針對LRM模塊大量的環(huán)境實驗的需求，介紹了一種穿通風冷LRM模塊環(huán)境試驗工裝。詳細闡述了該工裝的結構設計，并通過數字仿真和實物試驗驗證相結合的方法，探究了供風量與各風道的風速關系，驗證了其滿足試驗工裝的設計和使用要求，具有較好的擴展性和通用性，具備較好的市場推廣價值。
引言
隨著綜合模塊化設計技術的逐步成熟，具有維護性更好的現場可更換模塊（簡稱LRM，Line Replaceable Module）越來越多的應用各種電子設備當中。穿通風冷模塊作為LRM模塊中最常見的冷卻方式之一，其散熱效果既優(yōu)于自然傳導散熱，又相對于穿通液冷模塊可靠性更高、故障率更低[1]，已經在我單位各個工程項目中得到廣泛應用。特別是航空機載產品平臺，每一套設備會配置多達10余塊相同的LRM模塊，而每一模塊在完成設計交付前都需要單獨進行環(huán)境試驗驗證，因此每一個模塊都需要單獨設計加工一個配套的專用環(huán)境工裝，導致這種環(huán)境試驗工裝的需求量也非常大。
本文以厚度24mm的標準ASAAC模塊為典型對象，設計了一種穿通風冷LRM模塊環(huán)境試驗工裝，具備標準ASAAC模塊的裝夾接口，滿足模塊溫度、振動等試驗的環(huán)境界面控制要求，對模塊進行強迫風冷散熱。研究了外接風冷源的供風量與模塊兩側風速的關系，模擬模塊在真實機架上的工作環(huán)境，輔助其完成環(huán)境試驗驗證。
主要技術指標
該穿通風冷LRM模塊環(huán)境試驗工裝能同時滿足4個以上厚度24mm的標準ASAAC模塊同時進行環(huán)境試驗；采用外接風冷源的形式，實現模塊兩側風速在2-10m/s之間可調；夾具振動響應特性滿足GJB150.16A的要求。
結構設計
基于模塊的環(huán)境試驗要求及上述技術指標，該穿通風冷LRM模塊環(huán)境試驗工裝由夾具（配重模塊）、風冷源和管路組件三部分組成如圖1所示，各部分之間設計為直徑為50mm可拆裝的標準接口，可實現該工裝系統(tǒng)的系列擴展，具備較高的通用性。按照模塊的實際安裝情況，該夾具設計為組合形式，模塊布局和熱流通道如圖2所示，主要由上端風口組件的導風區(qū)、前端的ASAAC標準模塊承載區(qū)和后端背板安裝接線的電氣互聯(lián)區(qū)構成，各部分采用銷釘孔定位后通過螺紋連接的方式進行組合，更換電氣互聯(lián)區(qū)的背板便可實現不同型號的模塊進行實驗。模塊承載區(qū)上下冷板的相鄰模塊插槽間距28mm，能同時支撐6個24mm厚度的標準ASAAC模塊，相鄰模塊之間形成了寬度為4mm的熱流通道。
夾具的散熱形式為冷卻空氣從下冷板底部進入，流經被測模塊之間形成的風道，與模塊表面進行熱交換后到達風口組件，再由外置風冷源進行抽風將其帶走。通過調節(jié)外置風冷源抽風量對模塊間風道的風速進行控制。
圖1 設備組成
圖2 夾具組成及模塊布局和熱流通道示意圖
熱設計及分析
1、仿真分析
為了滿足模塊間最大風速要求，根據風道之間截面積通過計算，外置風冷源選擇了型號為GCFZ-200A，最大循環(huán)風量270m³/h，輸出流量可調的高溫抽風裝置。為了解風冷源供風流量與模塊間流速的情況，在供風量設置為220 m³/h的工作狀態(tài)下，通過仿真分析發(fā)現最初設計的夾具，模塊之間各風道的風速大小相差較大，呈現出正對管口的風道流速大，靠近兩側的風道流速小的情況。通過分析夾具風速的仿真界面云圖發(fā)現，是由于各風道的路徑不同導致了風道了流阻不同進而影響了各風道的風速。故在夾具的導風區(qū)內設置了分風板，通過結構優(yōu)化設計，最終分風板設計為兩側開口大，中間開口小的結構形式來改變流阻，解決了夾具各流道風速不均勻的情況，如圖3所示。
圖3 有無分風板夾具流道風速對比示意圖
