军用车载计算机加固技术毕业设计说明书.doc
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1、摘 要本文阐述了车载式军用计算机防护设计的一般原则与措施。振动是危害车载计算机的主要因素之一。本文通过分析计算机机箱、元器件的固有频率和模态,提出了车载计算机机箱、印制板等的抗振措施。通过合理设计机柜和安装减振器,最终提高了计算机的抗振强度,保证了车载计算机在猛烈冲击等严酷环境中正常工作。电磁干扰是危害车载计算机的另一主要因素。说明书中分析了电磁干扰的来源,提出了对电磁干扰的防护措施,有效地屏蔽了干扰计算机的各种电磁信号。关键词:振动,电磁干扰,屏蔽ABSTRACTThis paper explains general principles and measures on protection
2、 design of the military vehicle-loaded computer. Vibration is one of the main factors endangering the vehicle-loaded computer. The paper analyzes inherent frequency and mode of the computer box and element. It presents the anti-vibration measures of the box and printed circuit board of vehicle-loade
3、d computer. The anti-vibration intensity of the computer is improved and vehicle-loaded computer is guaranteed to work normally in the environment of fierce dash through designing the cabinet and fixing vibration absorber rationally. Electromagnetic interfere is another main factor of endangering th
4、e vehicle-loaded computer. The source of electromagnetic interference is analyzed in this paper, the measure of electromagnetic shield is presented, and various electromagnetic signals of interfering with the computer are shielded effectively.Key words: Vibration,Electromagnetic Interference,Shield目
5、 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪 论11.1 本课题的研究现状11.2 本课题的发展趋势21.3 本课题的意义与价值2第2章 计算机减振缓冲设计32.1 概述32.2 电子设备的振动模态32.2.1 小型器件32.2.2 法兰型器件42.2.3 电路板的振动模态52.3 减振设计72.3.1 电路板的结构设计82.3.2 机箱的减振设计9第3章 计算机电磁兼容设计123.1 计算机电磁兼容性问题综述123.2 电磁干扰的来源和传播133.2.1 电磁干扰的来源133.2.2 电磁干扰的传播143.3 电磁兼容设计方案143.3.1 屏蔽效果的衡量143.3.2 屏蔽体(机
6、箱) 材料的选择153.3.3 屏蔽体材料厚度的确定153.3.4 抑制和排除电磁干扰的方法16第4章 计算机的机柜设计194.1 概述194.2 结构与造型设计194.2.1 机柜立柱194.2.2 机柜造型20第5章 总 结22参考文献23致 谢24第1章 绪 论随着现代军事技术的飞速发展,车载计算机的应用越来越广泛。在车载状态下,计算机频繁地受到振动、冲击、碰撞等机械环境的损害,这样就对计算机的防护设计提出了越来越高的要求。计算机在振动和冲击环境下造成的危害表现在以下两个方面:(1)计算机在某个激振频率下发生振幅较大的共振;(2)长期的振动和冲击,易使计算机产生疲劳破坏。因而,对车载计算
7、机的抗振动冲击问题应加以足够重视。车载计算机的抗振设计主要采取下面二个措施:(1)加固设计提高计算机结构上的薄弱环节,对薄弱环节进行加固,提高设备的固有频率,使其容许的冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值,保证计算机的正常工作。(2)采用减振缓冲系统对计算机整机进行减振缓冲设计,使外部激励通过减振缓冲系统的减弱后,传递给设备的实际作用力,小于设备的许用值。1.1 本课题的研究现状车载环境是一种宽带振动,它是由于车体的支承结构与路面平度的综合作用产生的。车体在上下、前后、左右方向上同时存在不同的振动,产生结构谐振,而上下方向的振动量又最为严重。所以,车载环境下着重分析设备上下方向的振动。结构谐振直
