Конструирование ЭВС

Конструирование ЭВС 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 tо30 оC - давление p 133 104 Па б механические нагрузки - перегрузки в заданном диапазоне f,

Гц1030501005001000g5812202530- удары u 50 g в требования по надежности - вероятность безотказной работы P3 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 ПараметрК176ЛЕ5К176ЛА7Входной ток в состоянии 0 Iвх0 мкА не менее-01-0.1Входной ток в состоянии 1 Iвх1 мкА не более010.1Выходное напряжение 0 Uвых0 В не более030.3Выходное напряжение 1 Uвых1 В не менее828.2Ток потребления в состоянии 0 Iпот0 мкА не более030.3Ток потребления в состоянии 1

Iпот1 мкА не более030.3Время задержки распространения сигнала при включении tзд р10 нс не более200200Время задержки распространения сигнала при включении tзд р01 нс не более200200 Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации Напряжение источника питания В5 - 10 ВНагрузочная способность на логическую микросхему не более50Выходной ток Iвых0 и Iвых1 мА не более05Помехоустойчивость В09

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА Исходные данные Размеры блокаL1250 мм L2180 мм L390 ммРазмеры нагретой зоныa1234 мм a2170 мм a380 ммЗазоры между нагретой зоной и корпусомhнhв5 ммПлощадь перфорационных отверстийSп0 мм2Мощность одной ИСPис0,001 ВтТемпература окружающей средыtо30 оCТип корпусаДюральДавление воздухаp 104 ПаМатериал ППСтеклотекстолитТолщина ППhпп 2 ммРазмеры

ИСс1 195 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 P020 Вт, тогда 2 По графику из 1 задаемся перегревом корпуса в первом приближении tк 10 оС 3

Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней лв, боковой лб и нижней лн поверхностей корпуса Так как для всех поверхностей одинакова и равна 039 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 410 1

и равна m1648 10-6 м2с 5 Определяем число Прандталя Pr из таблицы 410 1 для определяющей температуры tm, Pr 6 Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса 5 106 Grн Pr Grв Pr 1831 07 107 1282 107 2 107 следовательно режим ламинарный Grб Pr 6832 07 106 4782 106 5 106 следовательно режим переходный к ламинарному 7

Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока ki где m - теплопроводность газа, для воздуха m определяем из таблицы 410 1 m 00272 Втм К Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса Ni 0.7 для нижней поверхности Ni 1 для боковой поверхности Ni 13 для верхней поверхности 8 Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей

средой к 9 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, Кн10 Определяем ошибку расчета Так как 0332 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 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 tз 18 оС 3 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 4 Для определяющей температуры tm 05 tк t0 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 m1748 10-6 м2с 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 5 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 Втм К 6 Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом где - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима 240

Втм2 К S - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока К - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен В результате получаем 7 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 8 Определяем ошибку расчета Такая ошибка нас вполне устраивает 0053 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 экв п 0.3 Втм К , где п - теплопроводность материала основания печатной платы 2

Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС 00195 0006 0000117 м2 3 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 Втм2 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 85 R2 ВтК, 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 Втм2 К Ni - число i-х корпусов микросхем расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более ri 10m 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 0001

Вт SИСi - суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна SИСi 2 с1 с2 с1 с3 с2 с3 2 195 6 19.5 4 6 4 438 мм2 0000438 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 -4570 оС, и не требует дополнительной системы охлаждения РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА Исходные данные для расчета Масса блока ИСmис 24 г 0024 кгПлотность дюралюминиядр 2800 кгм3Плотность стеклотекстолитаСт 1750 кгм3Толщина дюралюминияhk 1 мм 0001 мТолщина печатной платыhпп 2 мм 0002 мКоличество печатных платnпп 60Количество

ИСnис 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 Нм 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 снарядМасса блока m 42.385 кгf,

Гц1030501005001000g5812202530 1. 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, Гц1030501005001000g5812202530, мм1321050250076 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 1864 Нсм, показатель затухания 05 3

Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле Для определения относительного перемещения sf 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 кгf,

Гц1030501005001000g5812202530f, Гц1030501005001000f, мм1321050250076f1.0031.1181.4142.2364.12 313.196sf f f13.0392.2361.4141.1181.0311.003 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 0i - 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 Элемент0i,1чk1k2k3k4Микросхема0,0131,461 ,1311,4Соединители0,062 241,461,1311,4Провода0,0151,461,1311,4Пл

ата печатной схемы0,71,461,1311,4Пайка навесного монтажа0,011,461,1311,4 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 P0.033 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям