张志富

（连云港杰瑞电子有限公司，江苏连云港 222006）

0 引言

扫海探照灯是一款用于船舶夜间搜索的强光探照灯。在探照灯结构设计的过程中，灯具的结构强度、散热及可靠性的设计是重点要解决的问题，如何将材料力学及热学的理论知识及计算机仿真技术很好地应用于产品结构设计，成为提升产品技术水平和设计质量的关键，本文主要从这两个方面对该产品的开发进行研究和探讨。

1 计算机有限元仿真分析技术

在对一些受力零部件进行设计时，最重要的就是要通过材料选择和合理的结构设计来保证零件强度能承受其所受外力的作用而不致变形或损坏，从而保证产品的质量和可靠性。这一问题可以归结为材料力学中的应力分析问题。应力分析主要是研究构件在外力作用下的变形、受力与破坏的规律，为合理设计构件提供有关强度、刚度与稳定性分析的理论方法[1]。应力分析通常采用有限元分析的方法，将实体分解成一定数量的单元要素，在对每一个单元进行力学方面的计算，求出总体应力分布情况。随着计算机技术的不断进步，可以将应力分析问题通过计算机仿真的方法来解决，通过应力分析辅助软件，可以在三维设计环境中直接对零部件进行应力分布检查，可以快速地找出设计的缺陷和薄弱环节，提高产品设计效率。

本产品的设计正是基于这一思想，通过对零部件进行应力仿真分析从而判断设计的合理性。本文主要通过Solidwoks软件的simulink模块进行关键结构件的静力学应力分析，SolidWorks Simu⁃lation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析和优化[2]。

设计的扫海探照灯整体效果如图1所示。灯体主要由灯体、面罩、光学装置、风扇、密封垫、前盖和后盖七个主要部分组成。产品的受力零件主要是灯壳和内部的支撑托架，为了仿真方便直观，在建模时去掉了灯具中其他零部件，只保留灯具外壳和内部的支撑架（如图2所示），主要通过应力分析来验证这两个零件设计强度是否符合要求。

图1 扫海探照灯灯体组成分解图

1.1 灯壳应力仿真分析

根据产品的设计要求，灯具外壳表面要求能承受海水盐雾腐蚀，且有足够的强度承受外界的冲击，同时满足重量设计及美观的要求，鉴于以上考虑，选择1.5 mm厚度的不锈钢钢板，通过折弯和焊接成型。此不锈钢牌号为0Cr17Ni12Mo2的不锈钢，具有较强的耐海水腐蚀性能，材料的密度为7.78 g/cm3，屈服强度为206 MPa。下面对灯壳进行应力分析，根据有限元分析特点，首先对建好的模型进行网格化，如图3所示。

图2 灯具外壳简化模型

图3 网格化的灯具外壳模型

为了使分析结果更加准确，选择网格单元大小为0.2 mm。根据灯具的结构特点可知，灯具将作为负载通过两侧安装孔固定在承载体上，因此灯具的主要受力点为两侧安装孔处，按设计重量为30 kg估算，由于两侧对称，每边受力点承受的力约为30*9.8/2=147 N。在确定好受力位置和受力大小后，开始对灯壳进行应力分析，其结果如图4、图5所示。

图4 灯壳应力及变形分布图解

图5 灯壳安全系数分布图解

根据以上图解可以得知，零件所受最大应力为11.35 MPa，最大变形位移为2.15×10-4mm，最小安全系数为18.21。由于材料的屈服强度为206 MPa，且最大变形位移很小可以忽略，最小安全系数远大于1，可以得出结论：该零件结构强度满足设计要求，零件受力点在承受147 N的情况下是安全的。

1.2 支架应力分析

支架为灯具内部安装结构件，主要起支撑内部构件的作用，考虑灯具总体重量的限制，设计原则是内部构件在满足安装的前提下尽量轻便且加工简单，为此选用轻质铝合金2A12作为支架材料，采用折弯成型。其材料屈服强度为125 MPa，密度为2.7 g/cm3。支架受力面为其水平面，按内部零件重量为15 kg估算，由于两侧对称，每边承受的力约为15*9.8/2=73.5 N。同样，对支架进行应力分析计算，结果如图6、图7所示。

图6 支架应力及变形分布图解

图7 支架安全系数分布图解

根据以上图解可以得知，零件所受最大应力为6.9 MPa，最大变形位移为2.47×10-2mm，最小安全系数为18.08。由于材料的屈服强度为125 MPa，且最大变形位移很小在允许误差范围内，最小安全系数远大于1，可以得出结论：该零件结构强度满足设计要求，零件受力点在承受73.5 N的情况下是安全的。

