Размеры блока:
|
Размеры нагретой
зоны:
|
a1=234 мм a2=170 мм a3=80 мм
|
Зазоры между
нагретой зоной и корпусом
|
hн=hв=5 мм
|
Площадь
перфорационных отверстий
|
Sп=0 мм2
|
Мощность одной ИС
|
Pис=0,001 Вт
|
Температура
окружающей среды
|
tо=30 оC
|
Тип корпуса
|
Дюраль
|
Давление воздуха
|
p = 1.33 × 104 Па
|
Материал ПП
|
Стеклотекстолит
|
Толщина ПП
|
hпп = 2 мм
|
Размеры ИС
|
с1 =
19.5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм
|
Этап 1. Определение температуры корпуса
1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность
корпуса блока qк:
где P0 - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;
Sк - площадь внешней поверхности блока.
Для осуществления реального расчета примем P0=20 Вт, тогда
2. По графику из [1]
задаемся перегревом корпуса в
первом приближении Dtк=
10 оС.
3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней aл.в,
боковой aл.б и нижней aл.н поверхностей корпуса:
Так как e для всех
поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:
4. Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 Dtk = 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для
каждой поверхности корпуса
где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
gm - кинетическая
вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и
равна gm=16.48
× 10-6 м2/с
5. Определяем число Прандталя Pr из
таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.7.
6. Находим
режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:
5 × 106 < Grн
Pr = Grв Pr = 1.831
×0.7 ×
107 = 1.282 × 107 <
2 × 107 следовательно режим ламинарный
Grб Pr = 6.832
×0.7 ×
106 = 4.782 × 106 <
5 × 106 следовательно режим переходный к ламинарному.
7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для
каждой поверхности блока ak.i:
где lm - теплопроводность газа, для воздуха lm
определяем из таблицы 4.10 [1] lm
= 0.0272 Вт/(м К);
Ni
- коэффициент учитывающий
ориентацию поверхности корпуса: Ni
= 0.7 для нижней поверхности, Ni = 1 для боковой поверхности, Ni
= 1.3 для верхней поверхности.
8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью
корпуса и окружающей средой sк:
9. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором
приближении Dtк.о:
где Кк.п - коэффициент зависящий от
коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно Кк.п
= 1;
Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное
давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], Кн1
= 1.
10. Определяем ошибку расчета
Так как d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dtк= 15 оС.
11. После повторного расчета получаем Dtк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка
расчета будет равна
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1
12. Рассчитываем
температуру корпуса блока
Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры
нагретой зоны
1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность
нагретой зоны блока qз:
где Pз
- мощность рассеиваемая в нагретой
зоне, Pз
= 20 Вт.
2. По графику из [1]
находим в первом приближении
перегрев нагретой зоны Dtз=
18 оС.
3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между
нижними aз.л.н, верхними aз.л.в и боковыми aз.л.б
поверхностями нагретой зоны и корпуса.
Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности
нагретой зоны eпi :
где eзi
и Sзi - степень черноты и площадь поверхности
нагретой зоны, eзi = 0.92 (для всех поверхностей так как материал
ПП одинаковай).
4. Для определяющей температуры tm = 0.5 (tк
+ t0 + Dtk) =
0.5 (45 + 30 + 17 =46 oC и определяющего размере hi
рассчитываем число Грасгофа Gr для
каждой поверхности корпуса
где Lопр i - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;
g - ускорение свободного падения;
gm - кинетическая
вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и
равна gm=17.48
× 10-6 м2/с
Определяем число Прандталя Pr из
таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.698.
Grн Pr = Grв Pr =
213.654 × 0.698 = 149.13
Grб Pr =
875.128 × 0.698 = 610.839
5. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного
теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:
· для нижней и верхней
· для боковой поверхности
где lm - теплопроводность газа, для воздуха lm
определяем из таблицы 4.10 [1] lm
= 0.0281 Вт/(м К);
6. Определяем тепловую проводимость между нагретой
зоной и корпусом:
где s - удельная
тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м2 К);
Sl - площадь
контакта рамки модуля с корпусом блока;
Кs
- коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
В результате получаем:
7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dtз.о во втором приближении
где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее
перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw = 1;
Кн2 - коэффициент, учитывающий давление
воздуха внутри блока, Кн2 = 1.3.
8. Определяем ошибку расчета
Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1.
9. Рассчитываем
температуру нагретой зоны
Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента
1. Определяем эквивалентный коэффициент
теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда
отсутствуют теплопроводные шины lэкв = lп = 0.3 Вт/(м К) , где lп -
теплопроводность материала основания печатной платы.
2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:
где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 0.0195 × 0.006 = 0.000117
м2
3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового
потока
где a1 и a2 - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП;
для естественного теплообмена a1 + a2 = 18 Вт/(м2 К);
hпп - толщина ПП.
