CN114025552B - 集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜 - Google Patents

集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，包括底框、顶框、左侧板、右侧板、前门、后门和阻尼器。底框、顶框、左侧板和右侧板均采用铝蒙皮包覆碳纤维复合材料骨架和铝蜂窝夹层结构，前门和后门采用铝蒙皮包覆铝蜂窝夹层结构，即保证了承载能力和电磁屏蔽性能，又最大程度的减轻了机柜重量；阻尼器提供了阻尼减振的功能；同时在机柜中设计了冷却液体流通的流道，为电子设备提供液冷散热功能。本发明机柜特别适用于航空机载电子系统，为机载电子系统设备提供安装平台，可助推新一代机载电子系统的升级发展。

Description

集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜
技术领域
本发明涉及一种适用于航空机载电子系统的多功能一体化轻质机柜，属于航空系统技术领域。
背景技术
随着航空机载电子系统的性能提高需求，机载电子系统设备安装机柜朝着轻量化、模块化、结构/功能一体化的方向发展。传统的安装机柜采用金属结构，重量大、力学承载性能无法满足电子系统的轻量化要求；一些升级后的安装机柜采用了轻质复合材料，机柜质量轻，但不能满足电子系统设备的减振、散热、电磁屏蔽等功能需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，包括底框、顶框、左侧板、右侧板、前门、后门和阻尼器，底框、顶框、左侧板和右侧板均采用铝蒙皮包覆碳纤维复合材料骨架和铝蜂窝夹层结构，前门和后门采用铝蒙皮包覆铝蜂窝夹层结构，即保证了承载能力和电磁屏蔽性能，又最大程度的减轻了机柜重量；阻尼器提供了阻尼减振的功能；同时在机柜中设计了冷却液体流通的流道，为电子设备提供液冷散热功能。本发明机柜特别适用于航空机载电子系统，为机载电子系统设备提供安装平台，可助推新一代机载电子系统的升级发展。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，包括底框、顶框、左侧板、右侧板、前门、后门和阻尼器，底框、顶框、左侧板、右侧板、前门和后门组合形成电子系统设备的放置空间，所述底框、顶框、左侧板和右侧板均包括铝蒙皮、复合材料骨架和铝蜂窝夹层，所述铝蜂窝夹层填充于复合材料骨架中，铝蒙皮包覆于复合材料骨架和铝蜂窝夹层外侧。
进一步的，所述左侧板和右侧板的复合材料骨架中分别包含2根立柱，其中一根立柱为普通立柱，另一根立柱为通液立柱；所述普通立柱的材料为碳纤维复合材料；
通液立柱由空心管、通液管道和泡沫芯组成，所述空心管的材料为碳纤维复合材料，通液管道为橡胶或金属材料的管路，通液管道由主流道、1个总接头管道和≥2个分接头管道组成；所述主流道位于空心管中，总接头管道一端与主流道连接，另一端从空心管侧面穿出连接外部管道形成，分接头管道一端与主流道连接，另一端从空心管侧面穿出连接机柜内部电子设备通液模块；总接头管道直径大于分接头管道；泡沫芯填充于主流道与空心管之间的缝隙中；具体的说，所述左侧板的通液管道和右侧板的通液管道都可做为进液管路和出液管路，如左侧板的通液管道做为进液管路，则右侧板的通液管道做为出液管路，反之亦然。
进一步的，所述左侧板和右侧板的复合材料骨架中还包括横梁和角片，所述横梁个数≥1，横梁通过角片胶铆连接于普通立柱和通液立柱之间，所述横梁和角片的材料均是碳纤维复合材料。
进一步的，所述底框和顶框中的复合材料骨架包括主框架和三通，所述主框架的截面为U型，且U型开口朝向机柜内部；
所述三通包括三个相互垂直的连接头，底框主框架与左侧板、底框主框架与右侧板、顶框主框架与左侧板以及顶框主框架与右侧板之间均通过三通胶铆连接；
