环境适应性设计讲义稿.docx

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环境适应性设计讲义稿

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环境适应性设计

一个产品要成为被广大消费者所接受的商品一个产品要成为一种招之既来来之能战战之能胜的武器除了它的功能和性能外就是它对环境的适应性和使用的可靠性

任何产品都处于一定的环境之中在一定的环境条件下使用运输和贮存因此都逃脱不了这些环境的影响特别恶劣的条件下工作的产品更是如此产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计因此要研制出一个环境适应性好的产品首先抓的是环境适应性设计设计奠定了产品的固有环境适应性

1环境适应性的设计步骤

1确定产品寿命期的环境剖面

一个产品从出厂到报废除使用过程中的平台环境条件外还要经受到运输和贮存环境条件另外还涉及到经受各种环境因素的概率所谓环境剖面就是产品全寿命期所遇到的各种环境因素及其出现概率可见作为环境适应性设计的第一步应知道产品全寿命期的环境剖面并以此作为设计依据

所以与使用方甲方谈判合同任务书研制总要求时一定要认真对待因为它直接关系到技术方案和研制成本

2明确产品的平台环境条件

当前产品的环境适应性设计基本上以标准中的考核条件为设计依据的其目的是交付结果是使用中仍然故障不断究其原因其中最重要的是产品实际所经受到的环境条件并不是标准中给出的环境条件即标准中的试验条件或试验严酷等级所以当前国外的最新标准对整机已不规定具体的试验条件即试验严酷等级只给出自然或诱发环境条件的参考量值例如2000版的MIL-STD-810F即将发布实施的GJB150-200X军用装备实验室试验方法特别是后者即新的GJB150更是如此在原GJB150中均有试验条件一章例如高温为70℃低温为-55℃湿热高温高湿60℃95低温高湿30℃95新的GJB150就没有这一章取而代替的是确定试验条件所谓确定试验条件实质就是根据产品的安装平台环境条件来确定标准给出的仅是供参考的区域气候分区环境条件或常用运载工具的环境条件可见作为环境适应性的设计的第一步首先要弄清产品的平台环境条件特别是大型系统工程各分系统子系统设备分机所经受到的环境条件又不同于整个系统所经受到的环境条件

3制订环境适应性设计准则

一个产品通常有许多分机组成特别是大型系统工程会更有许多分系统子系统设备单元组成因此要搞好环境适应性设计必须制定能保证产品环境适应性的统一设计准则让每一设计师进行环境适应性设计时有统一的依据环境适应性设计准则应采用先进的成熟的材料工艺结构等并且有好的费效比

4环境适应性设计输入验证

一个产品完成了环境适应性设计输入后如果这种设计没有以前试验结果报告证实是可行的则应进行设计验证试验来证明可行的

5环境适应性设计评审

环境适应性设计评审是对环境适应性设计输入进行的全面系统审查从中发现环境适应性设计中的薄弱环节提出改进意见完善设计降低设计风险

2环境适应性的设计原则

进行环境适应性设计时可按下列原则进行

1减缓影响产品的环境应力增强产品自身耐环境应力的能力

环境适应性设计首先应综合考虑所设计产品可能经受到的各种环境因素及其应力采用减缓环境应力的措施增强自身耐环境应力的能力即用有效的防护设计材料工艺等来达到所设计产品的环境适应性要求

2逐级明确防护对象和防护等级

按从大到小的顺序即从系统整机单元零部件模块元器件到材料逐级明确防护对象和防护等级

3建立有效合理的防护体系

环境适应性设计应从多方面入手采用合理的结构设计正确选择材料严格进行计算并确定使用应力选用稳定的加工装联工艺建立有效合理的防护体系

4综合考虑环境因素的不良影响

一种环境因素可能产生多种不良影响一种不良影响往往是多种环境因素协同作用的结果设计时应予以综合考虑

耐高低温设计

温度对产品的影响是众所周知的

低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响凡是在低温下贮存和使用的产品由于低温的影响构成产品的各种材料的物理性能℃35℃-45℃60℃-55℃70℃非工作-45℃70℃-55℃70℃-55℃70℃2空警200工作-5℃35℃-45℃60℃-55℃70℃非工作-45℃70℃-45℃70℃-55℃70℃3ZDK03工作-5℃35℃-45℃60℃-55℃70℃非工作-45℃70℃-45℃70℃-55℃70℃312确定原则

