專利名稱：：基于機電熱三場耦合的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，可用于指導(dǎo)電子設(shè)備機箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及熱、電磁兼容特性分析。
背景技術(shù)：
：隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備應(yīng)用的范圍越來越廣，無論是在日常生活中還是在軍事領(lǐng)域里，到處都可以看到電子設(shè)備的身影。電子設(shè)備在運輸、貯存和使用過程中不可避免的要受到各種外部載荷如，振動、沖擊、離心力及運動產(chǎn)生的摩擦力等的作用，其中以振動與沖擊對的危害最大。據(jù)統(tǒng)計，在引起機載電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動因素約占27%，而現(xiàn)代戰(zhàn)爭中使用的電子裝備，50%60%的失效是由于機械振動與爆炸沖擊引起的。其破壞作用主要表現(xiàn)在兩個方面振動沖擊引起的機械破壞以及設(shè)備電氣性能的下降和失效。將會導(dǎo)致電子設(shè)備疲勞損壞、電參數(shù)漂移、元器件引線斷裂或焊點脫落、緊固件松脫等。實驗發(fā)現(xiàn)振動引起的損壞超過沖擊所引起的損壞。電子設(shè)備的機箱作為主要的承力部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的。電子設(shè)備還存在電磁兼容性問題，電磁兼容性是指在共同的電磁環(huán)境中使電子設(shè)備不受干擾的影響而相容地正常工作。電磁兼容性不好導(dǎo)致的問題在實際中的例子舉不勝舉，例如民航禁止乘客在飛行途中使用手機等某些特定的電子設(shè)備，故電子類產(chǎn)品必須通過電磁兼容性認證。電磁兼容性問題不僅存在于設(shè)備與設(shè)備之間，同時也存在于元件與元件之間，部件與部件之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，甚至存在于集成電路內(nèi)部。其主要解決方法是電磁屏蔽。對于電子設(shè)備而言，機箱作為主要的屏蔽結(jié)構(gòu)，箱體上的開孔和縫隙以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置都會影響電子設(shè)備的電磁屏蔽效能。同時，電子設(shè)備內(nèi)部包含許多電子元器件，隨著電子元器件集成度的提高，其發(fā)熱量也增大，為了保證元器件的正常工作，必須控制電子設(shè)備機箱內(nèi)的溫度，需要散熱處理。因為電子元器件工作的可靠性對溫度極為敏感，器件溫度在70-80攝氏度上每增加l攝氏度，可靠性就會下降5%。電子設(shè)備需要控制體積，軍用電子設(shè)備更是如此，這就為散熱帶了很大困難。因而電子設(shè)備機箱的熱設(shè)計也是非常關(guān)鍵的。電子設(shè)備的機箱是把設(shè)備內(nèi)部各種電子元器件或機械零部件組裝成為整體，并使其盡量避免或減小由于高低溫、振動沖擊、電磁干擾等不利因素對電氣性能造成的影響。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是為安裝在它內(nèi)部的電子元件和組件提供一個良好的、能夠抵抗外界惡劣條件的微環(huán)境，抗振緩沖設(shè)計、熱控制設(shè)計及電磁兼容設(shè)計便是其中的關(guān)鍵技術(shù)。電子設(shè)備的多場耦合問題也成為研究和設(shè)計的重點。對于這類電子設(shè)備的機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前一般是先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后做熱分析和電磁兼容性分析，滿足相關(guān)要求，則設(shè)計合理；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計，重新做熱分析和電磁兼容分析。這樣的設(shè)計流程明顯是三個學科各自獨立的，導(dǎo)致設(shè)計周期長、產(chǎn)品性能難以同時兼顧機電熱三方面的要求。國內(nèi)外眾多學者對多場耦合問題已經(jīng)做了大量的研究，但大多局限于某一工程領(lǐng)域，不具備廣泛的適用性，對電子設(shè)備機箱類結(jié)構(gòu)的多場耦合問題的研究還很少見。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決目前電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的機電熱分離，導(dǎo)致設(shè)計周期長、難以兼顧多方面要求的問題，提出了一種基于機電熱三場耦合模型的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)電子設(shè)備機箱的高效設(shè)計。