8、接影响到车载式军用加固计算机性能以及系统的稳定性,甚至造成系统毁坏。因此在对车载式军用加固计算机的防护设计时,采取减振缓冲措施,主要依靠机柜减振器的减振缓冲作用。软触橡胶垫是保护计算机最核心的技术,能够有效地确保计算机在受到外力的撞击或冲击时,得到很好的缓冲,而不会硬碰硬地产生撞击。计算机与机柜的联接除下面板减振器支撑外,在后面板上设置减振器支撑,从而承受上下、左右方向的振动与冲击载荷。在军用工程装备的计算机电磁兼容加固技术研究中,干扰源可能来自敌方(包括有意电磁干扰源和电磁脉冲等),也有可能是系统内其它用电设备;通过控制干扰源和进一步降低敏感设备敏感度的方法来实现电磁兼容比较困难。军用计算机
9、电磁兼容加固技术主要是通过屏蔽、滤波和接地等防护性设计剪断传播干扰能量的途径来达到电磁兼容目的。计算机能否很好地通风散热决定着加固防护的成败。在对军用计算机进行电磁兼容性加固防护时,电磁屏蔽的密闭性要求与其通风散热性是一对矛盾,因此有必要对其通风散热进行研究。计算机的通风散热技术研究包括以下几个方面:元器件和接插件的选择和安装位置;建立机箱内部的空气流动和热分布模型并进行热量计算;选择合适的冷却方式。1.2 本课题的发展趋势整机采取加固防护处理措施,抗振、防尘、防淋雨、有效地屏蔽各种电磁信号。 选用特殊防磁涂层,设计密封性更好、防止电磁波外泄的机箱,主机内部采用“多层波导”的结构设计,使电磁波
10、被吸收和弱化。广泛使用新型材料,研制新型宽大、层叠或放射性结构的散热器和大尺寸、低转速、高风量、低噪音风扇。1.3 本课题的意义与价值采取相应的防护措施,有效地屏蔽各种电磁信号的干扰,在猛烈冲击和大过载等严酷环境中保证设备正常工作。本课题有很好的推广价值,可以应用到车载雷达、车载电视、车载GPS、车载音响、车载VCD等车载电子设备中。第2章 计算机减振缓冲设计2.1 概述计算机在振动环境下,由于振动的疲劳效应及共振现象,可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的现象。据统计,在引起车载电子设备失效的环境因素中, 振动因素约占27 %。所以,对结构进行优化设计,提高设备的抗振动能力,是保
11、证计算机性能和可靠性的重要手段。计算机受到振源传输来的强迫振动,不同的振源、不同的振动环境,对产品的影响是不相同的。车载计算机及运输中的振动环境是中低频的随机振动,垂直方向的振动占优势,水平方向的振动量值远小于铅垂轴。一般来说,为了避免共振现象,计算机的固有频率应避开振动激励的频率,两者比值应大于2.5,称其为倍频法则。但在宽带振动环境中,这是做不到的,只能做到降低共振峰值、传递率和相关耦合率。因此,需要对系统及内部构件的固有频率和模态进行分析,来优化结构设计。2.2 电子设备的振动模态2.2.1 小型器件图2-1 小型元器件的安装方式和主振型图对一般的两脚型悬空安装元件,如图2-1(a) 所
12、示,可简化为简支梁和均布质量。如图2-1(b) 所示,该系统是一个单自由度自由振动系统,管脚质量不计,采用静变形法计算固有圆频率: (1)其中:E 杨氏模量;惯矩。2.2.2 法兰型器件图2-2 法兰连接的器件的外形和主振型对大型器件,如变压器、波导等,都采用法兰盘连接(见图2-2)。当l/ b 2 时,按均质悬臂梁简化。当1 l/ b 1/4)及焊盘间距较大(la25)的元件,都需要采用粘接、螺钉紧固、捆扎等方法来固定元件,以提高固有频率和抗振强度。在布局设计时,将质量大的元件靠近电路板安装点,并尽量使元件刚度高的方向与外部激励的主振方向重合,这样会大大改善板上元件抗振强度。提高计算机内部的
13、抗振强度仅仅是振动设计的一方面,采用一些减振措施可以减小施加给计算机的振动激励,如:使用减振器或阻尼器进行减振安装,或在计算机上附加动力减振装置,设备内二次减振等。综合考虑减振安装和设备的抗振强度,可以实现结构的进一步优化。2.3.2 机箱的减振设计车载式计算机机箱,受振动冲击而引起的故障已成为普遍关心的问题。减振缓冲是隔离或减弱外界强烈振动冲击对计算机工作性能造成有害影响的有效措施。目前减振缓冲设计大都采用橡胶减振器等减振缓冲设计,当机箱的质量重心与几何中心有较大偏差时,极易产生有害的共振、耦联振动和非线性自激振荡现象,严重威胁着装备的正常工作。本文提出的基于模块化设计思想的减振缓冲系统,通