表3-1中的温度是如何确定的它是根据地面大气温度空中大气温度任务电子系统安装平台的环境温度等确定的而不是通常那样根据军标例如GJB150军用设备环境试验方法来确定不按军标确定设计输入的原因是军标要求太严预警机任务电子系统设备如果完全按GJB150要求研制难度大成本高而且也没有必要当然这样做也是完全符合上面所说的新GJB150确定设计输入与考核要求的原则

3121地面大气温度

全球及我国的地面低温和高温大气温度和诱发温度

a低温

环境试验中的低温条件来自产品所经受到的大气平台环境条件现许多产品特别是军品基本上来自各种标准中的量值例如GJB150等

GJB150基本上等同MIL-STD-810EMIL-STD-810E出发点是其一是全球使用其二是不仅要考虑最低温度的绝对值还要考虑最低温度的出现概率如果不考虑最低温度的出现概率风险率必然会导致过试验对此MIL-STD-810E中是这样考虑的全球最低温度的记录极值不包括南极洲-68℃就出现概率风险率而言

低温出现概率风险率

-51℃-60℉20

-54℃-65℉10

-57℃-71℉5

-61℃-78℉1

考虑正常研制生产成本大多数产品所用的出现概率风险率为20即-51℃对满足特殊的使用例如机载电子设备为10的出现概率风险率即-54℃-65℉我们的GJB150将其取整数为-55℃

2000版的MIL-STD-810F强调根据产品的实际平台环境条件来定产品的设计输入与考核试验条件标准不统一规定一个考核试验条件GJB150的修订版将贯彻这一思路从这一观点出发我国低气温记录极值为的情况为黑龙江的漠河-523℃在全国671观测站中低于观测到-48℃的还有黑龙江的图里河-502℃黑龙江的呼玛-482℃黑龙江的孙吴-481℃内蒙的根河-497℃新疆的富蕴-515℃新疆的青河-497℃青海的玛多-481℃就全国的出现概率风险率而言

低温出现概率风险率

-413℃-60℉20

-441℃-65℉10

-461℃-71℉5

-488℃-78℉1

从上述数据可见在全国范围内使用取10的出现概率风险率-441℃-65℉就可以了-441℃取整数为-45℃我国军用车辆标准就是以此-45℃为标准的998工程地面的贮存要求也是以此-45℃为标准的即没有按-55℃来要求空警200ZDK03

气密舱内设备和天线罩平衡木内设备的非工作贮存-地面停放温度也是以此取的-45℃

b高温

全球最高大气温度记录极值为58℃离地12-18米百叶箱内取1的出现概率风险率49℃众所周知实际的高温试验温度都高于此温度因为高温考虑的是诱发温度MIL-STD-810和GIB899中的有二个大家常见的71℃和85℃诱发温度它们考虑的是太阳辐射或其它热源引起的温升例如不通风的罩体内封闭的车体内飞机上有暴露于太阳加热下的表面的舱段内帐篷内密闭的帆布下等

我国最高大气温度记录极值新疆的吐鲁番为477℃吐鲁番地区的艾丁湖为506℃吐鲁番民航机场为496℃南昌为41℃长沙为43℃洛阳为44℃江西修水为44℃就全国的出现概率风险率而言

高温出现概率风险率

400℃20

441℃10

429℃5

455℃1

对高温一般取1的出现概率风险率即使这样高温试验的量值也远高于此温度因为上面已经说了高温考虑的是诱发温度例如

表3-2

1停放地点电子舱内温度同一时刻大气温度2新疆吐鲁番

民航机场647℃476℃3南昌

向塘机场607℃41℃4长沙

大托铺机场571℃43℃对表7-1中647℃的值取1的出现概率风险率为62℃出于这种考虑对高温贮存我们还是用70℃的温度值即对三种预警机的非工作温度贮存-地面停放取的是70℃这一温度对预警机是要求高了特别是对气密舱内设备选这一温度是为了向GJB150靠的结果