2 散热机理研究

2.1 散热方式分类及选择

实践表明，电子元件的故障随元件温度升高呈指数关系增加。为了提高电子设备的工作性能和可靠性，必须进行合理的热设计。要研究散热设计，首先应了解散热的方式和类型。根据热量的传递方式及机理不同，可以分为导热、对流和辐射三种主要方式。导热是物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递[3]。通常发生在相互接触的固体之间，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的与之接触的另一固体。对流是由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互渗透所引起的热量传递的过程。就引起流动的原因而论，对流换热可区分为自然对流和强制对流两类。自然对流是由于流体内部各部分温度的不均匀而引起的自然流动，强制对流是由于流体的流动是靠外部动力源产生压差（泵和风扇）而形成的。对于本产品的结构而言，由于灯体为完全密封结构，内外流体不直接接触，无法形成自然对流，灯体表面辐射散热由于其量纲为10-5相比灯具功率来说很小可以忽略，这里主要研究灯体内部强制对流散热设计过程及原理。

2.2 风道结构设计及风扇选型原理

本产品选用氙气灯作为光源，由于热源为氙气灯光源，不与灯体外壁直接接触，且灯体为完全密封结构，根据以往经验，选择在灯体内部安装风扇的强制对流散热方式。通过强制对流加速空气流动，使热量尽快地传递到壁上从而散发到外部。本文主要从风道结构设计和风扇选型两个方面来研究对流散热问题。

风道设计的主要原则是尽可能减少空气沿途阻力，且保证有足够空间循环通道使空气在通道内不断循环流动。这里综合考虑灯具整体结构，同时保证有足够空间来形成空气对流且不致造成空间和材料的浪费，如图8所示，壳体外壁和反光罩外沿之间的空白部分为气流循环通道，风扇安装壳体背部且轴心与反光罩重合，当风扇加速空气流动时，气流在灯具内部密闭空间中会沿通道流动形成循环气流。

图8 风道空间结构示意图

强制对流研究风扇的主要参数是风速和风量。因此怎样对气体循环风扇进行选择和控制，使其在经济、适宜的风速范围保证温度场均匀，就显得至关重要。要确定风扇的风速和风量，要借助传热学知识建立对流换热方程来求解。

根据牛顿冷却公式有：

式（1）中：Q—元件的损耗功率（W），这里主要是氙气灯的消耗功率；

h—流体对流换热表面换热系数（W/m2K）；

S—散热面积，这里指空气通道的截面积；

tw—元件表面温度（℃）流体温度；

tа—环境温度（℃）。

将灯体中流体通道近似为环形管道，则有：

式（2）中，D为灯外壁直径（这里近似为圆形），d为反光罩直径。

表面换热系数的影响因数较多，理论研究及数学解析比较复杂，从实际工程应用的角度考虑，按照传热学实验分析法将模型及流体状态进行简化，将流体流动近似等效为强制对流中内部流动紊流情况，同时将流体流速与温度及表面换热系数建立关系式，有如下对流换热的特征数方程（也称准则方程），具体推导过程比较复杂，这里仅给出表达式：

（3）式也称为迪贝斯-贝尔特修正公式，是为简化求解散热方程步骤方便通过实验法得到的经验公式。其中，Nu称为努塞尔数，是表征流体无量纲温度梯度的物理量；Re称为雷诺数，是决定流体流动状态的一种度量；Pr称为普朗特数，是热量扩散能力的一种度量。l是流体界面高度，ω是流体的流速（m/s），λ是流体的导热系数（W/m·K），v是流体的运动粘度，是在相同温度下动力粘度与密度的比值，单位为m2/s。

综合以上四式，其中，λ、Pr、v可由流体的物理特性表查得。温度根据使用环境要求也为已知量，只有流体的流速为未知量，通过以上经验公式可以求出流体流速，具体求解过程这里不再累述。这里近似认为流体流速等于风扇的转速，至此风扇的参数可以确定。

3 结束语

本文主要对扫海探照灯结构设计的两个关键技术进行了初步的研究，为产品的结构设计提供了充分的理论依据。首先采用计算机仿真分析技术对产品关键部件进行有限元分析计算，为结构件设计提供了可视化的数据分析，使各部分强度达到合理的匹配，有效地提高了设计效率，保证了产品设计质量。借助传热学的基本原理和经验公式，为散热方式和散热装置的设计选择提供了充分的理论指导。

参考文献：

［1］孙国均.材料力学［M］.上海：上海交通大学出版社，2006.

［2］任亚洲，张蕾.基于Solidworks Simulation刮板输送机轨座结构优化及有限元分析［J］.煤矿机械，2017（1）：152-153.

［3］杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2010.