所述三通的两个连接头与底框或顶框的主框架胶铆连接，另外一个连接头与左侧板或右侧板的立柱胶铆连接。
所述主框架和三通的材料均是碳纤维复合材料。
进一步的，所述三通与底框或顶框主框架胶铆连接的连接头内预埋阻尼器安装衬套，所述阻尼器通过阻尼器安装衬套安装于底框和顶框上，用于起飞、降落、飞行等振动环境下的机柜整体减振。
进一步的，所述顶框、底框、左侧板和右侧板采用二次共固化成型工艺成型；所述二次共固化成型工艺包括复合材料骨架(包括顶框主框架、底框主框架、三通、立柱、横梁、角片等碳纤维复合材料零件)的第一次固化，以及铝蒙皮包覆于复合材料骨架和铝蜂窝夹层外侧后的第二次共固化。
进一步的，所述前门和后门均包括铝蒙皮和铝蜂窝夹层，铝蒙皮包覆于铝蜂窝夹层外侧。
进一步的，还包括阻尼铰链和阻尼铰链预埋件，阻尼铰链预埋件预埋于前门或后门的铝蜂窝夹层中，阻尼铰链一端通过阻尼铰链预埋件安装于前门或后门上，另一端与左侧板或右侧板连接。
进一步的，所述左侧板与前门、左侧板与后门、右侧板与前门以及右侧板与后门之间设有导电橡胶密封条；所述多功能一体化轻质机柜外表面喷涂导电漆。
进一步的，所述碳纤维复合材料由碳纤维材料与环氧树脂，双马树脂，氰酸脂树脂或聚酰亚胺树脂复合而成。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，采用高强碳纤维复合材料(碳纤维拉伸强度≥7Gpa)、铝合金、铝蜂窝等多种先进轻质材料(密度≤2.8g/cm)，机柜重量轻，承载能力强，较金属机柜可减重30％以上，为航空机载电子设备提供安装平台；
(2)本发明集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，在机柜骨架内置进液管道和出液管道，可向内部电子设备提供液冷散热功能，且进一步设计了进液管道和出液管道的连接方式，使冷却液体的流通更加稳定，热交换面积更大；
(3)本发明集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，基于所使用的碳纤维复合材料、铝合金、铝蜂窝等先进材料可实现外表面导电连续，满足GJB 5240-2004二级屏蔽要求，10kHz～30MHz：≥10分贝；30MHz～230MHz：≥40分贝；230MHz～100MHz：≥30分贝；机柜连接缝隙采用导电胶封闭，前、后门与柜体之间采用导电橡胶条封闭，机柜表面喷涂导电漆，进一步确保了外表面导电连续，提高了可靠性；
(4)本发明集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，机柜顶、底框均安装阻尼器，提高了机柜的减振性能，水平方向和垂直方向对振动的衰减可达所受激励的30％以上。
附图说明
图1为本发明顶框示意图；其中(a)为不含铝蒙皮的示意图，(b)为包含铝蒙皮的示意图；
图2为本发明底框示意图；其中，图(a)为不含铝蒙皮的示意图，(b)为包含铝蒙皮的示意图；
图3为本发明左侧板示意图；其中，图(a)为不含铝蒙皮的示意图，(b)为包含铝蒙皮的示意图；
图4为本发明一体化轻质机柜整体示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明一种集合承载、散热、减振、电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，通过多种材料、工艺及结构的综合运用及设计，实现机柜的轻质化以及力学承载、电磁屏蔽、液冷散热和阻尼减振多功能一体化。
如图4所示，本发明一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，由顶、底框，左、右侧板，前、后门，阻尼器7个主要部件组成。
