takya.ru страница 1
скачать файл



Конструирование и технология производства ЭВА

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знаменигосударственный технический университет им. Н. Э. БауманаКурсовой проектпо курсу "Конструирование ЭВС"студент: Вилинский Д. группа ИУ4-92консультант: Шахнов В. А.Москва 1997 ОГЛАВЛЕНИЕТехническое задание.........................................................................Подбор элементной базы..................................................................Расчет теплового режима блока.......................................................Расчет массы блока..........................................................................Расчет собственной частоты ПП......................................................Расчет схемы амортизации..............................................................Расчет надежности по внезапным отказам......................................Литература........................................................................................ 3451313141618 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ1. 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 оC; - давление p = 1.33 104 Па; б) механические нагрузки: - перегрузки в заданном диапазонеf, Гц 10 30 50 100 500 1000g 5 8 12 20 25 30 - удары u = 50 g; в) требования по надежности: - вероятность безотказной работы P(0.033) 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 БАЗЫПоскольку проектируемый электронно-вычислительный блок яв-ляется 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 - наибо-лее 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.Параметр К176ЛЕ5 К176ЛА7Входной ток в состоянии "0", Iвх0, мкА, не менее -0.1 -0.1Входной ток в состоянии "1", Iвх1, мкА, не более 0.1 0.1Выходное напряжение "0", Uвых0, В, не более 0.3 0.3Выходное напряжение "1", Uвых1, В, не менее 8.2 8.2Ток потребления в состоянии "0", Iпот0, мкА, не более 0.3 0.3Ток потребления в состоянии "1", Iпот1, мкА, не более 0.3 0.3Время задержки распространения сигнала при включении tзд р1,0, нс, не более 200 200Время задержки распространения сигнала при включении tзд р0,1, нс, не более 200 200Предельно допустимые электрические режимы эксплуатацииНапряжение источника питания, В 5 - 10 ВНагрузочная способность на логическую микросхему, не более 50Выходной ток Iвых0 и Iвых1, мА, не более 0.5Помехоустойчивость, В 0.9РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКАИсходные данные:Размеры блока: L1=250 мм L2=180 мм L3=90 ммРазмеры нагретой зоны: a1=234 мм a2=170 мм a3=80 ммЗазоры между нагретой зоной и корпусом hн=hв=5 ммПлощадь перфорационных отверстий Sп=0 мм2Мощность одной ИС Pис=0,001 ВтТемпература окружающей среды tо=30 оCТип корпуса ДюральДавление воздуха p = 1.33 104 ПаМатериал ПП СтеклотекстолитТолщина ПП hпп = 2 ммРазмеры ИС с1 = 19.5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 ммЭтап 1. Определение температуры корпуса1. 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 tк= 10 оС.3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней л.в, боковой л.б и нижней л.н поверхностей корпуса: Так как для всех поверхностей одинакова и равна =0.39 то: 4. Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 tk = 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; m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна m=16.48 10-6 м2/с 5. Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для оп-ределяющей температуры tm, Pr = 0.7.6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверх-ность корпуса:5 106 < Grн Pr = Grв Pr = 1.831 0.7 107 = 1.282 107 < 2 107 следовательно режим ламинарныйGrб Pr = 6.832 0.7 106 = 4.782 106 < 5 106 следовательно ре-жим переходный к ламинарному.7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для ка-ждой поверхности блока k.i: где m - теплопроводность газа, для воздуха m определяем из таблицы 4.10 [1] m = 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 к: 9. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором при-ближении tк.о: где Кк.п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно Кк.п = 1; Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окру-жающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], Кн1 = 1.10. Определяем ошибку расчета Так как =0.332 > [ ]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав tк= 15 оС.11. После повторного расчета получаем tк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна Такая ошибка нас вполне устраивает =0.053 < [ ]=0.112. Рассчитываем температуру корпуса блока Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагре-той зоны1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность на-гретой 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 tз= 18 оС.3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними з.л.н, верхними з.л.в и боковыми з.л.б поверхностями нагретой зоны и корпуса.Для начала определим приведенную степень черноты i-ой по-верхности нагретой зоны пi : где зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, зi = 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 п = 0.405 и тогда 4. Для определяющей температуры tm = 0.5 (tк + t0 + tk) = 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; m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна m=17.48 10-6 м2/с Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для опре-деляющей температуры tm, Pr = 0.698.Grн Pr = Grв Pr = 213.654 0.698 = 149.13Grб Pr = 875.128 0.698 = 610.8395. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теп-лообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:" для нижней и верхней " для боковой поверхности где m - теплопроводность газа, для воздуха m определяем из таблицы 4.10 [1] m = 0.0281 Вт/(м К);6. Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом: где - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима = 240 Вт/(м2 К); S - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока; К - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен В результате получаем: 7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны tз.о во втором приближении где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw = 1;Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри бло-ка, Кн2 = 1.3.8. Определяем ошибку расчета Такая ошибка нас вполне устраивает =0.053 < [ ]=0.1.9. Рассчитываем температуру нагретой зоны Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины экв = п = 0.3 Вт/(м К) , где п - теплопроводность материала основания печатной платы.2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем: где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 0.0195 0.006 = 0.000117 м23. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока где 1 и 2 - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообмена 1 + 2 = 18 Вт/(м2 К);hпп - толщина ПП.4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микро-схемы 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 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;к - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая к = 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: tв - 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; зi - зазор между микросхемой и ПП, зi = 0; зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор. Подставляя численные значения в формулу получаем 5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы Тр = -45....+70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКАИсходные данные для расчета:Масса блока ИС mис = 24 г = 0.024 кгПлотность дюралюминия др = 2800 кг/м3Плотность стеклотекстолита Ст = 1750 кг/м3Толщина дюралюминия hk = 1 мм = 0.001 мТолщина печатной платы hпп = 2 мм = 0.002 мКоличество печатных плат nпп = 60Количество ИС nис = 25 РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ППТак как в нашей ПП используются однотипные микросхемы рав-номерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться форму-лой 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; - коэффициент Пуассона, = 0.279;М - масса пластины с элементами, М = mпп + mис 25 = 0.095 + 0.024 25 = 0.695 кг;K - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины;k, , , - коэффициенты приведенные в литературе [1].Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты: РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИИсходные данныеВид носителя - управляемый снарядМасса блока m = 42.385 кгf, Гц 10 30 50 100 500 1000g 5 8 12 20 25 301. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f. так как нам известен порядок К 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 1000g 5 8 12 20 25 30 , мм 13 2 1 0.5 0.25 0.0762. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор амортиза-тора.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 кото-рый имеет: номинальную статическую нагрузку Рном = 100....150 Н, коэффициент жесткости kам = 186.4 Н/см, показатель затухания = 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 сле-дующей формуле Результат расчета представим в виде таблицеМасса блока m = 42.385 кгf, Гц 10 30 50 100 500 1000g 5 8 12 20 25 30f, Гц 10 30 50 100 500 1000 (f), мм 13 2 1 0.5 0.25 0.076 (f) 1.003 1.118 1.414 2.236 4.123 13.196s(f)= (f) (f) 13.039 2.236 1.414 1.118 1.031 1.003РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАП-НЫМ ОТКАЗАМТак как носителем нашего блока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последова-тельных элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуата-ции изделия определяется по формуле: где 0i - номинальная интенсивность отказов;k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздейст-вия механических факторов;k3 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воз-духа;Значения номинальных интенсивностей отказа и поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были взяты из литературы [1] и приведены в таблицеЭлемент 0i,1/ч k1 k2 k3 k4Микросхема 0,013 1,46 1,13 1 1,4Соединители 0,062 24 1,46 1,13 1 1,4Провода 0,015 1,46 1,13 1 1,4Плата печатной схе-мы 0,7 1,46 1,13 1 1,4Пайка навесного монтажа 0,01 1,46 1,13 1 1,4Вероятность 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. ЛИТЕРАТУРА1. 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 г3. В. А. Шахнов. Курс лекций.
скачать файл



