一種星載產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星載產(chǎn)品的仿真優(yōu)化分析方法，特別是一種采用ANSYSWorkbench軟件對星載電子產(chǎn)品進行熱仿真分析并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，適用于星載電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]最近幾年中國衛(wèi)星的發(fā)射間隔越來越密集，對星上電子產(chǎn)品需求大量增加。尤其航天器上的電子產(chǎn)品長期處于真空環(huán)境下，周圍沒有空氣對流，熱量擴散主要靠傳導(dǎo)和對外輻射，容易造成電子產(chǎn)品工作溫度過高導(dǎo)致產(chǎn)品壽命降低甚至損壞。
[0003]以往工程師主要憑經(jīng)驗設(shè)計電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致設(shè)計效率低，可靠性不高，且設(shè)計流程不夠規(guī)范。面對日益復(fù)雜的電子設(shè)備和眾多的熱源，很難保證電子產(chǎn)品熱設(shè)計的可靠性，而且整個設(shè)計過程耗時較長，難以滿足眾多的市場要求。如何能夠在短時間內(nèi)設(shè)計出適應(yīng)市場需求的高質(zhì)量星載電子產(chǎn)品，對航天器的在軌長時間可靠工作具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有星載電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計效率低、可靠性不高和結(jié)構(gòu)笨重等問題，提供提出了一種基于ANSYS Workbench對星載電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行熱仿真并優(yōu)化的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種星載產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0006](A)在Pro/E中建立印制電路板和支撐殼體的三維模型；所述的支撐殼體包含用于安裝印制電路板的凸臺，所述的印制電路板包含覆銅以及穩(wěn)壓塊和電阻兩類發(fā)熱器件，所述的印制電路板通過安裝螺釘固定在凸臺上；
[0007](B)將Pro/E中建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，并設(shè)定凸臺的直徑變化范圍，以及支撐殼體、安裝螺釘、印制電路板、覆銅、穩(wěn)壓塊和電阻的材料；
[0008](C)在ANSYS Workbench中根據(jù)凸臺的直徑變化范圍對凸臺的直徑、三維模型的總質(zhì)量以及印制電路板的最高溫度分別進行參數(shù)化；
[0009](D)設(shè)定穩(wěn)壓塊和電阻按照各自的額定功率進行工作，通過仿真得到凸臺的直徑和三維模型總質(zhì)量之間相互關(guān)系的第一函數(shù)曲線，以及凸臺的直徑和印制電路板的最高溫度之間相互關(guān)系的第二函數(shù)曲線；
[0010](E)在運載允許的三維模型總質(zhì)量最大值范圍內(nèi)，查找第一函數(shù)曲線得到相應(yīng)的凸臺的直徑，然后根據(jù)凸臺的直徑查找第二函數(shù)曲線得到相應(yīng)的印制電路板的最高溫度值；
[0011](F)判定步驟(E)得到的印制電路板的最高溫度值是否符合熱控要求，如果符合要求則減小凸臺的直徑，重復(fù)步驟(E)得到符合熱控要求前提下，三維模型總質(zhì)量最小時所對應(yīng)的凸臺直徑作為最終加工尺寸輸出；如果不符合要求則重新調(diào)整凸臺的直徑變化范圍，并重復(fù)步驟(C)?(E)得到符合熱控要求前提下，三維模型總質(zhì)量最小時所對應(yīng)的凸臺直徑作為最終加工尺寸輸出。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0013](I)本發(fā)明方法在Pro/E中設(shè)計并簡化產(chǎn)品三維模型，通過去掉不必要的倒角和模型特征，提高了 ANSYS Workbench模型網(wǎng)格劃分所需要的時間并提高了仿真的精度，進而提尚了仿真的效率和準(zhǔn)確性；
[0014](2)本發(fā)明方法由于模型采用參數(shù)化的設(shè)置，可以得到一系列的溫度、質(zhì)量的數(shù)值，并在此基礎(chǔ)上擬合成相應(yīng)的函數(shù)曲線，通過對各個參數(shù)的均衡處理，可以快速選取得到最優(yōu)的設(shè)計；