3122空中大气温度

a空中低温

空中大气温度是确定天线罩和平衡木内温度的任务电子设备工作温度的依据空中大气低温见表3-3

表3-3

高度

KM几何高度压力高度气温℃出现月份地点气温℃出现月份地点极值

●风险率

10■月份地点极值

●风险率

10■月份地点1-384-317●1

■2●嫩江

■海拉尔-388-315●1

■1●嫩江

■海拉尔2-402-304●12

■2●嫩江

■嫩江-388-300●12

■1●嫩江

■嫩江4-492-391●12

■1●嫩江

■嫩江-475-373●12

■2●嫩江

■嫩江6-566-497●2

■2●伊春

■嫩江-529-469●2

■1●伊春

■嫩江8-666-579●2

■1●林江

■嫩江-619-555●12

■2●伊春

■嫩江10-710-644●1

■1●海拉尔

■阿勒泰-734-625●5

■1●丹东

■阿勒泰12-748-671●5

■1●海流图

■阿勒泰-746-673●5

■1●海流图

■阿勒泰14-765-681●12

■1●连平

■台北-779-710●7

■9●藤冲

■马公16-852-795●3

■1●马公

■马公-874-820●3

■0●马公

■马公18-867-818●2

■1●连平

■西沙岛-882-817●6

■12●榆林港

■西沙岛20-874-762●12

■3●榆林港

■西沙岛-872-755●12

■2●榆林港

■西沙岛22-796-690●7

■2●南阳

■复兴镇-798-687●7

■12●南阳

■复兴镇24-714-629●12

■12●拉萨

■马公-719-632●12

■3●拉萨

■海口26-690-604●4

■12●克拉玛依

■定日-697-623●12

■12●汉中

■克拉玛依28-676-557●1

■1●伊宁

■北京-677-558●1

■2●伊宁

■北京30-696-564●2

■1●黑河

■安庆-690-565●2

■1●黑河

■安庆从表3-3可见在预警机的飞行高度上就空中最低大气温度而言是低于-55℃的但对天线罩内和平衡木内设备有壳体保温与空气摩擦升温对外部设备有飞行速度与空气的摩擦升温所以取-55℃已足够对此从下表3-4与表3-5表3-4与表3-5中的数据是航定委的实测资料可见即便大气温度到-72℃飞机以380kmh的慢速飞行由于有蒙皮作用电子设备周围的温度也达不到-55℃因此对预警机而言天线罩内和平衡木内设备的工作与非工作低温取-55℃已是一个很保守的数据了从下表3-4与表3-5还可见即便大气温度到-72℃飞机以380kmh的慢速飞行内蒙皮的温度也不到-50℃由于飞机蒙皮很薄因此外部设备由于有与空气的摩擦升温所以-55℃也足够了

表3-4广州沙提机场歼七飞机表速380kmh

高度

大气温度

部位16000m15000m11000m10000m-72

℃-72

℃-71

℃-69

℃-69

℃-555

℃-555

℃-445

℃上特设舱盖内蒙皮-475-499-498-481-431-418-421-34下特设舱盖内蒙皮-475-461-484-463-472-406-404-329上设备舱电台接收机外壁-198-369-344-383-379-364-372-294上设备舱测距器傍空间-365-198-198-198-198-198-198-198下特设舱无线电罗盘与信标天线之间-344-335-354-368-358-326-326下特设舱无线电罗盘与陀螺之间-321-354-331-369-363-327-335-224下特设舱无线电罗盘机壳外壁-21-19-45-60-39-36-12-00

表3-5齐齐哈尔三家子机场歼七飞机表速400kmh

高度

大气温度

部位9000m10000m11000m12000m-595

℃-57

℃-51

℃-60

℃-60

℃-51

℃-47

℃-535

℃上设备舱内蒙皮-432-419-38-459-457-349-295-358下设备舱内蒙皮-424-413-373-439-452-347-287-349垂直尾翼器空间-422-404-361-407-442-322-282-339下特设舱无线电罗盘与信标天线之间-393-393-339-389-407-313-256-294下特设舱无线电罗盘与陀螺之间-354-343-311-382-371-283-229-265下特设舱无线电罗盘机壳外壁-194-165-179-203-207-166-61-80上设备舱电台接收机外壁-293-251-245-266-304-215-158-187b空中高温

空中高温是指在高空负温下高速飞机与空气摩擦导致飞机蒙皮高温例如根据航定委实测资料在12000m以M20速度飞行时飞机蒙皮会产生937℃而导致电子设备周围的高温由于预警机在高空以巡航速度飞行所以这不是一个需要考虑的问题

32设计措施

电子设备的耐高低温设计应从下列三方面进行

321合理的结构设计

合理的结构设计是电子设备耐高低温设计最为重要的保证

进行耐高低温结构设计时首先应综合考虑总功耗功率密度热源分布热敏感性与失效率相适应的元器件温度极限体积重量热环境等因素如需进行热设计可按表3-3规定的单位传热面积的热耗从结构设计上选择电子元器件单元模块整机的最佳冷却方案