Смотрите также:
Конструирование и технология производства эва
80.46kb.
Рабочая программа по дисциплине: «Математика» направление подготовки: 211000 «Конструирование и технология электронных средств»
434.1kb.
Перечень используемых сокращений
1263.17kb.
Рабочая программа дисциплины материаловедение. Технология конструкционных материалов. Форма обучения
166.84kb.
Доклад учителя русского языка и литературы высшей кк новик Т. П. Современные педагогические технологии обучения русскому языку в школе
348.15kb.
«Производство карбоксиметилцеллюлозы (кмц) и полианионной целлюлозы (пац)». Приведены исходные данные и методика расчета материальных и тепловых балансов производства ингибиторов коррозии
288.06kb.
Серия : ядерноеприборостроени е научно технический сборник Системы, устройства, схемотехника, технология, конструирование и производство Издается с 1969 г
827.33kb.
Технология производства заготовок в машиностроении методом горячей объёмной штамповки
94.8kb.
Тематический план по предмету: «Технология производства сварочных конструкций» № темы
15.78kb.
Программа дисциплины «Конструирование и технологии производства мрэа»
27.59kb.
Лабораторная работа № Конструирование таблиц 3 лабораторная работа № Конструирование запросов на выборку 18
904.24kb.
Ооо птк полимер-технология
57.15kb.