由于模塊間風道空間有限，無法通過設置風速傳感器來獲取風道的準確風速，因此本文采用了仿真與實測數據相結合的方式，如圖4和圖5所示，通過調整風冷源的供風量，測試單個模塊在36W相同熱耗條件下其溫度的變化情況來探究風冷源設定風量與模塊間風道風速關系。
圖4 不同風量下模塊溫度云圖
圖5 不同風量下模塊間風速云圖
表1 風冷源設定風量與模塊界面溫度和風速仿真結果
2、實驗測試分析
如圖 6所示，將4個25Ω的發(fā)熱電阻并聯(lián)粘貼在單個模塊內部，通過發(fā)熱電阻模擬模塊的工作發(fā)熱情況，輸入電壓設為15V，單個模塊36W，滿裝6個模塊總熱耗216W，溫箱溫度設置為65℃，然后調節(jié)風冷源的抽風風量，記錄模塊穩(wěn)定工作狀態(tài)的各測試點的穩(wěn)定溫度數據如下表2所示。
圖6 溫度實測狀態(tài)
表2 風冷源設定風量與模塊界面溫度
圖7 風冷源設定風量與模塊界面溫度曲線
如圖5和表1所示，當風冷源風量設置大于230m³/h時，模塊間的所有風速均能大于10m/s，且各流道風速差異較小，滿足指標要求。從圖 7風冷源設定風量與模塊界面溫度仿真模擬分析與實物測試的數據可以看出，當風冷源向夾具提供一定風量時，模塊的溫度就能得到快速下降，但是并沒有隨著提供的風量增大而繼續(xù)大幅度降低，而是隨著風量的增加緩慢的降低，下降趨勢較為平緩，因此使用時推薦將風冷源風量設置在80至180m³/h區(qū)間內，既能達到很好的散熱效果，又能風冷源的降低噪聲和能耗。
振動設計及分析
1.仿真分析
夾具主體采用20mm~100mm的鋁合金板材銑削加工成型，各零件之間的連接采用M8內六角螺釘，采用ANSYS Workbench軟件進行模態(tài)分析以及隨機振動分析。利用SOLID187單元進行網格劃分得到分析結果表明，夾具前六階模態(tài)主要表現為頂端導風區(qū)管口處的晃動，整體剛度較高，頻率如表3所示。
表3 模態(tài)分析結果
振動載荷作用下，夾具各方向隨機振動分析響應結果如表4所示，夾具的X、Y、Z向最大變形（3σ值）為0.25mm、0.32mm、0.61mm；如圖8所示，分析對象承載結構的最大等效應力（3σ值）為82.65Mpa，該應力小于鋁合金5A06的屈服極限（約160MPa），滿足使用要求。
表4 隨機振動分析結果（3σ值)
圖8 Z向振動響應結果
2.實驗測試分析
在模塊獨立振動試驗過程中，專用夾具是一個非常重要的傳遞環(huán)節(jié)，為了保障模塊單獨振動試驗的可靠性和有效性，避免出現過試驗和欠試驗，需要對夾具本身的動態(tài)特性進行測試?，F場測試安裝情況如圖9所示，在現場分別對三個方向的控制點和測試點進行響應測試并采集相關數據，在測試過程中根據情況對控制點進行合理布置，測試各方向動態(tài)響應結果如圖10所示，滿足GJB150.16A的規(guī)定，在300～1000Hz范圍內其不平坦允差不超過±6dB ，且在整個頻率范圍內超過±3dB差的帶寬累積應小于300Hz。
圖9 響應測試安裝圖
圖10 振動試驗測試響應結果
結束語
本文設計了一種穿通風冷LRM模塊環(huán)境工裝，通過數字樣機模擬仿真和實物樣機實驗測試的方法，探究了風冷源供風量與各風道風速的關系，提高各流道風速的均勻性；并驗證了夾具的力學性能，最終滿足該工裝的各項指標要求，最多可同時實現6個24mm厚度的標準ASCCA模塊進行獨立環(huán)境試驗的需求。目前該穿通風冷LRM模塊通用環(huán)境試驗工裝系統(tǒng)已拓展出滿足不同厚度模塊的系列，用于不同項目模塊獨立試驗中，具備較好的經濟性。
引用本文：
黃文強.一種穿通風冷LRM模塊環(huán)境試驗工裝設計及分析[J].環(huán)境技術,2023,41(05):17-23.
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