表3-3温升为40℃环境温度25℃单位传热面积的最大热耗量

冷却方法分立器件组成的模块

传热面积计算含散热器面积集成器件组成的模块

传热面积计算含散热器面积自然对流800Wm2800Wm2冷板自然对流1500Wm2强迫空气冷却3000Wm2气冷式冷板16000Wm23400Wm2液冷自然对流20000Wm2液冷式冷板16×105Wm2a电子元器件的冷却设计

应根据电子元器件安装处的平台环境条件按GJB299B的规定确定元器件模块的最大结温和减额准则

装有散热器的微电子集成器件和分立半导体器件应根据其单位传热面积的最大热耗散量按表3-3选取其冷却方法

使用的红外探测器计算机存贮器参量放大器等器件以及需要提供负温或恒温工作模块其冷却负载小于300W时宜选用温差电致冷却

速调管行波管等大功率器件应优先选用液冷

单个电子器件如集成器件分立式半导体器件大功率器件应根据温升限值设置散热器或独立的冷却装置

对关键的器件模块的冷却装置应采用冗余设计冗余量按分配给关键的器件模块的可靠度而定

热敏器件应远离热源安置必要时应考虑热绝缘或恒温措施

互连用的导线线缆器材等应考虑因温度引起的澎账收缩造成的故障

b印刷电路板组件的热设计

印刷电路板上的电子元器件应采用正确的热安装技术

印刷电路板上的的功率器件应采用有效的措施降低器件与散热器界面的接触热阻

印刷电路板应优选导热条印刷板或金属夹心印刷板

印刷电路板的导热条夹紧装置≥19mm印刷电路板上的最高电子元器件的顶点与插箱箱壁的间距也应足够对流通常≥23mm

c插箱的冷却设计

应根据插箱中模块单元传热面积的热耗量按按表3-3选取其冷却方法

采用强迫空气冷却的插箱应使流经印刷板的气流与热耗电子器件进行充分热交换如安装紊流器等措施以提高热交换效果

密封式插箱的两侧壁应采用冷板装置并使印刷电路板与两侧壁的热流通路阻力和对流空气的流道阻力最小

d机柜的冷却设计

机柜中各单元热量分布均匀时可采用抽风冷却非均匀热源采用鼓风冷却对热耗大的可采用并联风机布置阻力大的机柜可采用串联风机配置必要时采用并串联相结合的风机配置

密封式机柜内的热耗量大于1000W时宜采用气-液混合冷却等多种方式混合冷却系统的流道风液的通路应专门设计以使阻力最小混合冷却系统的热性能应按GBT12993的规定进行检测

e冷板设计

密封式机柜插箱模块应优先采用紧凑式冷板装置作为热交换器

应根据热源的分布集中均布非均布热流密度许用温度冷板流通通道的许用压降和冷板的工作环境条件的等综合因素进行冷板设计

冷板的冷却剂空气淡水等必需经过处理冷板的换热计算和结构强度计算可按GJB227中的规定进行冷板的热性能检测应按GJB12993的规定进行

f冷却系统冷却

就冷却系统而言在环境极值条件下应能提供足够的冷却能力在设备维修期间冷却系统也应具有冷却能力在紧急措施情况下一旦正常的冷却系统无法工作应有备用措施或保护措施冷却系统应设置有显示运行时冷却剂空气●强迫空气对流冷却系统设计

应根据插箱的热耗量和内部阻力选择合适的通风机设计合理的空气流通通道应尽量减少风道的沿途阻力和局部阻力以保证各个需要冷却的部位得到其所需的风量

强迫空气对流和自然空气对流的流通方向应尽可能保持一致冷却空气应首先流经对温度敏感的元器件和温度低的元器件

冷却空气的进出口应相互错开不得形成气流短路或断路进出风口的大小应与冷却空气的流速相适应进出风口的温差不应超过14℃

冷却空气的进口处应设计有防尘防污装置通风口还应考虑电磁兼容和安全性要求

●液体冷系统设计

对采用强迫空气对流冷却还达不到冷却要求的部位可考虑采用液冷方式采用液冷系统时其设计应结合电子设备的使用特点进行

冷却剂一次冷却剂选用淡水或其它冷却介质二次冷却剂选用空气或冲压空气冷却剂的出口温度应比周围空气的露点温度高10℃以上冷却剂在最高工作温度时不产生沸腾最低工作温度时不产生凝结冷却剂的国军标为GJB144680

液冷系统液体流通通道应设计合理泵的选择应与冷却剂兼容并符合供电要求热交换器的选择应为换热效率高体积小重量轻通过热交换器的热降不得超过70KPa液冷系统的连接管道特别位于被冷设备中的管道其接头处应有严密的防漏措施不允许有渗漏现象以例说明管道系统应装有快速自动密封接头和排空装置便于维修

