Конструирование ЭВС (работа 2)

Вид носителя - управляемый снаряд

Масса блока m = 42.385 кг

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>1

Московский 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 задание.........................................................................

Подбор элементной базы..................................................................

Расчет теплового режима блока.......................................................

Расчет массы блока..........................................................................

Расчет собственной частоты ПП......................................................

Расчет схемы амортизации..............................................................

Расчет надежности по внезапным отказам......................................

Литература........................................................................................

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 t_>о>=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) 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.

Параметр	К176ЛЕ5	К176ЛА7
Входной ток в состоянии “0”, I_>вх>⁰, мкА, не менее	-0.1	-0.1
Входной ток в состоянии “1”, I_>вх>¹, мкА, не более	0.1	0.1
Выходное напряжение “0”, U_>вых>⁰, В, не более	0.3	0.3
Выходное напряжение “1”, U_>вых>¹, В, не менее	8.2	8.2
Ток потребления в состоянии “0”, I_>пот>⁰, мкА, не более	0.3	0.3
Ток потребления в состоянии “1”, I_>пот>¹, мкА, не более	0.3	0.3
Время задержки распространения сигнала при включении t_>зд р>¹^,⁰, нс, не более	200	200
Время задержки распространения сигнала при включении t_>зд р>⁰^,¹, нс, не более	200	200

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

Напряжение источника питания, В	5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более	50
Выходной ток I_>вых>⁰ и I_>вых>¹, мА, не более	0.5
Помехоустойчивость, В	0.9

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные:

Размеры блока:	L_>1>=250 мм L_>2>=180 мм L_>3>=90 мм
Размеры нагретой зоны:	a_>1>=234 мм a_>2>=170 мм a_>3>=80 мм
Зазоры между нагретой зоной и корпусом	h_>н>=h_>в>=5 мм
Площадь перфорационных отверстий	S_>п>=0 мм²
Мощность одной ИС	P_>ис>=0,001 Вт
Температура окружающей среды	t_>о>=30 ^оC
Тип корпуса	Дюраль
Давление воздуха	p = 1.33 × 10⁴ Па
Материал ПП	Стеклотекстолит
Толщина ПП	h_>пп> = 2 мм
Размеры ИС	с_>1> = 19.5 мм с_>2> = 6 мм c_>3>= 4 мм

Этап 1. Определение температуры корпуса

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_>к>:

где P_>0> - мощность рассеиваемая блоком в виде теплоты;

S_>к> - площадь внешней поверхности блока.

Для осуществления реального расчета примем P_>0>=20 Вт, тогда

2. По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dt_>к>= 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 t_>m>= t_>0>+ 0.5 Dt_>k>= 30 + 0.5 10 =35 ^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_>опр>_>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 t_>m>, Pr = 0.7.

6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:

5 × 10⁶< Gr_>н> Pr = Gr_>в> Pr = 1.831 ×0.7 × 10⁷ = 1.282 × 10⁷< 2 × 10⁷ следовательно режим ламинарный

Gr_>б> 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);

N_>i> - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса: N_>i> = 0.7 для нижней поверхности, N_>i> = 1 для боковой поверхности, N_>i> = 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 Dt_>к>_>.>_>о>:

где К_>к>_>.>_>п> - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно К_>к>_>.>_>п> = 1;

К_>н1> - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], К_>н1> = 1.

10. Определяем ошибку расчета

Так как d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dt_>к>= 15 ^оС.

11. После повторного расчета получаем Dt_>к,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 q_>з>:

где P_>з> - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P_>з> = 20 Вт.

2. По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dt_>з>= 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_>п>_>i> :

где e_>з>_>i> и S_>з>_>i> - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e_>з>_>i>_>>= 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 t_>m>= 0.5 (t_>к> + t_>0>+ Dt_>k>)_>>= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 ^oC и определяющего размере h_>i> рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_>опр>_>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 t_>m>, Pr = 0.698.

Gr_>н> Pr = Gr_>в> Pr = 213.654 × 0.698 = 149.13

Gr_>б> 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);

S_>l> - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;

К_>s> - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем:

7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dt_>з>_>.>_>о> во втором приближении

где К_>w> - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К_>w>_>>= 1;

К_>н2> - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_>н2> = 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 S_>0>_>ИС> - площадь основания микросхемы, S_>0>_>ИС> = 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);

h_>пп> - 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;

к_>a> - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая к_>a> = 12 Вт/(м² К);

N_>i> - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемы на расстоянии не более r_>i> < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП N_>i> = 24;

К_>1> и К_>0> - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:

Dt_>в> - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:

Q_>ИС>_>i> - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;

S_>ИС>_>i>_>>- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна S_>ИС>_>i> = 2 (с_>1>× с_>2> + с_>1>× с_>3> + с_>2>× с_>3>) = 2 (19.5_>>× 6 + 19.5_>>× 4 + 6_>>× 4) = 438 мм² = 0.000438 м²;

d_>з>_>i> - зазор между микросхемой и ПП, d_>з>_>i> = 0;

l_>з>_>i> - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.

Подставляя численные значения в формулу получаем

5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТ_>р> = -45....+70 ^оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

Исходные данные для расчета:

Масса блока ИС	m_>ис> = 24 г = 0.024 кг
Плотность дюралюминия	r_>др> = 2800 кг/м³
Плотность стеклотекстолита	r_>Ст> = 1750 кг/м³
Толщина дюралюминия	h_>k>= 1 мм = 0.001 м
Толщина печатной платы	h_>пп> = 2 мм = 0.002 м
Количество печатных плат	n_>пп> = 60
Количество ИС	n_>ис> = 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;

n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;

М - масса пластины с элементами, М = m_>пп> + m_>ис> × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;

K_>a> - 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 К_>e> » 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	1000
g	5	8	12	20	25	30
x, мм	13	2	1	0.5	0.25	0.076

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_>1>...Р_>4> выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Р_>ном> = 100....150 Н, коэффициент жесткости k_>ам> = 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

Масса блока m = 42.385 кг
f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30
f, Гц	10	30	50	100	500	1000
x(f), мм	13	2	1	0.5	0.25	0.076
m(f)	1.003	1.118	1.414	2.236	4.123	13.196
s(f)= x(f) m(f)	13.039	2.236	1.414	1.118	1.031	1.003

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 l_>0>_>i> - номинальная интенсивность отказов;

k_>1>, k_>2> - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;

k_>3> - 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	l_>0>_>i>,1/ч	k_>1>	k_>2>	k_>3>	k_>4>
Микросхема	0,013	1,46	1,13	1	1,4
Соединители	0,062 × 24	1,46	1,13	1	1,4
Провода	0,015	1,46	1,13	1	1,4
Плата печатной схемы	0,7	1,46	1,13	1	1,4
Пайка навесного монтажа	0,01	1,46	1,13	1	1,4

Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки t_>p> 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.

ЛИТЕРАТУРА

О. Д. Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. “Радио и связь”, 1989 г.

Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г

В. А. Шахнов. Курс лекций.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>1