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，在充分研究機箱的機電熱三場作用原理的基礎(chǔ)上，給出三場耦合的數(shù)學模型，基于該模型利用不同的商用軟件對電子設(shè)備機箱進行三場耦合分析，即結(jié)構(gòu)分析采用Ansysll.O，電磁分析采用Feko5.3，熱分析采用IcePak4.4.8軟件，再引入多學科優(yōu)化方法，對機箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。具體步驟如下(1)根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境和具體要求，確定機箱結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計尺寸，以此建立初步的機箱CAD模型，用于力學的有限元分析；(2)對初步建立的機箱CAD模型，利用商用軟件Ansysll.O進行力學有限元分析，獲取各種結(jié)構(gòu)力學參數(shù)和箱體變形，并整理成力學分析的數(shù)據(jù)文件；(3)從力學分析的數(shù)據(jù)文件中提取機箱變形后的網(wǎng)格模型信息，進行三場間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化，得到用于電磁和熱分析的網(wǎng)格模型；(4)根據(jù)步驟(1)建立的機箱CAD模型，設(shè)置散熱部件材料的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，風扇的功率流量和環(huán)境溫度這些初步的熱分析參數(shù)；(5)將步驟(3)提取的熱分析網(wǎng)格模型和步驟(4)的熱分析參數(shù)導(dǎo)入商用軟件IcePak4.4.8進行熱分析，得到機箱的溫度場分布，并整理成熱分析的數(shù)據(jù)文件；(6)根據(jù)步驟(1)建立的機箱CAD模型，確定機箱的諧振頻率和吸波材料的電參數(shù)這些初步的電磁分析參數(shù)；(7)將步驟(3)提取的電磁分析網(wǎng)格采用商用軟件Feko5.3進行電磁分析，獲取機箱內(nèi)外的電磁場分布，并整理成電磁分析的數(shù)據(jù)文件；(8)針對機、電、熱三個分析的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)實際工程情況，設(shè)計樣件并對其進行仿真分析，再通過試驗檢驗仿真分析的結(jié)果，得到仿真誤差，根據(jù)該仿真誤差修正機箱CAD模型的分析結(jié)果；(9)根據(jù)修正后的分析結(jié)果判斷機箱設(shè)計是否滿足要求，如果滿足要求，則優(yōu)化設(shè)計結(jié)束，輸出機箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，否則，修改初步的CAD模型、電磁分析參數(shù)和熱分析參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至步驟(8)，直至滿足要求。上述電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(3)所述的三場間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化，包括如下步驟-(3.1)將機箱變形后的網(wǎng)格模型中存在交疊網(wǎng)格合并；(3.2)將機箱變形后的網(wǎng)格模型中存在的中間節(jié)點轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格節(jié)點；(3.3)從機箱變形后的網(wǎng)格模型中提取板殼單元網(wǎng)格的節(jié)點；(3.4)從機箱變形后的網(wǎng)格模型中提取實體單元表面網(wǎng)格的節(jié)點；(3.5)將所提取的網(wǎng)格節(jié)點重組成新的網(wǎng)格單元；(3.6)根據(jù)電磁和熱分析精度要求細化新組成的網(wǎng)格單元。上述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(6)所述的確定機箱的諧振頻率和吸波材料的電參數(shù)，包括如下步驟(6.1)根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)尺寸通過理論公式計算理論諧振頻率，該理論諧振頻率計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中a和/是機箱的尺寸，f是介電常數(shù)，^是磁導(dǎo)率，c是光速，尸是模式。(6.2)使用電磁分析軟件，在理論諧振頻率附近掃頻，找到場強最強的諧振頻率點，作為機箱的實際諧振頻率；(6.3)根據(jù)吸波材料生產(chǎn)商提供的相關(guān)屬性參數(shù)，或者借用公開文獻中的設(shè)定值,或者先假設(shè)一個值，得到吸波材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、電損耗正切和磁損耗正切。