周海亮
（洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471000）
1 概述
对于机载电子设备设计而言，轻量化已成为整机产品开发的重要目标，贯穿于产品的整个生命周期中。产品重量已成为与对手竞争时的重要致胜指标。机载电子设备包含电路部分和结构部分，其轻量化目标实现，需要基于产品功能和性能进行整体布局紧凑型设计、模块轻量化设计、线束轻量化设计和结构轻量化设计，在设计过程中进行了多轮反复迭代，来实现产品轻量化设计。
2 主要应用技术
机载电子设备性能主要包括电气性能和结构性能两方面，轻量化作为机载电子设备性能评价的重要指标，也应从电气和结构两方面开展相关工作。
下文主要阐述机载电子设备轻量化设计的主要应用技术。
2.1 整体布局紧凑性设计
机载电子设备包含电路部分和结构部分，电路部分一般包括功能模块、母板、航空连接器等；结构部分一般包含机箱和安装支架，作为电路部分的固定和支撑平台,。机载电子设备整体布局设计时需要考虑：
首先结合产品的功能需求进行合理的功能模块划分，在产品有限空间内进行整体布局紧凑型设计，实现各功能模块、母板、航空连接器等信号交联；保证各功能模块在产品内的布局紧凑、功能齐全和维修方便。
其次综合考虑环境适应性，包括高低温、振动、电源特性和电磁兼容性等，对产品的散热方式、模块安装和排布进行综合评估设计。
常见的机载电子设备布局如图1 所示。
产品在整体布局紧凑性设计时，要逐项检查各项结构需求，保证结构满足紧凑性设计需求。
2.2 功能模块轻量化设计
各功能模块作为机载电子设备电路部分的重要组成部分，主要由印制板、冷板、元器件和锁紧装置等组成，如图2 所示。目前机载电子设备设计时功能模块优先考虑成熟的标准模块（宽度和高度方向尺寸标准），随着产品轻量化设计要求的提出，越来越多的功能模块需要进行定制化设计以实现产品的轻量化。
图1 机载电子设备常见布局
图2 功能模块组成示意图
图3 有限元分析步骤
功能模块的轻量化设计主要包括以下方面：
a.根据产品功能需求，合理分配功能模块组成，尽量减少功能模块数量；
b.根据模块功能需求，选用体积小重量轻的元器件，合理布局电路板空间，设计出集成度高、功能强大的模块；
c.根据模块散热需求，对模块冷板进行轻量化设计，降低冷板重量在功能模块总重中的比例。
2.3 线束轻量化设计
线束设计作为机载电子设备的重要设计部分，在轻量化设计时由于此部分复杂且不易直接测量，往往被忽略，同一批次产品在交付过程中个别产品出现超重现象，其主要原因就归结于线束走线问题，随着产品轻量化设计的要求越来越强烈，线束轻量化设计也逐渐提上日程。
线束重量主要包括以下几个方面：
a.线缆自身重量；
b.线束结构件（主要为压线夹）重量；
c.其他辅料（捆扎线、热缩套管和黄蜡绸）重量。
因此，线束轻量化设计时可采取以下设计措施：
线束结构件轻量化设计:
线束结构件主要是压线夹，在强度允许的情况下，压线夹设计选用铝材，同时在满足使用要求的情况下，可以适量开一些工艺减重孔，以减少零部件的重量。
结构轻量化设计:
狭义的轻量化设计对象专指结构件，在结构件在满足使用要求的情况下，结构刚强度好、体积小、质量轻为结构设计所追求的目标。在结构轻量化设计中,有限元分析法（FEA）是不可或缺的(有限元分析法的产生得益于飞机制造的轻量化)。有限元分析法近年来已应用的非常广泛，现已成为创收达数十亿美元的相关产业的基础，即使是很复杂的应力问题的数值解，现在用有限元分析的常规方法就能达到。联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。在实践中，有限元分析大致可分成三个步骤，前处理、分析和后处理。如图3 所示。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。设计者总是通过有限元分析软件来实现有限元法对工程的求解，程序性工作都变成由CAE 软件来完成。建立正确的有限元模型、制定合理的网格划分方式、施加与实际相符的激励、根据分析结果对结构进行优化设计，这就构成了设计师的主要工作。
机载电子设备结构一般包括机箱和安装支架，二者的组成均为板类零部件，对于板类零部件，开孔与开槽是最常用的结构减重方式。在传统的设计中，设计师通常根据设计要求，依靠自身的设计经验参考其他类似的结构粗略地设定减重孔与减重槽的初始构型，从而去除结构中对传力影响较小的材料，然后基于形状优化和尺寸优化对减重孔的形状尺寸及深度进行参数优化；尽管应用传统的设计方法得到的设计结果满足设计要求，但这种设计方法得到的设计结果往往不是“最轻的”，仍有巨大的提升空间，且难以得到轻量化的设计结果。
因此需结合有限元分析法，通过设定了一定的约束条件（如材料和最大应力等）和目标（如质量最小等）下，在设定的可行域内，寻找最优的结构形式和减重方案。有限元分析法克服了传统设计中对设计师经验的依赖性，从根本上对结构进行精细化减重，从而实现产品的轻量化设计。
总结与展望:
本文以机载电子设备为研究对象，展开轻量化设计技术的研究。结合整体布局轻量化设计、功能模块轻量化设计、线束轻量化设计和结构轻量化设计，对机载电子设备的轻量化设计进行了阐述。
结构轻量化设计的有限元分析手段，对模型进行了简化，无法准确分析细节特征对分析结果的影响，导致分析结果存在偏离情况，应结合试验及客户使用情况，进一步修正轻量化设计参数。
