅脂。因为机箱整体外部轮廓是个不规则的形状，而流道的入液口和出液口又在整体轮廓内部，同时建立模拟开口的Opening部件来实现液体从计算区域外部进入到内部。为了解决此问题，在入液口和出液口处建立了流道壁和流体材料，使其能够直接和计算区域边界上的Opening部件相连。入口温度设置为35℃，流速初始值设置为2m/s。流道壁设置材料为绝热。因热分析模型是从ProE模型导入得到，其中包含有很多异形CAD体，采用mesh-HD方式进行划分网格，设置多级网格划分，允许划分非连续性网格。在基本设置中设置为求解流体的流速、压力和温度值。因是强迫液冷，辐射散热可忽略不计，所以关闭辐射计算。液体雷诺数和迪利客来数为分别为5049.57和3577.65，所以为湍流模式。设置迭代步数为200步，以便于让其充分收敛，然后对模型进行热仿真求解。在Workbench平台下调用StaticStructure，将ICEPAk中的温度导入Workbench平台，通过无缝接口转为温度载荷施加到静力分析模块StaticStructure上。温度场信息耦合到结构上时，在结构中划分温度场的网格，将温度场映射到结构上，以便于进行下一步的结构力学分析。当温度场载荷施加到结构上后，对结构模型施加约束、载荷进行结构上的仿真计算。Isight对结构-热进行联合优化，结构-热所用的软件是Workbench，即在Workbench中对结构和热一并计算，并将热软件计算出来的温度是加到结构上计算热变形。采用序列二次优化算法对整个结构进行优化。以冷板流道导流板的长度为设计变量，以温度、变形、应力最小为目标，对冷板进行优化。分析整体散热效果、以及机箱壳体热变形对每个导流板或相邻导流板长度的敏感度，最后通过优化得到最佳的结构参数。通过分析计算可得不同设计点相对于优化目标的敏感度，各个设计变量对于优化变量的敏感度结果如图3、4所示。优化过程中，参数对应得优化目标迭代过程如图5-8所示；优化后各设计变量与目标值如表1所示。表1优化后各设计变量与目标值变量L1L3L5L7L9L11L13vDefTmax优化前212121212121213710.003优化后22.78721.9521.32418.0819.11318.61818.6785590.001从结果可看出，在优化之前，机箱整体最大温度值为71度，而优化之后温度由71度降到了59度，而对应的变形和热应力也变小了。优化效果明显。本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3