上述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(8)所述的根據(jù)樣件試驗修正分析結(jié)果，包括如下步驟(8.1)按照初步的CAD模型，加工制造機箱實物樣件；(8.2)針對樣件，測量機箱內(nèi)外的電場分布值；(8.3)針對樣件，測量機箱內(nèi)部的溫度分布值；(8.4)將樣件仿真的結(jié)果記為C仿真，將樣件測試的結(jié)果記為C測試，如果誤差"-[(C測試-C仿真)/C測試]xM，在15%以內(nèi)，則認為仿真模型與實際樣件符合，否則，修改仿真模型直至滿足15%的要求為止；(8.5)對優(yōu)化設(shè)計中針對實際機箱模型的進行仿真，并將該仿真結(jié)果記為^^，然后使用上述的誤差"，修正仿真結(jié)果為EaijW=，。諷1一a本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1.在機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，由于使用熱場和電磁場的參數(shù)作為優(yōu)化目標或約束條件，是一種基于多場耦合的優(yōu)化設(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)設(shè)計中的多學科分離問題；同時可以充分考慮到不同學科的設(shè)計要求，大大降低了機箱的設(shè)計周期；2.在設(shè)優(yōu)化設(shè)計中，不但充分利用現(xiàn)有的商業(yè)軟件進行計算機輔助設(shè)計，還通過設(shè)計實物樣件、實際測試，來檢驗計算機仿真的結(jié)果，并根據(jù)試驗加以修正，使得最終設(shè)計出的產(chǎn)品更加符合實際。圖1是本發(fā)明電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程圖；圖2是本發(fā)明三場間網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)化流程圖；圖3是交疊網(wǎng)格處理示意圖4是表面網(wǎng)格重組和中間節(jié)點網(wǎng)格處理示意圖；圖5是網(wǎng)格細化示意圖6是本發(fā)明仿真實驗的初步CAD模型示意圖7是本發(fā)明仿真實驗的優(yōu)化目標迭代曲線圖；圖8是本發(fā)明仿真實驗的溫度約束條件迭代曲線圖；圖9是本發(fā)明仿真實驗的吸波材料面積約束條件迭代曲線圖；；圖IO是本發(fā)明仿真實驗的電磁測試實物圖；圖11是本發(fā)明仿真實驗的溫度測試實物圖。具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。參照圖l，本發(fā)明的具體步驟如下步驟l，確定機箱結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計尺寸，建立初歩的機箱CAD模型。根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境和具體要求，確定機箱結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計尺寸，主要包括機箱的材料，外形尺寸長fl、寬/、高6，散熱孔縫、風扇的數(shù)量和位置，內(nèi)部吸波材料的尺寸和位置，機箱內(nèi)部的各個主要元器件的位置，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)分布等，以此建立初步的機箱CAD模型，用于力學的有限元分析。確定該初步設(shè)計K寸時可以大量依據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗和借鑒已有的電子設(shè)備機箱產(chǎn)品，以降低設(shè)計工作量。步驟2，機箱的力學分析。將初步的機箱CAD模型，導(dǎo)入商用軟件Ansysll.O進行力學有限元分析。根據(jù)使用要求，加入各種外部載荷，主要是振動沖擊載荷。我國有詳細的振動試驗規(guī)范和標準，如標準G5/72423.11中給出了寬帶隨機振動嚴酷等級的一般要求，標準G/5150.16-86及G/別50.18-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》中規(guī)定了詳細的振動與沖出實驗方法，并對產(chǎn)品在運輸和使用的振動環(huán)境做了詳細地分類。根據(jù)這些標準，對電子設(shè)備加載各種載荷仿真相應(yīng)的振動環(huán)境，通過軟件分析得到需要的結(jié)構(gòu)力學參數(shù)和機箱結(jié)構(gòu)變形，并將分析結(jié)果整理成力學分析的數(shù)據(jù)文件。步驟3，三場間網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)化。三場耦合分析中各個模型之間要進行信息的傳遞，關(guān)鍵是初步的CAD模型要能夠?qū)氩煌姆治鲕浖市枰獙nsys分析后的網(wǎng)格模型進行轉(zhuǎn)化。根據(jù)使用的分析軟件的不同，轉(zhuǎn)化的方法也有差別，這里以結(jié)構(gòu)分析用Ansys，電磁分析用Feko、熱分析用IcePak為參考。參照圖2，網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化的具體步驟如下3.1處理交疊網(wǎng)格。