机载电子设备整机拓扑结构优化方法技术

本发明专利技术公开的一种机载电子设备整机拓扑结构优化方法，能够实现每种结构得到最大减重比率，减少设计迭代次数，提高设计效率。本发明专利技术通过下述技术方案实现：按照力学性能和功能将电子设备整机分成支撑件、附加件和功能件三种类型，根据不同类型部件的力学性能和功能定制不同的优化顺序、优化限制和优化目标，首先对整机模态频率中随机振动结果频率贡献大的支撑件进行优化，优化限制支撑件的应力、减少重量比率和印制板的变形，其次对附加件优化目标进行优化，以附加件对应的模态频率作为优化目标，应力和想要减少的重量比率作为优化限制，最后进行功能件的尺寸优化，优化目标是功能件重量最小，优化限制是功能件能保持现有功能和满足应力要求。满足应力要求。满足应力要求。

【技术实现步骤摘要】
机载电子设备整机拓扑结构优化方法


[0001]本专利技术涉及结构轻量化相关
，特别涉及一种机载电子设备整机拓扑结构优化方法。

技术介绍

[0002]机载电子设备是一个安装在各种飞行器上必不可少的重要组成部分，受飞机动态环境下的振动、冲击等外界因素影响，是一个处在复杂的动态环境下进行工作的系统。据统计,引起其失效的环境因素中,振动因素约占27％。随着机载电子设备性能不断提升，机载电子设备性能、组装密度越来越高，对电子设备结构设计要求也相应提高。电子设备结构设计包含广泛的
技术实现思路
，逐渐成为一门交叉边缘学科，其范围涉及力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、光学、声学、工程心理学、美学、环境科学等。机载电子设备结构设计技术发展，取决于机载电子设备系统技术需求。机载电子设备结构设计主要针对飞行器特殊应用环境、面对各种封装形式元器件进行设计，包括热管理、强度及轻量化、电磁屏蔽、防护性设计以及人因设计等方面。按照数字化、集成化、综合化、模块化、轻量化、通用化和智能化发展趋势，机载电子设备的结构件需要提供内部电子模块工作所需的安装、热、力环境。机载电子设备面临多种振动环境，其力学性能直接影响内部电子模块的安全性。如何协调电子设备重量和力学性能实现电子设备材料的最优分布成为一个急需解决的问题。
[0003]综合化对结构带来的挑战主要是整机功耗增加，局部热流密度更高。模块集中在一起，机架的尺寸及重量也相应增加，传力路线更加复杂，模态变化对元器件的影响也更加复杂。综合化机架设计与普通电子设备有区别。以模块升级更换为例:很多功能模块集中在一个机架中，由于模块需要升级和维护拆装，模块自身拆卸机构寿命应与电连接器的寿命相同，如果采用封闭式机架，则外部密封机构的拆卸寿命应等于所有内部模块寿命之和。模块化是目前工程设计人员较为认同的一种设计方式，模块化至少包括三个层级。第一层是机架通过简单方式与安装平台连接在一起，机架与以往的可替换单元形式一致，可视为是单独的模块，具有背板和IO。第二层综合化模块是一种独立功能模块，模块通过机械快卸方式连接实现安装连接，通过连接器实现电气连接。第三层是模块内部，机架内部也采用模块化思维进行设计，采用几种通用功能模块堆叠进行组装，实现不同的功能组合，模块化的设计能保证产品可维修性和可保障性，但是模块化的方式也有弊端，比如基本模块都是货架化产品，其功能一般覆盖较全，冗余较多，而且模块组装层级多，电连接器等连接方式增多，安装复杂度提高，空间占用大，电气传输信号受影响，产品MTBF指标会降低，随着机载电子设备模块化程度越来越高,功能越来越复杂,产品集成度不断增加,机载电子设备重量也随之增加。一般模块内部的连接不建议超过三级。机载电子结构设计的通用化。通用化的基础是标准化，只有遵循一定标准系列才有可能形成通用化的产品。制定模块标准的目的就是为了提高航空电子设备的通用性。电子设备结构设计通用化指在结构设计中采用通用化技术。以某标准模块结构设计为例，可将其中通用的结构件抽取出来，形成通用件，甚至将采用某种标准体系的模块结构件设计成半成品批量生产，只根据最终的元器件布局形成对散
热以及加固进行优化排列，提高生产效率，减少产品品种。
[0004]按照设计变量的类型，结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。虽然尺寸优化和形状优化技术相对来说己发展比较成熟，但机载电子设备在结构布局己定的情况下，设计人员对机载电子设备的更改程度有限，优化效果也比较有限。机载电子设备结构优化设计一般是基于工程经验或者振动仿真结果，这些方法无法保证材料分布拥有最优的力学性能，而且一般需要进行多次迭代计算，有一个很长的设计周期。拓扑优化是最常用的一种用于精细化设计的方法，可以自动高效地实现设备的轻量化设计，但是目前还没有文献对电子设备整机进行拓扑优化。电子设备整机一般包括支撑结构、附加结构、功能结构和内部的电子模块。支撑结构是主承力结构，也是主要支撑内部电子模块的结构，附加结构例如盖板的唯一作用是封闭机架实现电磁屏蔽，其刚度值远小于支撑结构，功能结构如冷板等除了要提供结构件的作用，还需要满足设备散热等特殊功能。