电子控制组件结构热设计仿真分析.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：综 述 与 简 介电子控制组件结构热设计仿真分析钟洪（贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，）摘要：电子控制组件产品要经受加速度、冲击、随机振动等环境动力学条件测试，且需要考虑其工作温升。对电子控制组件进行设计时，结构热仿真是有效的评估和优化工具，通过产品的动力学、温升仿真可以得出产品是否满足设计指标，并对不满足指标的设计进行优化，保证产品性能，提高产品一次设计成功率。对某款电子控制组件应用 软件进行了动力学和温度仿真设计，样品经过试验测试证明了仿真的正确性，仿真验证为产品设计提供了有力支撑。关键词：电子控制组件；动力学；温升 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言电子控制组件常用于军工、船舶等领域，在系统中起着控制、传输信号等功能。整机系统常常需要在一些动力学环境下工作比如冲击、加速度、正弦振动、随机振动等，因此电子控制组件也需要能满足这些环境条件。同时电子控制组件在工作时会发热，而电子元件一般最高工作温度不能超过 ，需要对产品在给定工作条件下的温度分布进行分析，以得出最高温度是否超标。本文采用 对电子控制组件进行动力学和温度仿真，其中动力学仿真主要考虑整体的应力分布和加速度分布，应力要求小于材料抗拉强度，随机振动等长时间振动条件下应力要小于抗拉强度的 以满足疲劳指标要求，电子控制组件中的连接器、继电器等元器件的加速度响应要小于其设计指标以满足其互连特性 ；电子控制组件很多发热元件为短时间工作，因此在工作温度分析时应用瞬态热模块进行分析 。电子控制组件动力学仿真 仿真前处理（）模型处理整个模型处理后如图 ，一些特殊情况下需要对螺钉进行单独的强度校核，一般螺钉等影响不大的零件可以删除，连接器、继电器、电阻等元器件可简化其内部结构，减小模型规模。图 仿真三维模型（）边界条件设置加速度指标一般小于冲击指标，在冲击、加速度这类时域动力学中主要分析产品整体的应力水平，因此一般按照冲击条件进行分析即可，将冲击的加速度经过两次积分成位移后加载到电子控制组件的安装孔上。随机振动条件一般为 ，需要先进行模态分析再进行随机振动分析，其中模态分析需覆盖 范围，随机振动中阻尼一般设置为 。（）相关参数设置网格方面，整体划分为高阶四面体单元，部分零件为高阶六面体单元，节点数 ，单元数 。接触容差设置为 ，保证实际有接触关系的面之间已设置接触对，某些靠得比较近但未接触的面之间未设置接触对，一些可分离的面需要手动设置为无摩擦接触对。冲击条件为后峰锯齿波 ，持续时间 ；随机振动条件为 ，均方根 （见图 ）。图 冲击条件设定 仿真分析结果得出 向冲击最大应力 ，向冲击最大应力 ，向冲击最大应力 ，其中 向冲击应力分布如图 ，三方向冲击应力均小于材料抗拉强度，该冲击条件下产品强度没有问题。图 向冲击应力分布图得出三方向随机振动整体 应力分布如图，最大应力 ，随机振动强度没有问题（包括疲劳强度）。三方向随机振动时连接器和继电器上的 向 加速度分布如图 ，最大加速度 ，小于连接器和继电器能承受的随机振动加速度指标，向随机振动连接器加速度响应没有问题。图 三方向随机振动 应力分布图图 三方向随机振动 加速度分布图 电子控制组件温升仿真 仿真前处理温度分析边界条件如图 ，根据各个发热器件的发热功率加载相应的功率载荷，点火插座、电磁继电器、二极管、汇流条、印制电路板发热时间 分钟，固体继电器、行程开关、限流电阻工作时间为 ，给所有外表面加对流、辐射边界，对流系数按一般条件 设置，辐射系数按材料查表设置。环境温度 ，按照最高温度 进行分析。图 温度边界条件设定第 期钟洪：电子控制组件结构热设计仿真分析图 工作温度分布图 仿真分析结果得出 环境温度下产品工作 分钟整体温度及最高温度点曲线分布如图 ，最高温度 ，分布在最大发热功率的继电器上，最大温升为 ，该产品工作 分钟时温度未超过元器件许用值。仿真结果与试验结果的比较对该产品制造后的样品进行动力学和温升测试，产品经过冲击、加速度、随机振动后整体外观良好，未发生结构破坏，元器件在随机振动过程中正常工作，未发生瞬断或瞬闭。温度测试时（环境温度 ）在电子控制组件上取 个点进行检测，和仿真结果进行对比，对比结果如表 。表 试验和仿真结果对比测试点仿真温升（）试验温升（）仿真精度 动力学和温升测试结果与仿真结果吻合，验证了仿真的正确性。其中动力学不方便测量整体的应力分布，因此仅能以肉眼来判断整体结构的完好性，加速度方面通过检测连接器、继电器是否发生瞬断或瞬闭来判断是否超标；实测温升比仿真值略高主要是因为仿真中部分面之间的阻抗未考虑，仅考虑了主要接触面之间的阻抗效应，导致仿真出来的温升略低。结论动力学响应和温升是电子控制组件的主要设计指标，在设计阶段应予以重视并充分验证，仿真是对产品动力学和温升分析的一种有效手段，如果产品涉及液冷或风冷则需要用 对产品进行电子散热分析。本文通过 瞬态温度模块、瞬态动力学模块、随机振动模块对产品进行了动力学、冲击、随机振动全方位的仿真，得出设计满足指标要求，并通过试验验证了仿真的准确性，保证产品一次设计成功。随着产品复杂度提升、应用环境要求越来越高、设计周期要求越来越短，产品设计难度大幅度提升，数字化仿真作为产品数字化孪生的重要手段是现阶段产品设计不可或缺的一部分，一个设计方案只有经过全方位的仿真分析才能保证设计的正确性和合理性，从而减少设计更改次数，缩短设计周期，降低设计成本，满足用户需求。参考文献：吕福庭 机载机箱结构分析与仿真技术研究 西安：西安电子科技大学，刘远等 基于实时操作系统的电子控制器仿真验证环境设计 工业仪表与自动化装置，（）：丁璐 一种航空电气控制器测试设备的设计与实现 电子制作，（）：机 电 元 件 年