顶框采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型。顶框复合材料骨架包括截面为U型的主框架和三通；
底框采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型。底框复合材料骨架包括截面为U型的主框架和三通。
左侧板采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型。左侧板二次共固化成型后，胶铆连接L型件，做为电子设备的安装支撑。左侧板骨架由2根立柱(一根普通立柱、一根左通液立柱)、横梁(个数≥1)通过角片胶铆连接组成，普通立柱、横梁、角片的材料都是碳纤维复合材料。
左通液立柱由空心管、左通液管路和泡沫芯组成，其中左通液管路包含主流道、一个总接头管道和多个分接头管道(分接头管道个数≥2)。主流道位于空心管中，总接头管道一端连接主流道，另一端从空心管侧面穿出连接外部管道。分接头管道一端连接主流道，另一端从空心管侧面穿出连接机柜内部电子设备通液模块。总接头管道直径大于分接头管道。主流道与空心管之间的缝隙采用泡沫芯填充。
右侧板采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型。右侧板二次共固化成型后，胶铆连接L型件，做为电子设备的安装支撑。右侧板骨架由2根立柱(一根普通立柱、一根右通液立柱)、横梁(个数≥1)通过角片胶铆连接组成，普通立柱、横梁、角片的材料都是碳纤维复合材料。
右通液立柱由空心管、右通液管路和泡沫芯组成，其中右通液管路包含主流道、一个总接头管道和多个分接头管道(分接头管道个数≥2)。主流道位于空心管中，总接头管道一端连接主流道，另一端从空心管侧面穿出连接外部管道。分接头管道一端连接主流道，另一端从空心管侧面穿出连接机柜内部电子设备通液模块。总接头管道直径大于分接头管道。主流道与空心管之间的缝隙采用泡沫芯填充。
左/右通液管路均可做为进液管路和出液管路。左通液管路为进液管路，则右通液管路为出液管路，反之亦然。以左通液管路为进液管路为例。冷却液体从左通液管路的总接头进入主流道，通过各个分接头流入各电子设备通液模块，带走机柜内部电子设备所产生的热量，再分别流入右通液管路的各个分接头，进入右通液管路的主流道，最后从右通液管路的的总接头排出。
前、后门采用铝蒙皮包覆铝蜂窝夹层结构，内部预埋门锁预埋件和阻尼铰链预埋件，采用热压罐固化工艺成型。前、后门内部预埋门锁预埋件和阻尼铰链预埋件的目的是，由于本发明铝蜂窝夹层结构为轻质材料，成型后无法支撑门锁和阻尼铰链安装时的重量。阻尼铰链一端通过阻尼铰链预埋件安装于前门或后门上，另一端与左侧板或右侧板连接。
左、右侧板和顶、底框通过三通胶铆连接形成机柜骨架，三通内预埋阻尼器安装衬套。阻尼器安装于底框和顶框上，用于起飞、降落、飞行等振动环境下对机柜整体进行减振；
即本发明的减振方式包括：前后门通过阻尼铰链与侧板连接，用于前后门开关时的减振；阻尼器通过预埋安装衬套与顶、底框连接，用于机柜在起飞、降落、飞行等振动环境下的整体减振。
机柜连接缝隙采用导电胶封闭，前、后门与柜体之间采用导电橡胶条封闭，机柜表面喷涂导电漆，整个机柜外表面导电连续，具有电磁屏蔽功能。
本发明多功能一体化轻质机柜，为机载电子系统设备提供安装平台，同时提供电磁屏蔽、液冷散热、阻尼减振的功能，属于航空系统技术领域。机柜骨架由顶框、底框、左侧板和右侧板组成，采用铝蒙皮包覆碳纤维骨架及铝蜂窝夹层结构，重量轻，承载能力强，电磁屏蔽性能优异。机柜左侧板和右侧板分别包含左通液管路和右通液管路，左/右通液管路都可以做为进液管路和出液管路。左/右通液管路含有一个总接头管道和多个分接头管道，总接头管道与外部管道连接，用于冷却液体的流入或排出，分接头管道分别与机柜内部电子设备通液模块连接，为电子设备提供液冷散热功能。机柜顶框和底框骨架预埋阻尼器安装衬套，用于安装阻尼器为内部电子设备提供阻尼减振功能。