采用淡水冷却的系统应设置定期监控水质变化保证水的质量符合规定指标的装置

322正确地选择材料

a尽量选择对温度变化不敏感的材料采用经优选认证或经多年实践证明可靠的金属和非金属材料

b选择的材料在温度变化范围内不应发生机械故障或破坏完整性如机件变形破裂强度降低等级材料发硬变脆局部尺寸改变等

c选择膨胀系数不一的材料时应确定其在温度变化范围内不粘结或相互咬死

d选择的润滑剂应在温度变化范围内能保证其粘度流动性稳定

323采用稳定的加工装联工艺

a在高标准的制造和装配环境下进行电子设备的加工装联工艺

b对于电子设备机箱内各个组件应采取合适的热安装技术而对于印制板组件其板上的电子元器件同样应采取正确的热安装技术

c采用新型的经验证的或典型的可靠的天线机箱及印制板涂装工艺金属电镀工艺等确保其工艺涂镀层在温度变化范围内不出现不符合标准的保护性及装饰性评价

防潮设计

产品在热带●物理性能变化

湿热环境环境可以引起材料的机械性能和化学性能的变化如体积膨胀●电性能

由于凝露和吸附作用使绝缘材料的表面绝缘电阻下降另外由于水份的吸收和扩散渗透作用使绝缘材料的体积电阻下降损耗角增大从而产生漏电流对整机设备将会导致灵敏度降低频率漂移

●腐蚀作用

湿热的腐蚀作用主要是由于空气中含有少量的酸

高温高湿段55℃95％RH保持6h

降温段55℃～38℃≥85％RH保持16h

上述为一个循环一次试验共6各循环

对上述的设计输入条件如何理解在此作如下解释

潮湿通常有高温高湿高温低湿低温高湿高湿是指相对湿度超过80的环境根据多年的气象记录统计我国高湿以长江为界长江以南超过90相对湿度的天数占全年的20以上超过80相对湿度的天数占全年的50以上高温高湿的全国极值记录为四川遂宁气温314℃相对湿度100全国171个观测站中高温高湿的极值记录如表4-1所示

表4-1

观测站相对湿度气温时间广西捂州98329℃1968年8月5日四川遂宁100304℃1953年8月14日安徽蚌埠100292℃1952年8月1日湖北孝感100282℃1973年7月30日郑州100280℃1961年7月23日从上面的数据可见大气中不存在湿热试验中的那种温度与湿度自然界能产生95相对湿度的最高温度不超过35℃IEC环境条件标准指出对不通风的密闭体内在全世间最恶劣的诱发环境条件-65℃～85℃中使用达到95相对湿度时的温度为50℃其余为在-25℃～70℃范围内达到95的温度为40℃在-40℃～70℃范围内达到95的温度为45℃可见所有标准中的湿热试验条件都不是环境条件而是试验条件即从对产出影响等效提出试验条件所以美军标MIL-STD-810F环境试验方法和工程导则高温高湿低温高湿试验周期温度相对湿度温度相对湿度地面和机载电子设备60℃9530℃9510地面起动控制设备和

舰船设备60±5℃9530±℃955弹药自然环境周期40℃9021℃9520表4-3HB583011-86机载设备湿热环境条件及试验方法

试验阶段温度℃相对湿度时间h周期C升温30-60±295±52

10高温高湿60±295±56降温60-30±2≥858低温高湿30±295±58从表4-2和表4-3可见对三种预警机任务电子系统的防潮设计输入我们既没有用GJB1509-86的要求也没有用HB583011-86中的要求其理由是预警机有空调系统与民航机更接近而GJB1509-86和HB583011-86是出于对战斗机的考虑

42设计措施

421结构设计

在不影响设备性能的前提下应尽可能采用气密密封机箱密封设计可多层次进行单元模块单独密封22防潮处理

a憎水处理

通过一定的工艺处理降低产品的吸水性或改变其亲水性如用硅有机化合物蒸气处理可提高产品的憎水能力

b浸渍处理

用高强度与绝缘性能好的涂料填充某些绝缘材料各种线圈中的空隙小孔毛细管等浸渍处理除可以防潮外还可以提高纤维绝缘材料的击穿强度热稳定性化学稳定性以及提高元器件的机械强度等

c灌封

用环氧树脂蜡沥青油不饱和聚酯树脂硅橡胶等有机绝缘材料加热熔化后注入元器件本身或元器件与外壳间的空间或引线的空隙冷却后