由于不同部件的优化限制条件和刚度差异很大，直接进行整机拓扑优化无法得到好的结果。因此，目前拓扑优化多用于对设备某个重要支撑结构的拓扑优化，并以整机的前六阶频率作为优化目标，并不能实际体现此支撑结构的动态刚度，也无法实现整机的拓扑优化。拓扑优化的原理是只会保留刚度大的部分，当刚度差异很大的结构一起优化，刚度小的结构件几乎不会有优化效果，在单次拓扑优化中只能设置一种优化限制和优化目标，这与电子设备整机不同部位的功能要求不同相悖。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对机载电子设备的工作模式和所处的环境条件,克服现有技术的缺点，提供一种在满足相应功能的前提下，能够实现每种结构得到最大减重比率，减少设计迭代次数，提高设计效率的机载电子设备整机拓扑结构优化方法。
[0006]为达成上述目的，本专利技术采用如下技术方案，一种机载电子设备整机拓扑结构优化方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：基于变密度法的拓扑优化理论,将电子设备整机按照力学性能和功能分成不同的类型，对不同类型的结构采用不同的优化顺序、优化限制、优化目标。首先运用拓扑优化工具对机载电子设备整机机架几何模型支撑结构进行拓扑优化设计，定义相关的材料属性、边界条件、约束条件，针对整机模态结果，以支撑结构的应力、想要减少的重量比率、内部印制板的变形作为优化限制、整机模态频率中对整机随机振动结果贡献大的频率作为优化目标建立变密度数学模型，进行拓扑优化，在三维连续体结构、多工况约束平面结构布置加强筋的位置，根据电磁屏蔽、加工限值和工艺限值对拓扑优化结果进行实体化处理；步骤2：对附加结构进行拓扑优化，将附加结构对应的模态频率作为优化目标，以设计区域内每个单元的相对密度为设计变量，把附加结构的重量预期值、应力、想要减少重量比率作为优化限制，以类似于支撑结构的方式，实现附加结构的拓扑优化和实体化处理；步骤3：优化功能结构尺寸，确定重量最小优化目标，以功能结构能保持现有功能和满足应力要求作为优化限制，通过数值仿真结果对功能结构进行局部优化，获取功能结构的最佳拓扑结构形式；步骤4：根据拓扑优化的模型模态和随机振动仿真结果，验证此拓扑方案得到的模型是否能满足力学性能要求，判断优化限制是否满足，验证机载电子设备整机拓扑优化结
果的正确性，如果满足要求，拓扑优化结束，如果不满足，重复上述步骤，直到满足要求为止。
[0007]本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术能实现整机(除功能件外)所有部件的拓扑优化，实现整机的减重，提高了机载电子设备整机刚度的动态性能,减小振动环境对电子设备整机载荷质量的影响；(2)本专利技术通过定制化设计不同类型部件的优化目标、优化限制、优化顺序，可以提高整机的优化效率，能实现刚度低的部件的针对性优化，增大设备减重比率，优化的模型不仅可以获得最佳的结构形式和材料分布，还能满足特定部件的特定性能要求；(3)本专利技术提出的定制化优化方法操作简单，适用范围广，可以扩展到其他复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机载电子设备整机拓扑结构优化方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：基于变密度法的拓扑优化理论,将电子设备整机按照力学性能和功能分成不同的类型，对不同类型的结构采用不同的优化顺序、优化限制、优化目标。首先运用拓扑优化工具对机载电子设备整机机架几何模型支撑结构进行拓扑优化设计，定义相关的材料属性、边界条件、约束条件，针对整机模态结果，以支撑结构的应力、想要减少的重量比率、内部印制板的变形作为优化限制、整机模态频率中对整机随机振动结果贡献大的频率作为优化目标建立变密度数学模型，进行拓扑优化，在三维连续体结构、多工况约束平面结构布置加强筋的位置，根据电磁屏蔽、加工限值和工艺限值对拓扑优化结果进行实体化处理；步骤2：对附加结构进行拓扑优化，将附加结构对应的模态频率作为优化目标，以设计区域内每个单元的相对密度为设计变量，把附加结构的应力、想要减少重量比率作为优化限制，以类似于支撑结构的方式实现附加结构的拓扑优化和实体化处理；步骤3：对功能结构进行尺寸优化，通过数值仿真结果对功能结构进行局部优化，优化目标是重量最小，优化限制是功能结构能保持现有功能和满足应力要求，获取功能结构的最佳拓扑结构形式；步骤4：对拓扑优化的模型进行模态求解和整机随机振动求解，验证此拓扑方案得到的模型是否能满足力学性能要求，判断优化限制是否满足，验证机载电子设备整机拓扑优化结果的正确性，如果满足要求，拓扑优化结束，如果不满足，重复上述步骤，直到满足要求为止。2.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雪，熊长武，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：