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 оC;

- 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

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 D tк= 10 оС

3 Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a л в, боковой a л б и нижней a л н поверхностей корпуса

Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e =0 39 то

4 Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 D 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;

g m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4 10 [1] и равна g m=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 a k i

где l m - теплопроводность газа, для воздуха l m определяем из таблицы 4 10 [1] l 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 s к

9 Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении D 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 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 D tк= 15 оС

11 После повторного расчета получаем D tк,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 D tз= 18 оС

3 Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними a з л н, верхними a з л в и боковыми a з л б поверхностями нагретой зоны и корпуса

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны e пi

где e зi и Sзi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e 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 e п = 0 405 и тогда

4 Для определяющей температуры tm = 0 5 (tк + t0 + D 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;

g m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4 10 [1] и равна g m=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 l m - теплопроводность газа, для воздуха l m определяем из таблицы 4 10 [1] l m = 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 D tз 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 l экв = l п = 0.3 Вт/(м К) , где l п - 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 a 1 и a 2 - коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообмена a 1 + a 2 = 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

D 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;

d зi - зазор между микросхемой и ПП, d зi = 0;

l 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 D Тр = -45 +70 оС, 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 - 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

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 l 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

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