实施例1：
1、顶框：采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型；顶框骨架由U型截面主框架和三通胶铆连接组成；三通内预埋阻尼器安装衬套，如图1所示，图中11表示顶框骨架中的主框架，12表示顶框骨架中的三通，13为顶框铝蜂窝，14为顶框铝蒙皮；
顶框制造工艺步骤：(1)碳纤维复合材料零件成型，包括U型截面顶框主框架和三通，采用碳纤维热熔预浸料和热压罐固化工艺；(2)碳纤维复合材料零件机加；(3)顶框骨架装配，U形截面顶框主框架与三通通过胶铆连接形成顶框骨架；(4)顶框成型，准备铝蒙皮和铝蜂窝，采用二次共固化工艺成型铝蒙皮包覆顶框骨架及铝蜂窝夹芯结构。
2、底框：采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型；底框骨架由U型截面主框架和三通胶铆连接组成；三通内预埋阻尼器安装衬套，如图2所示，图中21表示底框骨架中的主框架，22表示底框骨架中的三通，23为底框铝蜂窝，24为底框铝蒙皮；
底框制造工艺步骤：(1)碳纤维复合材料零件成型，包括U型截面底框主框架和三通，采用碳纤维热熔预浸料和热压罐固化工艺；(2)碳纤维复合材料零件机加；(3)底框骨架装配，U形截面底框主框架与三通通过胶铆连接形成底框骨架；(4)底框成型，准备铝蒙皮和铝蜂窝，采用二次共固化工艺成型铝蒙皮包覆底框骨架及铝蜂窝夹芯结构。
3、左侧板：采用铝蒙皮包覆复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型；
左侧板制造工艺步骤：(1)制备空心方管，采用碳纤维热熔预浸料和热压罐固化工艺成型；(2)加工2件立柱、3件横梁和12件角片；(3)组装制备左通液立柱；(4)左侧板骨架装配，利用角件将2件立柱与3件横梁胶铆连接形成侧板骨架；(5)左侧板成型。采用二次共固化工艺成型铝蒙皮包覆侧板骨架及铝蜂窝夹芯结构。
其中左通液立柱制造工艺步骤：(1)加工1件主流道、1件总接头直管、1件总接头弯管、6件分接头直管、6件分接头弯管；(2)将总接头直管的一端焊接在主流道上，分别将6件分接头直管的一端焊接在主流道上；(3)在空心立柱的侧面配制7个孔，孔的位置与大小与主流道上总接头直管与分接头直管的位置与管径相对应；(4)将主流道穿入立柱中，主流道上焊接的总接头直管与分接头直管分别从立柱侧面的7个孔中穿出；(5)采用发泡工艺将立柱与主流道之间的缝隙填实；(6)将总接头弯管、6个分接头弯管分别与总接头直管、6个分接头直管连接。
如图3所示，31为立柱，32为横梁，33为分接头弯管，34为总接头弯管，35为铝蜂窝，36为铝蒙皮，37为角片，38为L型件。
4、右侧板：右侧板采用铝蒙皮包覆碳纤维复合材料骨架及铝蜂窝夹层结构，二次共固化成型；
右侧板与左侧板为对称结构。具体为：总接头弯管(右)与总接头弯管(左)互为对称结构，分接头弯管(右)与分接头弯管(左)互为对称结构，其余部分相同。
5、前、后门
前、后门制造工艺步骤：(1)裁切铝蜂窝和铝蒙皮；(2)加工阻尼铰链安装预埋块和门锁安装预埋块；(3)采用热压罐固化工艺成型铝蒙皮包覆铝蜂窝及预埋块夹芯结构。
6、机柜装配
机柜装配工艺步骤：(1)左、右侧板与顶、底框通过三通胶铆连接形成机柜骨架；(2)前、后门通过阻尼铰链与侧板连接；(3)门锁安装；(4)导电胶封闭机柜缝隙；(5)安装前、后门密封条。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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。

Claims (8)

