Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 55
и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н. Э. Баумана Курсовой проект
по курсу “Конструирование ЭВС” студент: Вилинский Д. группа ИУ4-92 консультант: Шахнов В. А. Москва 1997 ОГЛАВЛЕНИЕ
Техническое задание......................................................................... Подбор элементной базы.................................................................. Расчет теплового режима блока....................................................... Расчет массы блока.......................................................................... Расчет собственной частоты ПП...................................................... Расчет схемы амортизации.............................................................. Расчет надежности по внезапным отказам...................................... Литература........................................................................................ 3 4 5 13 13 14 16 18 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
1. Назначение аппаратуры. Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС. 2. Технические требования: а) условия эксплуатации: - температура среды tо
=30 о
C; - давление p = 1.33 × 104
Па; б) механические нагрузки: - перегрузки в заданном диапазоне - удары u = 50 g; в) требования по надежности: - вероятность безотказной работы P(0.033)³ 0.8. 3. Конструкционные требования: а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой; б) мощность в блоке P £ 27 Вт; в) масса блока m £ 50 кг; г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71; д) тип амортизатора АД -15; е) условия охлаждения - естественная конвекция. ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования: * высокая надежность; * высокая помехозащищенность; * малая потребляемая мощность; Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры. Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю. Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики: дополняющие МОП-структуры). Конкретно были выбраны две микросхемы: * К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ; * К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ. Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА
Исходные данные: Этап 1. Определение температуры корпуса
1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока qк
: 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 о
С. 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 o
C 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 о
С. 11. После повторного расчета получаем Dtк,о
= 15,8 о
С, 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 о
С. 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 eп
i
: где eз
i
и Sз
i
- степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, eз
i
= 0.92 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай). Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной eп
= 0.405 и тогда 4. Для определяющей температуры tm
= 0.5 (tк
+ t0
+ Dtk
)= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 o
C 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 S0
ИС
- площадь основания микросхемы, S0
ИС
= 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 теплообменаa1
+ a2
= 18 Вт/(м2
К); hпп
- толщина ПП. 4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемыдля 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 pR2
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: QИС
i
- мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт; SИС
i
- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИС
i
= 2 (с1
× с2
+ с1
× с3
+ с2
× с3
) = 2 (19.5×6 + 19.5×4 + 6×4) = 438 мм2
= 0.000438 м2
; dз
i
- зазор между микросхемой и ПП, dз
i
= 0; lз
i
- 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 о
С, и не требует дополнительной системы охлаждения. РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА
Исходные данные для расчета: 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 - модульупругости, 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 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: 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 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 l0
i
- 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 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. |