1.1.3 电子装备机械结构设计存在的问题

如上所述，作为电子装备电性能实现的载体与保障，其机械结构设计与制造的首要任务就是要明确影响电性能的主要因素与主要矛盾，进而设法解决它。

1.结构设计时常滞后于电磁（气）设计

从电子管到晶体管，再到集成电路，电子产品设计经历了几次大的历史性跨越，出现了电子装备高密度、小型化的新趋势。然而，由于结构设计仍以经验设计为主，致使承载电子元器件的机箱机柜的形式多年来变化不大，表现为新一代高功率、高密度电子组装模块仍被安装在老式机箱中，通风散热、电磁屏蔽问题突出，装备结构难以很好地满足现代高性能电子装备的需求。

例如，集成电路设计和制造技术使得空警-2000预警机的相控阵天线中2000多个T/R组件仅重1.2t，而结构总重却达13.5t，其中的传输电缆就重达3t。这从一个侧面表明，装备结构设计理论与技术的发展滞后于电气设计理论与方法的发展，已成为制约电子装备性能提升的主要矛盾。

电子装备工作处于多场耦合的环境中，而仅从单一学科或技术进行研究，难以获得系统的优化。从多学科交叉融合与多域技术跨界的角度出发，兼顾可靠性与人机工程，寻求面向全性能和全系统的电子装备优化方法，是现代电子装备结构设计理论与方法的研究重点，但该方法在电子装备研制中的应用还很有限。

随着科技的进步和研究的需要，机、电、热等学科的分析软件大量出现，虚拟样机技术、数字孪生技术方兴未艾。异构软件的三维数字化集成设计、具有沉浸感的虚拟环境仿真、虚实融合的数字孪生样机，必将为现代电子装备机械结构的创新设计提供有力的技术支撑，但其距型号研制应用还有距离。

2.对多物理场耦合的认识不足

在现代方舱、高密度组装系统、机箱、机柜设计中，遇到的一个理论问题是结构位移场、温度场与电磁场间的三场耦合。

在新概念、新体制雷达中，电磁信号的发射、接收、传输、增强、消减、隔离、跟踪、干扰、反干扰等性能的实现，都涉及作为其载体的特殊机械载体的结构位移场、电磁场、温度场的相互耦合问题。

大型反射面天线、高密度阵列（有源、无源）天线等由于重力、风荷等因素而产生的结构位移场，对天线的电性能有显著影响。同时，高功率T/R组件产生的热，不仅会影响电磁场，而且热不均匀性还会引起天线变形，进而影响电磁场。此外，星载天线在太空承受非常大的温差，使得在常温下设计的天线性能无法在太空环境中得到保证。

在电子装备结构的传统设计中，由于设计人员对场耦合关系缺乏深刻的认识，结构设计、电气设计与加工工艺要分离进行。电气设计人员为了满足装备的电性能指标要求，往往对结构和工艺设计提出比较苛刻的要求，结果造成加工难度大，制造成本高。面对电子装备中日益严重的场耦合问题，现有的电磁设计、机械结构设计和工艺设计相分离的传统模式显得无能为力。

3.抗恶劣环境能力不足

电子装备的抗恶劣环境能力主要包括三个方面的问题：热控制、电磁兼容以及抗冲击振动。

热控制问题：电子装备呈现出的高密度、高功率、小型化发展趋势，使得热控问题越来越突出。据不完全统计，在电子装备发生的故障中，有60%左右的故障是由于装备结构造成的，而在装备结构故障中，散热失效等引起的故障又占50%左右。传统的结构散热设计往往无法满足要求，这不仅需要探索新的散热策略、途径与方式，而且应发现新型导热材料。

电磁兼容问题：电子装备工作频段不断升高，使得电磁辐射问题越来越不可忽略。在目前的电子装备结构设计中，缺少有关辐射的设计规范，往往是凭经验进行的，等到产品出来之后，发现辐射超标，再寻找补救措施或降低标准。在机箱机柜中，模块怎样摆放有利于散热？在印制电路板上，线路怎样排布可降低电磁干扰？可以保障信号完整性？这些都是需要下功夫解决的问题。因此，我们还需要深入研究电子装备的电磁兼容性设计理论与方法，电磁兼容性分析和预测的数值仿真专用行业软件，高屏蔽效能、抗强电磁干扰以及防信息泄露与电气互联等技术。

抗冲击振动问题：电子装备安装平台的多元化使得对其抗冲击振动的要求越来越高。例如，舰载密集阵武器系统的1130转管炮每分钟发射上万发炮弹，导致与火炮固连的跟踪与制导雷达产生强烈振动，严重影响雷达对目标的跟踪精度。此外，机载、星载（发射时）、舰载、车载等恶劣环境对机箱机柜产生高强度的振动与冲击。这些无疑对高效振动防护与控制技术提出了新的挑战。

4.结构设计与控制系统设计分离

在传统电子设备伺服系统设计中，机（结）构设计与控制设计分离，设计人员缺乏将结构与控制进行集成设计的意识，同时也缺少相应的设计理论与方法，其结果是机电参数难以优化匹配，结构与控制不能很好地协调。

为实现雷达波束的高精度、快响应的目标，要求相应的支撑座架与伺服系统具有精确的跟踪、定位精度和很高的跟踪速度。对此，定性地讲，机械结构参数、装配精度、摩擦、齿隙等因素都对伺服系统的性能产生影响，但具体设计是需要定量的，这就需要探明具体的影响机理，进而指导工程实际。

5.电子装备分析与设计的工业软件欠缺

电子装备分析与设计需要多种工业软件工具的支持，否则，难以做到量化分析与精确设计，创新也就无从谈起。遗憾的是，目前可用的高端工业软件大多依赖进口，据不完全统计，目前我国高端制造业中的电子、航空、机械领域的研发设计软件大多为外购，对外依赖率分别高达90%、85%及70%。与电子装备设计分析紧密相关的，如计算机辅助设计与造型的CAD（UG、Pro/E、CATIA、Ideas）、结构与机械分析的ANSYS/ADAMS、热分析的FloTHERM/ICEPAK、电磁分析的HFSS/FEKO对外依赖率较高，这对我们实现科技自立自强是非常不利的。为此，亟待研制面向电子装备分析与设计的知识型工业软件，逐步并最终摆脱对国外软件的依赖。