|
| |||
Реферат: Конструирование ЭВСМосковский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции 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 |3 | 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 f, Гц |10 |30 |50 |100 |500 |1000 | |g |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 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. Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики(
дополняющие МОП-структуры)( Конкретно были выбраны две микросхемы( |Параметр |К176ЛЕ5 |К176ЛА7 | Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации |Напряжение источника питания( В |5 - 10 В | РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА Исходные данные( |Размеры блока( |L1=250 мм L2=180 мм L3=90 мм | 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 3( Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней (л(в, боковой (л(б и нижней (л(н поверхностей корпуса( [pic] Так как ( для всех поверхностей одинакова и равна (=0(39 то( [pic] 4( Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 (tk = 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса [pic] 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 [pic] 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 (k(i( [pic] где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m определяем из таблицы Ni - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса( Ni = 8( Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и
окружающей средой (к( 9( Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении [pic] 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 [pic] Так как (=0(332 > [(]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав 11( После повторного расчета получаем (tк,о= 15,8 оС, и следовательно ошибка расчета будет равна [pic] Такая ошибка нас вполне устраивает (=0(053 < [(]=0.1 12( Рассчитываем температуру корпуса блока [pic] Этап 2( Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны 1( Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока qз( [pic] 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 поверхности
нагретой зоны (пi ( Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной (п = 0(405 и тогда [pic] 4( Для определяющей температуры tm = 0(5 (tк + t0 + (tk) = 0(5 (45 + 30 [pic] 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 [pic] 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 [pic] для боковой поверхности [pic] где (m - теплопроводность газа, для воздуха (m определяем из таблицы 6( Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом( [pic] 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 [pic] В результате получаем( 7( Рассчитываем нагрев нагретой зоны (tз(о во втором приближении [pic] где Кw - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, Кw = 1( Кн2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 = 8( Определяем ошибку расчета [pic] 9( Рассчитываем температуру нагретой зоны [pic] 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 Вт/(м К) , где (п - теплопроводность материала основания печатной платы( 2( Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем( [pic] где S0ИС - площадь основания микросхемы, S0ИС = 0(0195 ( 0(006 = 3( Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока [pic] 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 микросхемы для ИМС
номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем
тепловом режиме( 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( [pic] (tв - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке( [pic] 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 (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 [pic] РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА Исходные данные для расчета( |Масса блока ИС |mис = 24 г = 0(024 кг | [pic] 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( РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ Исходные данные |Вид носителя - управляемый снаряд | 1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f. [pic] так как нам известен порядок К( ( 103, то при минимальной частоте f = [pic] следовательно мы можем рассчитать величину вибросмещения для каждой частоты спектра( Результат расчета представим в таблице( |f, Гц |10 |30 |50 |100 |500 |1000 | 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( [pic] 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 ( = 0(5( 3( Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока( Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле( [pic] Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы [pic] [pic] и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле [pic] Результат расчета представим в виде таблице |Масса блока m = 42.385 кг | 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( [pic] 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 |Элемент |(0i,1/ч |k1 |k2 |k3 |k4 | Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки tp для нерезервированных систем определяется из формулы( [pic] [pic] Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1...2 минут и следовательно значение P(0.033) = 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям( ЛИТЕРАТУРА
|
|