由于商用軟件分析時不允許出現(xiàn)交疊網(wǎng)格，所以需要處理初步的CAD模型網(wǎng)格，以排除交疊網(wǎng)格的情況。網(wǎng)格交疊的現(xiàn)象如圖3所示，圖3(a)是一個塊和一個板結(jié)構(gòu)的組合，實體塊安放在板上，由圖3(b)可見，塊底面與板面在幾何模型上是共面的，當劃分網(wǎng)格后就會出現(xiàn)圖3(c)的交疊情況。網(wǎng)格交疊的處理分為模型上的處理和網(wǎng)格上的處理兩個步驟。所述的合并交疊網(wǎng)格，按如下步驟進行3丄1在模型層面處理交疊的網(wǎng)格。對兩個實體之間相交重合的面，應(yīng)用布爾運算的相加預(yù)算將交疊網(wǎng)格合并，以保證網(wǎng)格劃分的連續(xù)。對面和體的重合面，如圖3(a)圖，這里可以用實體塊底面四邊來分割板，刪除面上交疊的網(wǎng)格，如圖3(d)所示的Al，A2兩部分，A1不包括A2區(qū)域的部9分，再劃分網(wǎng)格后即如圖3(e)所示。圖(f)是一種比較麻煩的情況。解決的方法是保留實體單元表面的完整，刪除實體塊壓住的板單元，再重新連接板空缺周圍節(jié)點與實體底邊周圍節(jié)點，如圖(f)中的粗線部分。模型上處理的關(guān)鍵是使劃分的網(wǎng)格在不同結(jié)構(gòu)體之間保持連續(xù)性，主要是通過運用模型間的布爾運算來完成。3丄2在網(wǎng)格層面處理交疊的網(wǎng)格。網(wǎng)格方面的處理，一般用節(jié)點融合功能來融合重合面上的節(jié)點以達到網(wǎng)格的連續(xù)。如果有交疊的網(wǎng)格節(jié)點在另一單元邊上，或者使小的重合面的節(jié)點在平面內(nèi)移動一個微小值，使兩重合面有一個小的分離量，再給兩面節(jié)點間加一些導(dǎo)線單元保持電氣整體性。3.2處理中間結(jié)點。Ansys有限元分析中有時會出現(xiàn)高階單元，不但頂點上有節(jié)點，單元的邊中點處也有節(jié)點，如圖4所示。圖4(g)是一個10節(jié)點四面體單元，假設(shè)1,2,4節(jié)點是要提取的表面三角形，則應(yīng)該如圖4(h)這樣利用中間來重新組成四個三角形，如果不利用中間節(jié)點只提取網(wǎng)格節(jié)點，這樣必然會丟失變形信息，只能反映1，2,4節(jié)點的位移，卻不能反映5,8,9節(jié)點的位移，如圖4(i)所示。所以要對中間節(jié)點轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格節(jié)點。中間節(jié)點轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格節(jié)點，按照如下步驟進行3.2.1針對所使用分析軟件，尋找單元類型的網(wǎng)格節(jié)點編號規(guī)律。對有限元分析軟件Ansys，單元的節(jié)點編號是按順時針或逆時針的順序進行排列的，而其排列的順序是在順時針或逆時針方向的基礎(chǔ)上先保證單元的形狀，再確定中間節(jié)點，即編號在前的單元其中間節(jié)點編號也在前。3.2.2根據(jù)節(jié)點編號規(guī)律，區(qū)分中間節(jié)點和網(wǎng)格節(jié)點，并取出中間節(jié)點。對于圖4(g)的四面體單元，節(jié)點組成方式是1,2,3，4，5,6,7,8,9，10，這是一種順時針方向的節(jié)點編號排列方式。首先，按順時針方向生成底面；再按相同的順序和相對應(yīng)的起點生成頂點或面，可見前四個節(jié)點是確定方向和保持形狀的關(guān)鍵，最后按點和線編號的順序確定其中間節(jié)點。3.2.3連接相鄰的中間節(jié)點，則與原有網(wǎng)格節(jié)點組成新的網(wǎng)格。如圖4(g)圖，中間節(jié)點5，6，7,8，9,10，將相鄰編號的中間節(jié)點連接，在與其對應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點組合成新的網(wǎng)格。3.2.4按照單元類型的不同，分別進行處理，則將所有的中間節(jié)點轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格節(jié)點。不同的單元類型，其節(jié)點編號的規(guī)律是不同的，所以要按照類型的不同，重復(fù)上面的歩驟，以完成所有中間節(jié)點的轉(zhuǎn)換。3.3提取板殼單元網(wǎng)格節(jié)點。本發(fā)明使用的結(jié)構(gòu)分析軟件、電磁分析軟件和熱分析軟件都能夠處理三角形網(wǎng)格。相對于電磁和熱分析，結(jié)構(gòu)分析一個顯著特點是單元類型比較多。對于三角形板殼單元網(wǎng)格，直接按照單元編號順序提??；對于四邊形板殼單元網(wǎng)格，要把每個四邊形分成兩個三角形，再按照三角形單元形式分別提取。3.4提取表面實體單元網(wǎng)格節(jié)點。對于實體單元，例如正方體，如圖4(a)所示，關(guān)鍵是把實體單元的外表面的各個四邊形提取出來。該提取包括兩個方面，一是提出其外表面的節(jié)點；二是要提取表面節(jié)點間的關(guān)系。首先提取實體的所有表面，再找到實體表面上的所有節(jié)點，根據(jù)這些節(jié)點與該表面的所屬關(guān)系確定節(jié)點間的連接關(guān)系。