一种星载产品结构参数的仿真优化方法.pdf

一种星载产品结构参数的仿真优化方法，步骤为：(A)在Pro/E中建立印制电路板(3)和支撑壳体(1)的三维模型；(B)将三维模型导入到ANSYS Workbench中，并设定凸台(4)的直径变化范围；(C)对凸台(4)直径、三维模型总质量、印制电路板(3)最高温度分别参数化；(D)通过仿真得到凸台(4)直径和三维模型总质量关系的第一函数曲线，凸台(4)直径和印制电路板(3)最高温度关系的第二函数曲线；(E)查找第一函数曲线得到相应的凸台(4)直径，然后根据凸台(4)直径查找第二函数曲线得到相应的印制电路板(3)最高温度；(F)迭代得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台(4)直径作为最终加工尺寸输出。

权利要求书
1.  一种星载产品结构参数的仿真优化方法，其特征在于包括如下步骤：
(A)在Pro/E中建立印制电路板(3)和支撑壳体(1)的三维模型；所述的支撑壳体(1)包含用于安装印制电路板(3)的凸台(4)，所述的印制电路板(3)包含覆铜(5)以及稳压块(6)和电阻(7)两类发热器件，所述的印制电路板(3)通过安装螺钉(2)固定在凸台(4)上；
(B)将Pro/E中建立的三维模型导入到ANSYS Workbench中，并设定凸台(4)的直径变化范围，以及支撑壳体(1)、安装螺钉(2)、印制电路板(3)、覆铜(5)、稳压块(6)和电阻(7)的材料；
(C)在ANSYS Workbench中根据凸台(4)的直径变化范围对凸台(4)的直径、三维模型的总质量以及印制电路板(3)的最高温度分别进行参数化；
(D)设定稳压块(6)和电阻(7)按照各自的额定功率进行工作，通过仿真得到凸台(4)的直径和三维模型总质量之间相互关系的第一函数曲线，以及凸台(4)的直径和印制电路板(3)的最高温度之间相互关系的第二函数曲线；
(E)在运载允许的三维模型总质量最大值范围内，查找第一函数曲线得到相应的凸台(4)的直径，然后根据凸台(4)的直径查找第二函数曲线得到相应的印制电路板(3)的最高温度值；
(F)判定步骤(E)得到的印制电路板(3)的最高温度值是否符合热控要求，如果符合要求则减小凸台(4)的直径，重复步骤(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台(4)直径作为最终加工尺寸输出；如果不符合要求则重新调整凸台(4)的直径变化范围，并重复步骤(C)～(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台(4)直径作为最终加工尺寸输出。

说明书一种星载产品结构参数的仿真优化方法
技术领域
本发明涉及一种星载产品的仿真优化分析方法，特别是一种采用ANSYS Workbench软件对星载电子产品进行热仿真分析并优化结构参数的方法，适用于星载电子产品的结构设计。
背景技术
最近几年中国卫星的发射间隔越来越密集，对星上电子产品需求大量增加。尤其航天器上的电子产品长期处于真空环境下，周围没有空气对流，热量扩散主要靠传导和对外辐射，容易造成电子产品工作温度过高导致产品寿命降低甚至损坏。
以往工程师主要凭经验设计电子产品的结构，导致设计效率低，可靠性不高，且设计流程不够规范。面对日益复杂的电子设备和众多的热源，很难保证电子产品热设计的可靠性，而且整个设计过程耗时较长，难以满足众多的市场要求。如何能够在短时间内设计出适应市场需求的高质量星载电子产品，对航天器的在轨长时间可靠工作具有重要的意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有星载电子产品结构设计效率低、可靠性不高和结构笨重等问题，提供提出了一种基于ANSYS Workbench对星载电子产品结构进行热仿真并优化的方法。
本发明的技术解决方案是：一种星载产品结构参数的仿真优化方法，包括如下步骤：
(A)在Pro/E中建立印制电路板和支撑壳体的三维模型；所述的支撑壳体包含用于安装印制电路板的凸台，所述的印制电路板包含覆铜以及稳压块和电阻两类发热器件，所述的印制电路板通过安装螺钉固定在凸台上；
(B)将Pro/E中建立的三维模型导入到ANSYS Workbench中，并设定凸台的直径变化范围，以及支撑壳体、安装螺钉、印制电路板、覆铜、稳压块和电阻的材料；
