军用机载通信设备机箱结构设计技术

军用机载通信设备机箱结构设计技术

【摘要】本文内容为军用机载通信设备机箱的结构设计技术，概括地介绍了机箱的种类及其特点，并对不同种类机箱的结构设计要点进行梳理。由于军用机载设备的工作环境、设备组成形式等方面具有自身的特点，以机箱结构设计、热设计、隔振设计、电磁兼容设计和三防设计作为切入点，可以对机箱的设计的独特之处阐述说明。本文所述的研究内容，可以为同类设备机箱的结构设计提供成熟的设计成果及经验。

【关键词】军用设备；机载通信设备；机箱结构设计

1.引言

机载通信电子设备一般为独立设备，是机载电子系统中重要的组成部分。军用设备通常在非常恶劣的环境下服役，工作环境、使用要求和用户要求比其他电子设备更为严苛，因此，其结构设计要求具有特殊性。

为适应现代战争作战要求，机载平台通信系统一直维持高科技化的发展，对军用机载通信电子设备要求越来越高。对于机箱结构设计需要满足多功能、高性能、高可靠性、小型轻量化、通用化、维修快速化等要求。军用通信设备研制周期短，产品变化多，往往是电路设计、结构设计同时并行，多专业同时协调优化设计，以成熟可靠的机箱设计技术为基础，才能实现高效率、高品质的产品设计。

2.设计要求

军用机载通信设备的环境条件是用户根据GJB 150A、GJB 367A或HB 5830系列标准，结合设备的实际使用、运输、贮存环境制定的。

机箱的结构设计，首先应满足工作环境以及技术指标要求：

1）机箱的结构设计方案应简捷，且细节设计到位。零部件加工工艺性良好，机箱具有良好的操作维修性，便于装配、调试、使用、维修。机箱的内部走线工整，牢固。

2）机箱的模块化设计程度高，继承性高。结构设计应尽量采用通用件、标准件。

3）机箱的结构设计方案应充分考虑散热，对于功率放大器件等热耗大的器件，应在方案设计阶段阐明采取的热设计措施。

4）机箱应具有足够的刚强度，能适应搬运和运输过程中的振动环境，机载通信设备在飞机行驶中的振动环境下能正常工作。同时，还应能适应在使用、搬运、装卸和和运输等过程中可能遭受的非重复性冲击。

5）机箱的结构设计应遵循小型化、轻量化要求，采用减重设计。

6）机箱应有电磁兼容性设计。

7）机箱应进行三防设计，保证在气候恶劣的环境下长期服役。

3.机箱结构设计要点

机箱是实现设备技术指标要求的基础，通常也是结构设计的主要对象。通信设备通常为独立的箱壳式机箱，按结构形式可细分为钣金式机箱、铣制机箱、焊接机箱、模块化铝材机箱等。除另有规定外，军用机载电子设备的机箱尺寸其附件应符合GJB 441和GJB 780的规定。

军用机载通信设备通常置于飞机舱内，根据GJB 376A要求，机箱的外观为黑色（无光泽）。设备外观及内部模块都应有标识，名牌安装于设备明显位置，内容清晰、耐久，除非特殊规定，不使用不干胶作为设备名牌。机箱的结构设计应充分考虑“三化”的要求，采用模块化的设计，最大化统一螺纹规格，尽量采用标准件、通用件。机载设备的机箱要求小型化、轻量化设计，结构方案设计阶段需采用减重措施。为满足机箱安全性要求，机箱外观不应有尖锐棱角，外壳的不连续性（盖板、窗口等）应尽可能少，外露器件（接插件等）要有防护措施，前面板安装把手可以在前面板向下放置时能保护面板上的突出器件，外部安装的不连续使用的插座均应装保护罩，前后面板排布要美观合理，设备超过10kg时考虑用双把手，所有紧固件都要有效防松脱，机箱还应有漏电保护措施等。

3.1 钣金结构机箱

钣金结构是军用机载通信设备机箱的常见形式，其结构简洁、规则、对称、重量轻，而且有成本低和便于加工的优点。钣金结构的机箱整体是由折弯零件装配而成，具有良好的刚、强度。结构设计时要注意以下几点：

1）材料选择塑性好的防锈铝，机箱用料厚度一致。

2）折弯内缘半径过小会引起开裂，而过大会产生回弹。应以工艺要求为设计依据，合理设计折弯内径，利用现有的折弯模具加工。

3）考虑钣金零件机械加工的工艺性，如单边折弯高度不宜过小，冲孔落料直接要有安全间距，以及弯边冲孔边距合理等问题。

4）钣金折弯后以弯边为基准的尺寸公差应放至0.3mm较为经济，应合理设计机箱外形、孔位等尺寸的精度，避免公差过高增加不必要的成本。

图1是钣金结构机箱，图2为铣制结构机箱。

3.2 铣制结构机箱

铣制机箱在军用机载通信设备中非常普遍。铣制机箱结构灵活、复杂，突破了其他种类传统机箱的局限性。现代通信设备呈小型化、多功能化、外观时尚化的发展趋势，铣制机箱适应性强，而且机箱铣加工成薄板和加强筋的形式利于增强整体刚度和减重。设计时要注意以下几点：1）铣制机箱螺纹全部属于紧固连接螺纹，应合理布置紧固处的间距，铝合金强度不够时应采用不锈钢螺套来增强螺纹强度。