若得到的節(jié)點連接方式為三角形則可直接使用，若為四邊形則須重新剖分為兩個三角形。3.5重組網(wǎng)格單元提取后的表面節(jié)點后就要進行單元重組，如圖4所示。圖4中數(shù)字只作節(jié)點代號，其中圖4(a)是一個有限元的六面體實體單元，組成此單元的節(jié)點順序為1,2,3,4,5,6,7,8，當最前面的六面體的面為如圖4(b)所示的表面時，就要把它分成兩個三角形，如圖4(c)。但是也可能出現(xiàn)圖4(d)所示錯誤的情況，圖4(e)和圖4(f)是按圖4(d)方式重組后的兩個單元的情況，這兩個單元是交疊的。對于每個4節(jié)點單元，按照節(jié)點編號順序，從兩個方向分別取三個點，得到兩個新的網(wǎng)格單元，以避免圖4(d)的錯誤。對于每個3節(jié)點單元，直接保留其原網(wǎng)格單元。3.6根據(jù)精度細化網(wǎng)格。不同學科的分析軟件要求的網(wǎng)格精度不同，通常結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格密度要高于熱分析的網(wǎng)格，低于電磁分析的網(wǎng)格。所以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提取后可直接用于熱分析，而電磁分析要根據(jù)具體的精度要求細化網(wǎng)格。網(wǎng)格細化采用常見的中點再分的方法，如圖5所示。取一個單元各邊的中點，再將相鄰邊的中點相連，即可將一個單元分成四個類似的小單元，以此類推直到網(wǎng)格大小滿足精度要求為止。為了精度上能夠更好地匹配，各分析軟件應(yīng)該在相同的規(guī)則下劃分網(wǎng)格。例如，把網(wǎng)格劃分為正三角形，正四邊形，正四面體，正六面體等。步驟4，設(shè)置熱分析需要的參數(shù)。根據(jù)步驟1建立的機箱CAD模型，在熱分析軟件IcePak中，設(shè)置機箱各部分的具體材料的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，包括主要散熱部件的材料；選定各個散熱器件，主要是風扇的功率流量；對機箱內(nèi)的熱源設(shè)置發(fā)熱功率，最后選定分析時的環(huán)境溫度。步驟5，機箱的熱分析。11將轉(zhuǎn)換的網(wǎng)格導(dǎo)入熱分析軟件IcePak中，依據(jù)步驟4確定的熱分析需要的相關(guān)參數(shù)，使用商用軟件IcePak完成機箱的熱分析，得到機箱內(nèi)部的溫度分布情況，并將分析結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)文件中。步驟6，設(shè)置電磁分析需要的參數(shù)。6.1估算機箱的諧振頻率。首先根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)尺寸計算理論諧振頻率，對7^1()/>模式來說，理論諧振頻率/計算公式為其中"和/是機箱的尺寸，e是介電常數(shù)，^是磁導(dǎo)率，c是光速，尸是模式。6.2將提取的網(wǎng)格模型導(dǎo)入電磁分析軟件，在理論諧振頻率附近的掃頻，找到場強最強的諧振頻率點，從而精確確定待分析的腔體的諧振頻率。6.3確定吸波材料的屬性。包括電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率，電損耗正切，磁損耗正切，一般吸波材料的生產(chǎn)商會提供部分屬性參數(shù)，未提供的可以借用公開文獻中的值，或者假定一個。確定吸波材料參數(shù)值，通過如下步驟進行6.3.1查閱吸波材料的文獻資料，初步確定大部分參數(shù)的取值；吸波材料的銷售廠商一般都不提供吸波材料的微觀參數(shù)，而是給出基于測試的宏觀參數(shù)來描述他們的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上通過査找文獻，得到相當一部分吸波材料的微觀參數(shù)，由于兩種物質(zhì)摻雜的質(zhì)量比不同，所測得的微觀參數(shù)就不一樣，所以該微觀參數(shù)不一定適合直接應(yīng)用，但是可以作為參數(shù)選定的重要參考。6.3.2根據(jù)吸波材料的分析理論，假設(shè)剩余參數(shù)的取值范圍。根據(jù)吸波材料的分析理論假定部分參數(shù)。對于一塊電介質(zhì)，給它賦予比較大的電損耗正切，就可以模擬成電損耗型吸波材料，對磁損耗型吸波材料同理，這在很多的文獻和工程中都有過應(yīng)用，也是模擬吸波材料的一種可行的方法。6.3.3在初步確定取值和范圍的基礎(chǔ)上，通過軟件仿真尋優(yōu)，確定參數(shù)的具體取值。在假定的范圍的基礎(chǔ)上用軟件來仿真，尋找比較合適的一組參數(shù)。把吸波材料設(shè)計成設(shè)計變量，合理的微觀參數(shù)取值范圍作為上下限，泄露的場強為目標進行優(yōu)化，得到一組最優(yōu)解，該解就能保證這組微觀參數(shù)可以體現(xiàn)吸波材料的性能。步驟7,機箱的電磁分析。