(C)在ANSYS Workbench中根据凸台的直径变化范围对凸台的直径、三维模型的总质量以及印制电路板的最高温度分别进行参数化；
(D)设定稳压块和电阻按照各自的额定功率进行工作，通过仿真得到凸台的直径和三维模型总质量之间相互关系的第一函数曲线，以及凸台的直径和印制电路板的最高温度之间相互关系的第二函数曲线；
(E)在运载允许的三维模型总质量最大值范围内，查找第一函数曲线得到相应的凸台的直径，然后根据凸台的直径查找第二函数曲线得到相应的印制电路板的最高温度值；
(F)判定步骤(E)得到的印制电路板的最高温度值是否符合热控要求，如果符合要求则减小凸台的直径，重复步骤(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台直径作为最终加工尺寸输出；如果不符合要求则重新调整凸台的直径变化范围，并重复步骤(C)～(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台直径作为最终加工尺寸输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法在Pro/E中设计并简化产品三维模型，通过去掉不必要的倒角和模型特征，提高了ANSYS Workbench模型网格划分所需要的时间并提高了仿真的精度，进而提高了仿真的效率和准确性；
(2)本发明方法由于模型采用参数化的设置，可以得到一系列的温度、质量的数值，并在此基础上拟合成相应的函数曲线，通过对各个参数的均衡处理，可以快速选取得到最优的设计；
(3)本发明方法通过ANSYS Workbench优化可以将最终凸台直径参数实时反馈到相应的结构模型，通过直接修改相应三维结构模型并再次进行仿真优化，可以大大减少重新建模的时间，提高设计效率和可靠性；与此同时，本发明方法最终确定的产品结构参数即为满足运载要求的产品最小质量，可以减轻运载负担；
(4)在本发明方法的基础上，通过增加相应边界条件，如：空气对流、材料、电路板器件分布参数等，即可广泛应用于地面、舰载和机载的电子产品的结构设计，提高产品的设计效率和可靠性。
附图说明
图1为本发明方法所涉及的电子产品结构示意图；
图2为本发明方法所涉及的印制电路板的结构示意图；
图3为本发明方法的流程框图。
其中1为安装壳体，2为安装螺钉吗，3为印制电路板，4为安装壳体上的凸台，5为印制电路板上的覆铜，6为稳压块，7为电阻。
具体实施方式
本发明的方法主要考虑如下几个因素：
(1)实际产品中的微小电子元器件结构、表面涂覆层等详细内容会增加计算的难度、增长运算时间，而且有时会因为模型过于复杂而导致模型网格划分失败，所以本发明在模型建立时对模型进行必要的简化。模型简化包括去掉倒角、不必要的安装孔、非必须的特征以及电路板上元器件。其中电路板上不发热的元器件如果对散热没有影响可以直接去掉，发热元器件简化为单一材料模块。简化模型更容易被解算器所接受，大大减少网格单元数量，能在很大程度上减少磁盘用量、内存及分析时间的耗用；
(2)电子产品为星载电子设备，热交换主要由热传导和热辐射组成。其中热传导是主要的散热方式，所以电路板上发热器件如何传递热量对电子产品影响很大。通常电子产品是通过加大接触面来提高热导率的，但这一般会导致设备重量的增加。本发明通过对模型参数化处理，可以大量取样，找出最优的温度与重量的平衡方案；
(3)电子产品使用仿真软件进行优化分析最重要的是确定其关键尺寸结构和仿真结果，并对其进行参数化。为此，需要明确仿真分析的最高温度，最大重量等参数；
(4)Design Explorer作为ANSYS Workbench中的快速优化工具，实际上它是通过设计点(可以增加设计点)的参数来研究输出或导出参数的，但因一般输入设计点是有限的，所以也是通过有限个设计点拟合成响应曲面(线)来研究。本发明采用Design Explorer中的相关参数(Parameter Correlation)方法，使用相关参数(Parameter Correlation)方法可以自定义设计点的样本数量，样本的数量越多，其最后结果越接近最优，但相应计算时间会延长，所以选取合适的样本数是比较重要的。
