Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Конструирование ЭВС
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
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
Технические требования
а) условия эксплуатации
- температура среды tо=30 оC
- давление p = 133 10 Па
б) механические нагрузки
- перегрузки в заданном диапазоне
|
f, Гц |
10 |
|||||
|
g |
- удары u = 50 g
в) требования по надежности
- вероятность безотказной работы P(0.033) 0.8
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
|
Параметр |
К176ЛЕ5 |
К176ЛА7 |
|
Входной ток в состоянии “0” Iвх мкА не менее |
-01 |
-0.1 |
|
Входной ток в состоянии “1” Iвх мкА не более |
01 |
0.1 |
|
Выходное напряжение “0” Uвых В не более |
03 |
0.3 |
|
Выходное напряжение “1” Uвых В не менее |
82 |
8.2 |
|
Ток потребления в состоянии “0” Iпот мкА не более |
03 |
0.3 |
|
Ток потребления в состоянии “1” Iпот мкА не более |
03 |
0.3 |
|
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р нс не более |
200 |
200 |
|
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р нс не более |
200 |
200 |
Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации
|
Напряжение источника питания В |
- 10 В |
|
Нагрузочная способность на логическую микросхему не более |
50 |
|
Выходной ток Iвых и Iвых мА не более |
05 |
|
Помехоустойчивость В |
9 |
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА
Исходные данные
|
Размеры блока |
L=250 мм L=180 мм L=90 мм |
|
Размеры нагретой зоны |
a=234 мм a=170 мм a=80 мм |
|
Зазоры между нагретой зоной и корпусом |
hн=hв=5 мм |
|
Площадь перфорационных отверстий |
Sп=0 мм |
|
Мощность одной ИС |
Pис=0,001 Вт |
|
Температура окружающей среды |
tо=30 оC |
|
Тип корпуса |
Дюраль |
|
Давление воздуха |
p = 133 10 Па |
|
Материал ПП |
Стеклотекстолит |
|
Толщина ПП |
hпп = 2 мм |
|
Размеры ИС |
с1 = 195 мм с = 6 мм c= 4 мм |
Этап 1Определение температуры корпуса
1 Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока qк
где P - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты
Sк - площадь внешней поверхности блока
Для осуществления реального расчета примем P=20 Вт, тогда
По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении tк= 10 оС
Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней лв, боковой лб и нижней лн поверхностей корпуса
Так как для всех поверхностей одинакова и равна =039 то
Для определяющей температуры tm = t+ 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 410 [1] и равна m=1648 10-6 м/с
5 Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.7
Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса
5 10< Grн Pr = Grв Pr = 1831 07 10 = 1282 10< 2 10следовательно режим ламинарный
Grб Pr = 6832 07 10 = 4782 10< 5 10следовательно режим переходный к ламинарному
Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока ki
где m - теплопроводность газа, для воздуха m определяем из таблицы 410 [1] m = 00272 Вт/(м К)
Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса Ni = 0.7 для нижней поверхности Ni = 1 для боковой поверхности Ni = 13 для верхней поверхности
Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой к
Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении tко
где Ккп - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока Так как блок является герметичным, следовательно Ккп = 1
Кн1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис 412 [1], Кн1 = 1
Определяем ошибку расчета
Так как =0332 > []=0.1 проводим повторный расчет скорректировав tк= 15 оС
После повторного расчета получаем tк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна
Такая ошибка нас вполне устраивает =0053 < []=0.1
Рассчитываем температуру корпуса блока
Этап 2Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны
1 Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока qз
где Pз - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, Pз = 20 Вт.
По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны tз= 18 оС
Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними злн, верхними злв и боковыми злб поверхностями нагретой зоны и корпуса
Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны пi
где зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, зi= 092 (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 = 0405 и тогда
Для определяющей температуры tm = 05 (tк + t+ tk)= 05 (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 410 [1] и равна m=1748 10-6 м/с
Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 [1] для определяющей температуры tm, Pr = 0.698
Grн Pr = Grв Pr = 213654 0698 = 14913
Grб Pr = 875128 0698 = 610839
Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена 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 410 [1] m = 00281 Вт/(м К)
Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом
где - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима = 240 Вт/(м К)
S - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока
К - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен
В результате получаем
Рассчитываем нагрев нагретой зоны tзо во втором приближении
где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw= 1
Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 = 13
Определяем ошибку расчета
Такая ошибка нас вполне устраивает =0053 < []=0.1
Рассчитываем температуру нагретой зоны
Этап 3Расчет температуры поверхности элемента
1 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
Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем
где SИС - площадь основания микросхемы, SИС = 00195 0006 = 0000117 м
Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока
где и - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП для естественного теплообмена + = 18 Вт/(м К)
hпп - толщина ПП
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 = 85 R 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 417) [1] и для нашего случая к = 12 Вт/(м 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
К и К - 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 0001 Вт
SИСi- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИСi = 2 (с с + с с + с с) = 2 (195 6 + 19.5 4 + 6 4) = 438 мм = 0000438 м
зi - зазор между микросхемой и ПП, зi = 0
зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор
Подставляя численные значения в формулу получаем
Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы
Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы Тр = -45+70 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения
РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА
Исходные данные для расчета
|
Масса блока ИС |
mис = 24 г = 0024 кг |
|
Плотность дюралюминия |
др = 2800 кг/м |
|
Плотность стеклотекстолита |
Ст = 1750 кг/м |
|
Толщина дюралюминия |
hk = 1 мм = 0001 м |
|
Толщина печатной платы |
hпп = 2 мм = 0002 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
- 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 АМОРТИЗАЦИИ
Исходные данные
|
Вид носителя - управляемый снаряд |
|
Масса блока m = 42.385 кг |
|
f, Гц |
10 |
|||||
|
g |
1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.
так как нам известен порядок К 10, 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 |
|||||
|
g |
||||||
|
, мм |
13 |
5 |
25 |
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 Р...Р выбираем амортизатор АД -15 который имеет номинальную статическую нагрузку Рном = 100....150 Н, коэффициент жесткости kам = 1864 Н/см, показатель затухания = 05
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 |
|||||
|
g |
||||||
|
f, Гц |
10 |
|||||
|
(f), мм |
13 |
5 |
25 |
076 |
||
|
(f) |
.003 |
1.118 |
1.414 |
2.236 |
4.123 |
13.196 |
|
s(f)= (f) (f) |
.039 |
.236 |
.414 |
.118 |
.031 |
.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 i - номинальная интенсивность отказов
k, k - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов
k - 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 |
i,1/ч |
k |
k |
k |
k |
|
Микросхема |
0,013 |
,46 |
,13 |
,4 |
|
|
Соединители |
0,062 24 |
,46 |
,13 |
,4 |
|
|
Провода |
0,015 |
,46 |
,13 |
,4 |
|
|
Плата печатной схемы |
0,7 |
,46 |
,13 |
,4 |
|
|
Пайка навесного монтажа |
0,01 |
,46 |
,13 |
,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