將轉(zhuǎn)換的網(wǎng)格導(dǎo)入電磁分析軟件Feko中，根據(jù)步驟6確定的電磁分析需要的相關(guān)參數(shù)在軟件中選定，使用商用軟件Feko完成機箱的電磁分析，得到機箱內(nèi)外的電場強度分布情況，將分析結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)文件中。步驟8,設(shè)計樣件修正分析結(jié)果。針對機電熱三個分析的結(jié)果文件，根據(jù)實際工程情況，設(shè)計試驗檢驗仿真分析的結(jié)果，并適當修正分析結(jié)果；8.1加工制造樣件。按照初步的CAD模型，加工制造機箱實物樣件，包括機箱內(nèi)部的支撐構(gòu)建，散熱孔、縫和風扇，以及電磁輻射單元。8.2電磁測量，針對樣件，測量要求的機箱的相關(guān)電磁參數(shù)，例如機箱內(nèi)部耦合度和一米外泄露場強。測試空間場強時使用微帶天線，會對實際的自由空間場強產(chǎn)生干擾，也需要修正。8.3溫度測量，在機箱內(nèi)裝入模擬元器件發(fā)熱的熱源，測量機箱內(nèi)部的溫度。8.4將樣件仿真的結(jié)果記為C仿真，將樣件測試的結(jié)果記為C測試，如果誤差"二[(C測試-C仿真)/C測試]xO/。，在15%以內(nèi)，則認為仿真模型與實際樣件符合，否則，修改仿真模型直至滿足15%的要求為止。8.5修正仿真結(jié)果。對優(yōu)化設(shè)計中針對實際機箱模型的進行仿真，并將該仿真結(jié)果記為五仿真，然后使用上述的誤差"，修正仿真結(jié)果為￡81賦=，。l一a步驟9，設(shè)計樣件修正分析結(jié)果。對修正后的分析結(jié)果進行判斷，如果滿足設(shè)計要求，則優(yōu)化設(shè)計結(jié)束，輸出機箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如果不滿足設(shè)計要求，則修改初步的CAD模型、電磁分析參數(shù)和熱分析參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至步驟(8)，直至滿足要求。本發(fā)明的優(yōu)點可通過以下實驗進一步說明1.仿真分析選取一個簡單的機箱進行優(yōu)化仿真，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。機箱尺寸為500X375X125mm，機箱壁厚為2mm，材質(zhì)為鋁，一端有三個散熱風扇，另一端開有十二條通風槽，機箱底面上有兩個發(fā)熱源，功率皆為5W。一個電磁輻射模塊和一個電磁敏感模塊，關(guān)注頻段為0.51GHz。電磁分析設(shè)置吸波材料參數(shù)介電常數(shù)為2.7，電損耗正切為O.Ol，磁導(dǎo)率為l，磁損耗正切為0電磁輻射5w天線形式偶極子天線13分析頻率730MHz，經(jīng)過理論計算和仿真驗證，該實例箱體的諧振頻率為730MHz。熱分析設(shè)置熱源導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/m*K風扇固定流量0.001m3/s環(huán)境溫度35°C該實例的優(yōu)化模型為設(shè)計變畺目標函數(shù)/(^0.5C鵬(JO+0K"約束條件36027.5242.52^7.5360、2".5492.5h322257.53752x^15250h〉15375"215250"2215;c〖+375;c;+;c:S500xf+x22S375jc32+《S500L<95其中，^，;4,分別為吸波材料一在x方向上的位置與尺寸，；^,;c:分別為吸波材料一在y方向上的位置與尺寸，《，《分別為吸波材料二在x方向上的位置與尺寸，《,《分別為吸波材料二在y方向上的位置與尺寸。優(yōu)化目標中的Q^和五(^分別是機箱內(nèi)部的耦合度和機箱一米以外正對開口出的泄露場強。吸波材料都貼裝在機箱內(nèi)部。在優(yōu)化中只考慮吸波材料的平面位置和尺寸，厚度為固定的50mm。容許吸波材料的最大面積設(shè)置為46000mm2。參考一般電子器件的溫度容許值，將約束溫度7^設(shè)置為95。2.樣件測試內(nèi)部耦合度測量測量儀器采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，儀器型號wilton37269A，測量場地選在了室內(nèi)。測量用的天線選用中心頻率在730MHz的微帶天線，其帶寬為10%，放置在機箱內(nèi)部。微帶天線采用50歐同軸線饋電。測量實物如圖IO所示。一米外泄漏場強測量泄漏場強測量實驗的儀器和場地與上述耦合度測量相同。其余測試條件也基本相14同，接收天線放置在正對機箱開縫處一米。溫度測量溫度測試的儀器采用FLUKEHYDRASERIESS2。直流穩(wěn)壓電源型號HT-1722F。溫度測試的地點選擇在了室內(nèi)，環(huán)境溫度為室溫。溫度測試的具體實物如圖11所示，機箱左下為直流電源，直流電源上放的是給3個風扇供電的開關(guān)電源。放在機箱上的是測溫儀器。在機箱內(nèi)部指定點安裝兩個5w熱源，兩個熱源串聯(lián)到直流穩(wěn)壓電源。電源的輸出設(shè)為恒定的1A，以能保證熱源的功率為固定的5w。然后把用來測量溫度的熱電偶貼裝在熱源上，熱電偶的引線接到測溫儀讀取溫度數(shù)值。