如图1所示为星载电子产品结构的示意图，它包括印制电路板3，安装壳体1，安装螺钉2。本图中作为热仿真分析，所以省略掉了对热影响不大的结构，如盖板、接插件和安装角等。星载产品为了减少自身的重量，印制电路板3经常需要安装在安装壳体1的圆柱凸台4上。图2为印制电路板3的结构示意图。印制电路板3上的微小电子元器件结构、表面涂覆层等详细内容会增加计算的难度、增长运算时间，而且有时会因为模型过于复杂而导致模型网格划分失败，所以本发明中将印制电路板3简化为表面覆铜5、以及两类发热器件(稳压块6和电阻7)。使用三维建模软件Pro/E建立相应模型，然后通过ANSYS Workbench插件将模型导入ANSYS Workbench中进行优化分析。对模型进行优化最关键的是对其尺寸进行参数化。
ANSYS Workbench独特的插件构架实现了与Pro/E系统中的模型双向相关，当Pro/E模型变化时，不需要对模型的边界条件和所施加的载荷重新施加；同时还可以通过ANSYS Workbench的交互式参数管理器方便控制Pro/E模型的参数，通过优化设计模块进行优化设计并将相关参数返回Pro/E，自动修改Pro/E模型，从而实现Pro/E和ANSYS Workbench的参数化设计、仿真的无缝集成，大大提高设计效率。在ANSYS Workbench中对模型进行材料属性设置、划分网格和施加边界条件以及分析优化。其中边界条件主要为设置周围环境温度、温控温度以及为稳压块6和电阻7添加热载荷。
本发明中使用相关参数(Parameter Correlation)方法进行分析优化。通过对圆柱凸台4的直径和印制电路板3的最高温度参数化，可以得出星载电子设备重量和温度之间的响应曲面。其中响应曲面与样本的数量直接相关，样本的数量越多，响应曲面越精确，最后结果越接近最优，但相应计算时间会延长，所以选取合适的样本数是比较重要的。一般需要先选取30～50个的样本数量，观察温度变化的趋势，当温度呈上升趋势时，需要进一步增加一定的样本数量，并逐步递增。当温度趋于稳定时或者接近参数设置的极限时，可以确定规定尺寸内的最优结构。本发明的样本是凸台4的直径。
如图3所示，为本发明方法的流程图，根据上述原则，主要步骤如下：
(A)在Pro/E中通过绘图工具新建一印制电路板3和支撑壳体1的简化三维模型；支撑壳体1包含用于安装印制电路板3的六个凸台4，印制电路板3包含对散热有影响的覆铜5以及稳压块6和电阻7两类发热器件，印制电路板3通过六个安装螺钉2固定在凸台4上；
(B)将Pro/E中建立的三维模型通过ANSYS Workbench的插件直接导入到ANSYS Workbench中，并在ANSYS Workbench中设定凸台4的直径变化范围(4～12,mm)，以及给支撑壳体1、安装螺钉2、印制电路板3、覆铜5、稳压块6和电阻7添加相应的材料；
(C)在ANSYS Workbench中根据凸台4的直径变化范围对凸台4的直径、三维模型的总质量以及印制电路板3的最高温度分别进行参数化，也即将凸台4的直径和三维模型的总质量以及印制电路板3的最高温度相互关联，通过凸台4的直径变化范围获得三维模型的总质量以及印制电路板3的最高温度各自的数值范围；
(D)设定稳压块6和电阻7按照各自的额定功率进行工作，通过ANSYS Workbench中的稳态热仿真模块对模型进行仿真分析，并对分析结果通过Design Explorer模块获得一系列样本，进一步通过曲线拟合得到凸台4的直径和三维模型总质量之间相互关系的第一函数曲线，以及凸台4的直径和印制电路板3的最高温度之间相互关系的第二函数曲线；
(E)在运载允许的三维模型总质量最大值范围内，查找第一函数曲线得到相应的凸台4的直径，然后根据凸台4的直径查找第二函数曲线得到相应的印制电路板3的最高温度值；通常判断以凸台4的直径最大值对应的三维模型总质量是否符合运载允许的要求，如果符合要求即以凸台4的直径最大值查看印制电路板3的最高温度值是否符合热控要求；如果不符合，则以运载允许的最大值查看印制电路板3的最高温度值是否符合热控要求。
(F)判定步骤(E)得到的印制电路板3的最高温度值是否符合热控要求，如果符合要求则减小凸台4的直径，重复步骤(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台4直径作为最终加工尺寸输出；这样能在符合热控要求的前提下获得最小的三维模型总质量。如果不符合要求则重新调整凸台4的直径变化范围，并重复步骤(C)～(E)得到符合热控要求前提下，三维模型总质量最小时所对应的凸台4直径作为最终加工尺寸输出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。