2）机箱应避免使用沉头、半沉头螺钉，且必有防松脱措施。

3）机箱的零部件设计，应便于加工和装夹，仅在必要时提高精度。

4）机箱外部的门、板应方便拆卸。装配、维修方便，避免使用特制工具。

3.3 焊接结构机箱

焊接机箱框架牢固且刚、强度高，焊接缝强度高于基材的一半。军用设备工作于恶劣的机械环境中，焊接机箱在抗冲击和振动的性能优越。军用机载通信设备机箱的焊接结构常采用真空钎焊，其他种类的焊接也多有应用。焊接机箱结构设计时要注意以下几点：

1）航空铝合金中3A21、5A06、5A05、6061、6063适用于手弧焊、电子束焊、点焊。在真空钎焊炉加热温度不大于800℃的条件下，只有3A21、6063适合用于钎焊（因为钎焊温度低）。2）采用铝合金3A21、6063焊缝致密度较好，但应避免垂直焊缝，焊接面的宽度不小于10mm。焊前用不锈钢或与母材同材质的螺钉紧固被焊零件，螺钉间距20-30mm为宜，精度要求高处采用不锈钢圆柱销定位。

3）机箱采用等厚度的板料焊接，不等厚时应设计过渡区以达到等厚。使用手弧焊主要用V型坡口，板厚度不大于3mm可以不设计坡口。

4）焊后加工会削弱焊缝强度，应避免焊后加工。

图3是焊接结构模块化的机箱，图4为模块化结构机箱。

3.4 模块化机箱设计

模块化设计是军用通信设备的显著特点。欧美有SEM-E、ASAAC标准模块规范等，国内也制定了GJB 1422、HB 7091和HB 7092等针对航空机载电子模块的标准。模块化结构设计=通用模块（大量）+专用模块（少量）+模块连接器。结构设计人员只需注重专用的结构形式和接口设计，而不必从头开始，可以有效简化设计程序，缩短研制周期。

通信电子设备常见的模块划分：电源模块、接口及数据处理、终端模块、信道模块、功率放大模块。模块间的电路互联主要有低频、射频，有时会有光纤等模块化结构设计时要注意以下几点：1）模块的结构设计应是有效的利用空间，尺寸与重量尽量小，一般能够单人手持。

2）模块应是可维修、更换的，并且在正常安装位置或从设备卸下时都能较容易地对其调试测试。模块上应使用快速分离式连接器，分离时不需要使用工具（或只需一般手工工具）。同一模块接插件数量较多时，应考虑到插拔受力。

3）盲插模块需用导向装置和定位销的导向与定位，安装模块时可轻易对准，而且一定要有防插错的措施。盲插模块接插件要有浮动量，对于射频接口浮动量以1.5mm为宜，避免过小或过大。

4）固定模块用的紧固件应容易拆卸，要防止紧固件掉入设备，尽量使用松不脱组合螺钉。

4.结构设计关键技术

4.1 热设计

军用机载电子设备热设计的基本理论和计算方法以及热可靠性分析与鉴定的方法在GJB/Z 27、QJ 1474均有详述。机载通信设备内部的高密度集成电路和功率放大部位热密度很高，散热设计往往是结构设计的关键技术。

设备机箱在方案阶段的设计方法，多数借助数值传热学仿真技术模拟热环境辅设计。最常用的热分析软件有FLOTHERM和ICEPAK，它们利用计算流体动力学（CFD：Computational Fluid Dynamic）和数值传热学仿真技术来模拟电子设备中的流体流动、热传输以及热辐射（边界条件），并以此计算电子设备周围的流场、温度场、压力场。热分析软件的瞬态分析计算量非常大，因此绝大多采用稳态的分析的方法，而且允许有较大（30%左右）的误差。

军用机载通信设备的工作环境温度，以技术协议为依据，温度范围可达-50℃～+75℃。不少设备考虑占空比的因素后，平均热功率仍不少于200W，机箱强迫风冷散热方式被普遍采用。机箱的热设计设计时要注意以下几点：

1）冷却空气的入口应远离其他设备热空气的出口。

2）机箱结构设计时应考虑机箱内的热耗分布，为机箱内部单元设计传热、散热的途径，必要时采用热绝缘或热屏蔽措施。功放管等器件热耗突出，在机箱热设计中要着重分析。