溫度測試得到的測試數(shù)據(jù)如表2:表l:測量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從表l中可以看出，貼裝吸波材料以后一個熱源處溫度變化不大，從82'C到8(TC，另一個熱源的溫度則有了明顯的提升，從62'C到7rC。吸波材料對風道的阻擋對散熱是有一定的影響的。但是由于最高溫度不過82°C，這樣的溫度對電子元器件不會構(gòu)成大的影響，所以機箱內(nèi)部的溫度都在電子設(shè)備安全工作的限度以內(nèi)。3.優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化的目標函數(shù)迭代曲線如圖7所示，溫度約束條件迭代曲線如圖8所示，面積約束條件迭代曲線如圖9所示。優(yōu)化結(jié)果如表2所示。表2:優(yōu)化結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在優(yōu)化迭代過程中吸波材料的長寬變化和目標有密切的關(guān)系，隨著吸波材料的面積增大，耦合度和泄露場強都有了明顯的改善。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)當吸波材料增大到一定程度的時候，再增大吸波材料面積則對電磁屏蔽效能沒有明顯的提高。從優(yōu)化結(jié)果表2可以看到，通過優(yōu)化機箱的內(nèi)部耦合度和一米外的泄漏場強都明顯下降，內(nèi)部耦合度從-29.7dB降到-42.5dB,—米外的泄漏場強從-13.3dB降到-30.7dB，表明本發(fā)明的優(yōu)化方法是有效的。權(quán)利要求1.一種基于機電熱三場耦合的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟(1)根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境和具體要求，確定機箱結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計尺寸，以此建立初步的機箱CAD模型，用于力學的有限元分析；(2)對初步建立的機箱CAD模型，利用商用軟件Ansys11.0進行力學有限元分析，獲取各種結(jié)構(gòu)力學參數(shù)和箱體變形，并整理成力學分析的數(shù)據(jù)文件；(3)從力學分析的數(shù)據(jù)文件中提取機箱變形后的網(wǎng)格模型信息，進行三場間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化，得到用于電磁和熱分析的網(wǎng)格模型；(4)根據(jù)步驟(1)建立的機箱CAD模型，設(shè)置散熱部件材料的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，風扇的功率流量和環(huán)境溫度這些初步的熱分析參數(shù)；(5)將步驟(3)提取的熱分析網(wǎng)格模型和步驟(4)的熱分析參數(shù)導(dǎo)入商用軟件IcePak4.4.8進行熱分析，得到機箱的溫度場分布，并整理成熱分析的數(shù)據(jù)文件；(6)根據(jù)步驟(1)建立的機箱CAD模型，確定機箱的諧振頻率和吸波材料的電參數(shù)這些初步的電磁分析參數(shù)；(7)將步驟(3)提取的電磁分析網(wǎng)格采用商用軟件Feko5.3進行電磁分析，獲取機箱內(nèi)外的電磁場分布，并整理成電磁分析的數(shù)據(jù)文件；(8)針對機、電、熱三個分析的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)實際工程情況，設(shè)計樣件并對其進行仿真分析，再通過試驗檢驗仿真分析的結(jié)果，得到仿真誤差，根據(jù)該仿真誤差修正機箱CAD模型的分析結(jié)果；(9)根據(jù)修正后的分析結(jié)果判斷機箱設(shè)計是否滿足要求，如果滿足要求，則優(yōu)化設(shè)計結(jié)束，輸出機箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，否則，修改初步的CAD模型、電磁分析參數(shù)和熱分析參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至步驟(8)，直至滿足要求。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(3)所述的三場間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化，包括如下步驟(2a)將機箱變形后的網(wǎng)格模型中存在交疊網(wǎng)格合并(2b)將機箱變形后的網(wǎng)格模型中的中間節(jié)點轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格節(jié)點；(2c)從機箱變形后的網(wǎng)格模型中提取板殼單元網(wǎng)格的節(jié)點；(2d)從機箱變形后的網(wǎng)格模型中提取實體單元表面網(wǎng)格的節(jié)點；(2e)將所提取的網(wǎng)格節(jié)點重組成新的網(wǎng)格單元；(2f)根據(jù)電磁和熱分析精度要求細化新組成的網(wǎng)格單元。