4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса
микросхемы для ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей
в наихудшем тепловом режиме:
где В и М - условные величины, введенные для упрощения
формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8.5 p R2 Вт/К, М = 2;
к - эмпирический коэффициент: для корпусов микросхем,
центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14; для
корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1;
кa -
коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17)
[1] и для нашего случая кa = 12 Вт/(м2 К);
Ni - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса
рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более ri < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП Ni = 24;
К1 и К0 - модифицированные
функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:
Dtв - среднеобъемный
перегрев воздуха в блоке:
QИСi
- мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех
одинаковая и равна 0.001 Вт;
SИСi - суммарная площадь поверхностей i-й
микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИСi
= 2 (с1 × с2 + с1
× с3 + с2 × с3) = 2 (19.5 × 6 + 19.5 × 4 + 6 × 4) = 438 мм2 = 0.000438 м2;
dзi - зазор между микросхемой и ПП, dзi = 0;
lзi - коэффициент теплопроводности материала,
заполняющего этот зазор.
Подставляя численные значения в формулу получаем
5. Определяем температуру поверхности корпуса
микросхемы
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТр = -45....+70 оС, и не требует
дополнительной системы охлаждения.
РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА
Исходные данные для расчета:
Масса блока ИС
|
Плотность дюралюминия
|
rдр = 2800 кг/м3
|
Плотность
стеклотекстолита
|
rСт = 1750 кг/м3
|
Толщина
дюралюминия
|
hk = 1 мм = 0.001 м
|
Толщина печатной
платы
|
hпп = 2 мм = 0.002 м
|
Количество
печатных плат
|
nпп = 60
|
Количество ИС
|
nис = 25
|
РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП
Так как в нашей ПП используются однотипные микросхемы
равномерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной
частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулой для равномерно нагруженной
пластины:
где a и b - длина и ширина пластины, a = 186 мм, b = 81 мм;
D - цилиндрическая
жесткость;
E -
модуль упругости, E = 3.2 × 10-10 Н/м;
h - толщина
пластины, h = 2 мм;
n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;
М - масса пластины с элементами, М = mпп + mис × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695
кг;
Ka - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон
пластины;
k, a, b, g - коэффициенты
приведенные в литературе [1].
Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем
значение собственной частоты:
РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ
Исходные данные
Вид носителя - управляемый снаряд
|
Масса блока m = 42.385 кг
|
f, Гц
|
10
|
30
|
50
|
100
|
500
|
1000
|
g
|
5
|
8
|
12
|
20
|
25
|
30
|
1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого
значения f.
так как нам известен порядок Кe » 103,
то при минимальной частоте f = 10 Гц
следовательно мы можем рассчитать величину
вибросмещения для каждой частоты спектра. Результат расчета представим в таблице:
f, Гц
|
10
|
30
|
50
|
100
|
500
|
1000
|
g
|
5
|
8
|
12
|
20
|
25
|
30
|
x, мм
|
13
|
2
|
1
|
0.25
|
0.076
|
2. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор
амортизатора.
Так как блок заполнен одинаковыми модулями то и масса
его распределена равномерно. При таком распределении нагрузки целесообразно
выбрать симметричное расположение амортизаторов. В таком случае очень легко
рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:
Исходя из значений Р1...Р4
выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Рном
= 100....150 Н, коэффициент жесткости kам = 186.4 Н/см, показатель затухания e = 0.5.
3. Расчет статической осадки амортизатора и
относительного перемещения блока.
Статическая осадка амортизаторов определяется по
формуле:
Для определения относительного перемещения s(f)
необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы
и коэффициент динамичности который определяется по следующей
формуле
Результат расчета представим в виде таблице
Масса блока m = 42.385 кг
|
f, Гц
|
10
|
30
|
50
|
100
|
500
|
1000
|
g
|
5
|
8
|
12
|
20
|
25
|
30
|
f, Гц
|
10
|
30
|
50
|
100
|
500
|
1000
|
x(f), мм
|
13
|
2
|
1
|
0.5
|
0.25
|
0.076
|
m(f)
|
1.003
|
1.118
|
1.414
|
2.236
|
4.123
|
13.196
|
s(f)= x(f) m(f)
|
13.039
|
2.236
|
1.414
|
1.118
|
1.031
|
1.003
|
РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ
Так как носителем нашего блока является управляемый
снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последовательных
элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.
Интенсивность отказов элементов с учетом условий
эксплуатации изделия определяется по формуле:
где l0i
- номинальная интенсивность отказов;
k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия
механических факторов;
k3 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;
Значения номинальных интенсивностей отказа и
поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были
взяты из литературы [1] и приведены в таблице
Элемент
|
l0i,1/ч
|
k1
|
k3
|
k4
|
Микросхема
|
0,013
|
1,46
|
1,13
|
1
|
1,4
|
Соединители
|
0,062
×
24
|
1,46
|
1,13
|
1
|
1,4
|
Провода
|
0,015
|
1,46
|
1,13
|
1
|
1,4
|
Плата печатной схемы
|
0,7
|
1,46
|
1,13
|
1
|
1,4
|
Пайка навесного монтажа
|
0,01
|
1,46
|
1,13
|
1
|
1,4
|
Вероятность безотказной работы в течении заданной
наработки tp для нерезервированных систем определяется из
формулы:
Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает
1...2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим
условиям.
ЛИТЕРАТУРА
1.
О. Д. Парфенов, Э. Н.
Камышная, В. П. Усачев.
Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. “Радио и связь”,
1989 г.
2.
Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин
и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г
3.
В. А. Шахнов. Курс лекций.