1.一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，包括底框、顶框、左侧板、右侧板、前门、后门和阻尼器，底框、顶框、左侧板、右侧板、前门和后门组合形成电子系统设备的放置空间，其特征在于，所述底框、顶框、左侧板和右侧板均包括铝蒙皮、复合材料骨架和铝蜂窝夹层，所述铝蜂窝夹层填充于复合材料骨架中，铝蒙皮包覆于复合材料骨架和铝蜂窝夹层外侧；
所述左侧板和右侧板的复合材料骨架中分别包含2根立柱，其中一根立柱为普通立柱，另一根立柱为通液立柱；所述普通立柱的材料为碳纤维复合材料；
所述通液立柱由空心管、通液管道和泡沫芯组成，所述空心管的材料为碳纤维复合材料，通液管道为橡胶或金属材料的管路，通液管道由主流道、1个总接头管道和≥2个分接头管道组成；所述主流道位于空心管中，总接头管道一端与主流道连接，另一端从空心管侧面穿出连接外部管道形成，分接头管道一端与主流道连接，另一端从空心管侧面穿出连接机柜内部电子设备通液模块；总接头管道直径大于分接头管道；泡沫芯填充于主流道与空心管之间的缝隙中；所述左侧板和右侧板的一根通液立柱中的通液管道作为进液管路，另一根通液立柱中的通液管道作为出液管路；
所述顶框、底框、左侧板和右侧板采用二次共固化成型工艺成型；所述二次共固化成型工艺包括复合材料骨架的第一次固化，以及铝蒙皮包覆于复合材料骨架和铝蜂窝夹层外侧后的第二次共固化。
2.根据权利要求1所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述左侧板和右侧板的复合材料骨架中还包括横梁和角片，所述横梁个数≥1，横梁通过角片胶铆连接于普通立柱和通液立柱之间，所述横梁和角片的材料均是碳纤维复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述底框和顶框中的复合材料骨架包括主框架和三通，所述主框架的截面为U型，且U型开口朝向机柜内部；
所述三通包括三个相互垂直的连接头，底框主框架与左侧板、底框主框架与右侧板、顶框主框架与左侧板以及顶框主框架与右侧板之间均通过三通胶铆连接；
所述三通的两个连接头与底框或顶框的主框架胶铆连接，另外一个连接头与左侧板或右侧板的立柱胶铆连接；
所述主框架和三通的材料均是碳纤维复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述三通与底框或顶框主框架胶铆连接的连接头内预埋阻尼器安装衬套，所述阻尼器通过阻尼器安装衬套安装于底框和顶框上，用于起飞、降落、飞行在内的振动环境下的机柜整体减振。
5.根据权利要求1所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述前门和后门均包括铝蒙皮和铝蜂窝夹层，铝蒙皮包覆于铝蜂窝夹层外侧。
6.根据权利要求5所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，还包括阻尼铰链和阻尼铰链预埋件，阻尼铰链预埋件预埋于前门或后门的铝蜂窝夹层中，阻尼铰链一端通过阻尼铰链预埋件安装于前门或后门上，另一端与左侧板或右侧板连接。
7.根据权利要求1所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述左侧板与前门、左侧板与后门、右侧板与前门以及右侧板与后门之间设有导电橡胶密封条；所述多功能一体化轻质机柜外表面喷涂导电漆。
8.根据权利要求1所述的一种集承载、散热、减振和电磁屏蔽的多功能一体化轻质机柜，其特征在于，所述碳纤维复合材料由碳纤维材料与环氧树脂，双马树脂，氰酸脂树脂或聚酰亚胺树脂复合而成。
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