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(6)所述的確定機箱的諧振頻率和吸波材料的電參數(shù)，包括如下步驟-(3a)根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)尺寸通過理論公式計算理論諧振頻率，該理論諧振頻率計算公式為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中a和/是機箱的尺寸，e是介電常數(shù)，p是磁導(dǎo)率，c是光速，尸是模式。(3b)使用電磁分析軟件，在理論諧振頻率附近掃頻，找到場強最強的諧振頻率點，作為機箱的實際諧振頻率；(3c)根據(jù)吸波材料生產(chǎn)商提供的相關(guān)屬性參數(shù)，或者借用公開文獻中的設(shè)定值，或者先假設(shè)一個值，確定吸波材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、電損耗正切和磁損耗正切。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(8)所述的根據(jù)樣件試驗修正分析結(jié)果，包括如下步驟(4a)按照初步的CAD模型，加工制造機箱實物樣件；(4b)針對樣件，測量機箱內(nèi)外的電場分布值；(4c)針對樣件，測量機箱內(nèi)部的溫度分布值；(4d)將樣件仿真的結(jié)果記為C仿真，將樣件測試的結(jié)果記為C測試，如果誤差"-[(c測試-C仿真)/C測試]xO/。，在15%以內(nèi)，則認為仿真模型與實際樣件符合，否則，修改仿真模型直至滿足15%的要求為止；(4e)對優(yōu)化設(shè)計中針對實際機箱模型的進行仿真，并將該仿真結(jié)果記為^仿真，然后使用上述的誤差"，修正仿真結(jié)果為￡aw=g。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(2a)所述的合并交疊網(wǎng)格，按如下步驟進行(5a)在模型層面通過幾何布爾運算將交疊的網(wǎng)格部分合并或者刪除；(5b)在網(wǎng)格層面通過節(jié)點融合將交疊網(wǎng)格的重合節(jié)點合并。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(2b)所述的中間節(jié)點轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格節(jié)點，按如下步驟進行(6a)針對分析軟件，按照網(wǎng)格單元類型，尋找其網(wǎng)格節(jié)點編號規(guī)律；(6b)根據(jù)節(jié)點編號規(guī)律，區(qū)分中間節(jié)點和網(wǎng)格節(jié)點，并取出中間節(jié)點；(6c)連接相鄰中間節(jié)點，與原有網(wǎng)格節(jié)點組成新的網(wǎng)格；(6d)對不同的網(wǎng)格單元類型，都按照上述步驟進行，則所有的中間節(jié)點轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格節(jié)點。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其中步驟(3c)所述的確定吸波材料的參數(shù)值，通過如下步驟進行(7a)查閱吸波材料的文獻資料，初步確定其大部分參數(shù)的取值；(7b)根據(jù)吸波材料的分析理論，假設(shè)剩余參數(shù)的取值范圍；(7c)在初步確定取值和范圍的基礎(chǔ)上，通過軟件仿真尋優(yōu)，確定參數(shù)具體取值。全文摘要本發(fā)明公開一種電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，主要解決機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時難以兼顧機、電、熱多方面設(shè)計要求的問題。其實施步驟是從機電熱三場耦合的角度研究，確定機箱的初步設(shè)計尺寸，利用軟件Ansys進行力學分析；進行三場間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化，得到用于電磁和熱分析的網(wǎng)格模型；設(shè)置熱分析參數(shù)，使用IcePak軟件進行熱分析；確定機箱的諧振頻率和吸波材料的電參數(shù)，使用Feko軟件進行電磁分析；通過樣件試驗修正分析結(jié)果；判斷機箱是否滿足設(shè)計要求，如果滿足要求，則優(yōu)化設(shè)計結(jié)束，否則，修改初步的CAD模型、電磁分析參數(shù)和熱分析參數(shù)，重復(fù)上述過程，直至滿足要求為止。試驗表明，本發(fā)明的設(shè)計能夠兼顧機電熱多方面要求，可用于電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。文檔編號G06F17/50GK101510229SQ200910021618公開日2009年8月19日申請日期2009年3月20日優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日發(fā)明者暉喬,瑜何,姜世波,曾立志,鵬李,段寶巖,寧韓,馬伯淵申請人:西安電子科技大學