14、过对阻尼元件的模块化设计,利用刚度、阻尼特性拟合技术和模块组合技术,有效地解决了上述问题,具有广泛的适用性。 图2-5 机箱安装方式1 模块化设计解决机箱质量重心偏离问题,军用电子装备常用的减振器的安装方式一般由四个底部减振器组成,如图2-5所示。当设备质量重心与几何中心重合时,四个减振器的实际承载量相同,只需将设备重量(Wo)除以4即可获知所需减振器的规格。但是由于多种原因的影响,机箱重心在设计中不可避免地存在着偏心现象(见图2-6),各支撑点的实际承载量相差较大,由于固有频率决定于减振器的支承量(W)和弹簧刚度(k),当我们选用刚度k相同的四个减振器时,其固有频率值的差异将十分巨大。机箱受
15、到外部激励时,就会由此产生共振、耦联振动和自激振荡现象,不仅影响设备的正常工作,严重时甚至造图2-6 机箱中心偏差示意图成设备的损坏。这就要求减振系统能够在保持减振器外形尺寸、安装尺寸和加载工作高度(Ho)一致的前提下,改变各减振器的刚度,将刚度中心调节至与机柜质量重心逼近,以达到解耦的作用。传统的减振缓冲系统在其公称载荷、材料性能和结构尺寸确定后,其固有频率、阻尼特性和刚度等特性就成为定值而不能进行调整,无法达到这一要求。实践表明,当减振系统中各减振器的固有频率相对误差Bf 10时,系统处于解耦状态,否则,系统会产生耦合振动。也就是说减振系统中每个减振器的实际支承量Wj(j=1,2,3,4)
16、和弹簧刚度Kj(j=1,2,3,4)组成的各自由系统的固有频率必须满足:式中:为减振系统固有频率: 为各减振器固有频率: (j=1,2,3,4)2 减振器的合理配置车载计算机减振方式采用底部和背部安装减振器,即框架底部安装四个相同特性的减振器,框架后部安装四个相同的背部减振器的安装方式。减振器的安装方式和组合形式确定了减振器的动态特性和稳定性,总的配置原则是使机柜六个自由度方向上的耦联运动消除,调整计算机机箱减振系统的刚度重心与质量重心重合,即保证底部安装减振器后,机箱底部平面平行于安装板,四个支点的实际承载量在减振器公称载荷的允许偏差范围内时,可以选用公称载荷相同的减振器 ,以使减振系统的固
17、有频率相接近。从以上分析可以看出,采用了模块化设计方案后,在保证减振系统与机柜接口和减振系统与运载工具接口完全不变,以及减振器本身各种外部尺寸完全不变的情况下,仅仅改变内部局部器件参数,就可以改变整个减振系统的振动冲击特性,从而消除由于质心偏移而产生的不良影响,并能适应各种运载工具的缓冲减振要求,是一种值得推广的设计方案。第3章 计算机电磁兼容设计3.1 计算机电磁兼容性问题综述计算机作为一种数据处理和存储系统,外界电磁场干扰可能对其正常运行和信息安全造成危害;而作为一种电子设备,它的寄生辐射和电磁泄漏也可能污染外界电磁环境或造成自身信息失密。机算机系统的电磁兼容性已成为一个迫切需要研究的问题
18、。 计算机电磁兼容性问题具有一般电子设备的共性,又有其突出的特点。它既是一个敏感设备,又是一个干扰源。它是低电平电子系统,从电磁兼容的角度而言,主要是一个敏感设备。它的主要电路是数字电路,数字电路的逻辑元件都有一事实上的阀电平和与之相对应的干扰容限,因而它不会响应低于容限的干扰。所处理的是脉冲信号,因而易受外界脉冲干扰的影响,也向外界产生干扰脉冲。脉冲信号具有很宽的频谱,计算机的主频也有很宽的范围,包括长波、中波、短波、米波及分米波等很宽的波段与电力电子设备、广播、电视、通信。雷达等的基本工作波段相同,使计算机工作在一个相当复杂的电磁环境之中,同时也在很宽的波段内向外界辐射和泄漏电磁干扰,在低
19、频段和主振频率及其倍频附近尤为严重。计算机的外界干扰主要来源是射频干扰、工频电源干扰、静电干扰及雷电脉冲干扰等四类,若计算机处于大功率无线电发射设备、高频大电流设备或射频理疗设备等附近,当这些设备工作时,计算机的工作将受到严重的干扰。在电磁干扰环境中,计算机所受到的危害取决于干扰场强、频率和计算机自身的电磁敏感度。实验证实,在离微机6米处开关电流为10安的交流感性负载,其接触器触头电弧产生的干扰足以使计算机产生误动作。工频电源电压的大幅度波动或电流冲击有可能通过电源线进入计算机系统,使计算机出现运行错误或故障,甚至破坏计算机的某些部件。此外,某些电气设备产生的尖峰脉冲、火花等也可通过供电线路进
20、入计算机。例如,开关电传机可产生1千伏的尖峰脉冲,它足以损坏某些部件。工频电源干扰和通过电源线的射频干扰十分严重。静电干扰是造成计算机电路损坏的主要原因,有人研究指出,当穿塑料鞋走动、穿尼龙或丝绸工作服在工作台前长期工作都可产生很高的静电电压,美国有统计表明,由于静电导致计算机及其元器件的损坏造成的经济损失每年高达数亿美元。雷电脉冲通常通过供电电源进入计算机造成干扰,甚至使计算机或某些部件损坏。在我国,由于雷电而致使计算机损坏的事例屡见不鲜。提高计算机系统的抗干扰能力的措施概括起来主要有几个方面。首先,从硬件、软件设计着手提高系统自身的抗干扰能力,在硬件设计中要进行EMC设计,综合采用各种抗干
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