叠层结构双余度电子设备结构设计方案论证

文雯 赵亮 张理达

摘要：机载电子设备中影响飞行安全的系统装置应具有至少双余度，以确保控制有效安全。本文针对叠层结构双余度电子设备的结构设计方案进行了研究，从重量、耐振动性、维修性、保障性、设计复杂度等方面对三种设计方案进行了对比分析，建立了应力仿真计算模型，进行电子设备的耐振动性能仿真分析，以验证不同结构设计方案对电子模块耐振动性能的影响。

关键词：双余度;叠层结构;电子设备;设计方案

1 引言

机载电子设备中影响飞行安全的系统装置应具有至少双余度，以确保控制有效安全。有余度要求的电子设备应实现通道之间电气隔离，其设计和构成需保证在一个通道中（包括系统部件、电源、电气/机械传输路径）的故障不应影响其他任何通道，组成电子设备的各内部通道均应设计有独立的电源转换功能、处理器、总线接口、外部系统交联接口等。要想真正实现电气电子设备各方面性能良好这一点，就一定要确保电气电子设备结构设计的合理性和科学性[1]。

2 双余度设计

对于双余度采集和控制系统架构的关键任务系统，电子设备的基本物理结构和内部双余度系统架构规定每个通道的单独工作能力。电子设备物理上应为1个机箱，机箱内应包含2个独立通道，即单机箱双余度配置，具备单通道独立工作能力。

2.1 设计方案论证

整机采用封闭结构，用金属壳体将电气模块完全包裹;根据元器件功耗，模块外表面可设计散热肋条，以增强散热效率。模块元器件产生的热量通过印制板表面覆铜层传导至机箱的侧壁上散到外面，部分元器件自带散热焊盘，可以通过将器件焊接在印制板表面的覆铜层上增大散熱面积;大功耗元器件排布于整机顶层和底层，靠近机箱侧壁。整机热量的传递过程示意见下图。

2.1.1 方案一

电子设备内部由3个模块组成：模块A（1块）、模块B（1块）、模块C（1块）。每种模块具备2个独立工作的通道，方案一对应的电子设备结构如下图所示。

特点分析：模块种类、数量少，拆装相对方便，便于维护管理;缺点在于，模块规模过大，模块板面积过大，集成度过高。最终会导致强度可靠性差、排故成本过高、PCB布线质量差、损坏成本高等问题。因模块面积大，势必导致整机尺寸大，重量偏重。

2.1.2 方案二

电子设备内部由6个模块组成：模块A（2块）、模块B（2块）、模块C（2块）。方案二对应的电子设备外形结构与方案一类似，区别仅在于每种模块拆分为2个完全相同的单通道独立工作的模块，两个通道并列排布，如下图所示。

特点分析：降低了各模块的复杂度;单模块面积较小;整体外形尺寸及重量与方案一相当，整机尺寸大，重量偏重。

2.1.3 方案三

电子设备内部由7个模块组成：模块A（2块）、模块B（2块）、模块C（2块）、模块D（1块）。每种模块拆分为2个完全相同的单通道独立工作的模块，两个通道垂直排布，如下图所示。

方案3的安装面积尺寸可以做到最小，同时通过叠层结构最大限度地减小结构件重量，其外形结构如下图所示。

特点分析：降低了模块复杂度，各模块功能独立;降低设计难度及后期工作复杂度;单模块面积较小，缩小了整机尺寸，减轻了结构件重量。

2.1.4 方案对比分析

三种方案设备的一阶模态对比如下表所示。

从重量、维修性、保障性、设计复杂度等方面对三种设计方案进行对比分析。

3 结论

双余度电子设备采用单通道模块设计并垂直堆叠时，在整机重量、强度等方面具有较明显的优势，适应了高新科技的发展对电子设备提出的体积更小、重量更轻、高密度组装的要求。

参考文献

[1]陈达波.电气电子设备结构设计方法分析[J].电脑迷，2017，07：140-141.

作者简介：文雯（1985-），女，工程师，主要从事机载、弹载计算机结构设计工作。