[0015](3)本發(fā)明方法通過ANSYS Workbench優(yōu)化可以將最終凸臺直徑參數(shù)實時反饋到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，通過直接修改相應(yīng)三維結(jié)構(gòu)模型并再次進行仿真優(yōu)化，可以大大減少重新建模的時間，提高設(shè)計效率和可靠性；與此同時，本發(fā)明方法最終確定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)即為滿足運載要求的產(chǎn)品最小質(zhì)量，可以減輕運載負擔(dān)；
[0016](4)在本發(fā)明方法的基礎(chǔ)上，通過增加相應(yīng)邊界條件，如:空氣對流、材料、電路板器件分布參數(shù)等，即可廣泛應(yīng)用于地面、艦載和機載的電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和可靠性。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明方法所涉及的電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明方法所涉及的印制電路板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明方法的流程框圖。
[0020]其中I為安裝殼體，2為安裝螺釘嗎，3為印制電路板，4為安裝殼體上的凸臺，5為印制電路板上的覆銅，6為穩(wěn)壓塊，7為電阻。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的方法主要考慮如下幾個因素:
[0022](I)實際產(chǎn)品中的微小電子元器件結(jié)構(gòu)、表面涂覆層等詳細內(nèi)容會增加計算的難度、增長運算時間，而且有時會因為模型過于復(fù)雜而導(dǎo)致模型網(wǎng)格劃分失敗，所以本發(fā)明在模型建立時對模型進行必要的簡化。模型簡化包括去掉倒角、不必要的安裝孔、非必須的特征以及電路板上元器件。其中電路板上不發(fā)熱的元器件如果對散熱沒有影響可以直接去掉，發(fā)熱元器件簡化為單一材料模塊。簡化模型更容易被解算器所接受，大大減少網(wǎng)格單元數(shù)量，能在很大程度上減少磁盤用量、內(nèi)存及分析時間的耗用；
[0023](2)電子產(chǎn)品為星載電子設(shè)備，熱交換主要由熱傳導(dǎo)和熱輻射組成。其中熱傳導(dǎo)是主要的散熱方式，所以電路板上發(fā)熱器件如何傳遞熱量對電子產(chǎn)品影響很大。通常電子產(chǎn)品是通過加大接觸面來提高熱導(dǎo)率的，但這一般會導(dǎo)致設(shè)備重量的增加。本發(fā)明通過對模型參數(shù)化處理，可以大量取樣，找出最優(yōu)的溫度與重量的平衡方案；
[0024](3)電子產(chǎn)品使用仿真軟件進行優(yōu)化分析最重要的是確定其關(guān)鍵尺寸結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果，并對其進行參數(shù)化。為此，需要明確仿真分析的最高溫度，最大重量等參數(shù)；
[0025](4)Design Explorer作為ANSYS Workbench中的快速優(yōu)化工具，實際上它是通過設(shè)計點(可以增加設(shè)計點)的參數(shù)來研宄輸出或?qū)С鰠?shù)的，但因一般輸入設(shè)計點是有限的，所以也是通過有限個設(shè)計點擬合成響應(yīng)曲面(線)來研宄。本發(fā)明采用DesignExplorer中的相關(guān)參數(shù)(Parameter Correlat1n)方法，使用相關(guān)參數(shù)(ParameterCorrelat1n)方法可以自定義設(shè)計點的樣本數(shù)量，樣本的數(shù)量越多，其最后結(jié)果越接近最優(yōu)，但相應(yīng)計算時間會延長，所以選取合適的樣本數(shù)是比較重要的。
[0026]如圖1所示為星載電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的示意圖，它包括印制電路板3，安裝殼體1，安裝螺釘2。本圖中作為熱仿真分析，所以省略掉了對熱影響不大的結(jié)構(gòu)，如蓋板、接插件和安裝角等。星載產(chǎn)品為了減少自身的重量，印制電路板3經(jīng)常需要安裝在安裝殼體I的圓柱凸臺4上。圖2為印制電路板3的結(jié)構(gòu)示意圖。印制電路板3上的微小電子元器件結(jié)構(gòu)、表面涂覆層等詳細內(nèi)容會增加計算的難度、增長運算時間，而且有時會因為模型過于復(fù)雜而導(dǎo)致模型網(wǎng)格劃分失敗，所以本發(fā)明中將印制電路板3簡化為表面覆銅5、以及兩類發(fā)熱器件(穩(wěn)壓塊6和電阻7)。使用三維建模軟件Pro/E建立相應(yīng)模型，然后通過ANSYS Workbench插件將模型導(dǎo)入ANSYS Workbenc