Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. Особенности конструкции блока ВОК

1.1 Анализ особенностей блока ВОК

1.2 Актуальность моделирования процессов, протекающих в бортовой радиоэлектронной аппаратуре.

1.3 Алгоритм моделирования и расчета в системе Solid Works

ГЛАВА 2. Моделирование тепловых процессов блока ВОК

2.1 Анализ и расчет тепловых характеристик

2.2 Классификация систем охлаждения

2.3 Постановка задачи теплового расчета блока ВОК

2.4 Подготовка исходных данных для теплового моделирования и выбор программы автоматизированного проектирования

2.5 Исходные данные по модулям блока

2.6 Моделирование тепловых процессов в программной среде Solid Works

2.7 Повторный тепловой расчет блока ВОК

ГЛАВА 3. Моделирование механических воздействий на блок ВОК

3.1 Механические характеристики.

3.2 Влияние температуры на свойства алюминиево-магниевого сплава АМг6

3.3 Механический расчет блока ВОК

ГЛАВА 4. Определение надежности и качества элементов блока ВОК

4.1 Расчет надежности блока ВОК.

4.2 Требования по надежности блока ВОК.

4.3 Расчет надежности.

4.3.1 Расчет интенсивности отказов и средней наработки до отказа.

4.3.1.2 Расчет эксплуатационной интенсивности отказов МОВ.

4.3.1.2 Компонент первого уровня МОВ

4.3.1.3 Блок целиком

4.3.1.4 Оценка безотказной работы блока

4.4 Выводы по расчетам

Заключение и выводы по работе.

Список литературы



Введение

Одной из самых приоритетных задач в производстве и проектировании бортовой радиоаппаратуры последних поколений является выпуск продукции, обладающей следующими характеристиками: надежность, качество, конкурентоспособность. Данная продукция должна сохранять свои рабочие параметры в течение заданных временных интервалов, поскольку в случае отказа хотя бы одного элемента произойдет отказ группы компонентов или даже всего изделия.

Основным дестабилизирующим фактором, оказывающим влияние на надежность электрических систем, является температура. Ввиду того, что часть энергии питания, подведенной к радиоэлектрической аппаратуре (РЭА), расходуется на тепловые потери, побочным эффектом штатной работы устройства является перегрев элементов и аппаратуры, который может существенно повлиять на стабильность функционирования. Следствием значительного перегрева электрических радиоэлементов (ЭРИ) является существенное снижении показателей надежности аппаратуры, а также выход аппаратуры из рабочего состояния. В связи с важной ролью температурного воздействия как одного из ключевых параметров работы РЭА, особое внимание во время проектирования устройств уделяется выбору оптимальной конструкции, материалов, элементной базы, системы охлаждения, и надежности элементной базы.

Актуальные, применяемые на практике методы проектирования РЭА дают возможность не только постоянно отслеживать и вносить коррективы на протяжении всего жизненного цикла изделий (CALS-технология), но и еще на начальных этапах конструирования промоделировать различные воздействия внешних факторов на устройство.

Целью работы является исследование тепловых и механических процессов, их влияние на надежность проектируемого блока, и выбор оптимального способа охлаждения.

Для этого необходимо:

1. Произвести анализ конструкции и условий эксплуатации блока, а также существующих унифицированных систем теплофизического проектирования.

2. Исходя из анализа, произвести расчеты и, при необходимости, внести коррективы в разрабатываемую конструкцию.

3. Произвести расчет механических характеристик конструкции и анализировать, как повлияли внесенные изменения.

4. Исходя из полученных данных, проанализировать надежность элементной базы изделия. При необходимости внести замену элементной базы.



Глава 1. Особенности конструкции блока ВОК

1.1 Анализ особенностей блока ВОК

Вычислитель оптического координатора (ВОК) предназначен для применения в составе оптического координатора для решения информационно-расчетных задач, реализованных в программно-математическом обеспечении (ПМО). Предполагается применение ВОК в составе элементов высокоточной системы наведения (ВСН).

Блок имеет модульную конструкцию и состоит из двух модулей: модуля общих вычислений (МОВ) и модуля специальных вычислений (МСВ). Модули стыкуются между собой при помощи соединителей типа AMP (120 контактов).

В техническом задании на блок ВОК предъявляются следующие требования:

- температура воздуха от 253К (плюс 20 °С) в начале работы и до 353К (плюс 80 °С) в конце работы;

- абсолютное давление газовой среды от 0,1 до 0,17 Мпа;

- габариты не более 260x150x60 мм;

- масса не более 4 кг.

В связи с жесткими требованиями к эксплуатации блока и высокой температурной нагрузкой до +80 в конце движения, которая близка к предельным возможностям ЭРИ, с ограничениями по габаритам, массе и энергопотреблению, установка систем принудительного охлаждения не представляется возможной. Такое решение, как теплоотводящий компаунд снижает ремонтопригодность и затрудняет последующий анализ возможных отказов. [1]



1.2 Актуальность моделирования процессов, протекающих в бортовой радиоэлектронной аппаратуре

В настоящее время в процессы проектирования и моделирования все глубже и глубже внедряются компьютерные технологии, благодаря чему разработчики имеют возможность не просто наглядно и понятно воспроизводить геометрические формы будущих изделий, но и, что представляет гораздо большую ценность, проводить исследования происходящих теплофизических процессов. Важным следствием является возможность произвести анализ и внести корректировки в протекающие в аппаратуре процессы еще на этапе проектирования, что влечет существенное снижение затрат на изготовление опытных образцов и проведение их испытаний.

Решение проблемы перегрева элементной базы и, соответственно, изучение тепловых процессов является одной из важных задач при проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Теплообмен - это процесс передачи тепловой энергии в направлении, противоположном градиенту температуры, т.е. с наиболее нагретых частей аппаратуры в менее нагретые или же в окружающую среду. Перераспределение тепла в аппаратуре происходит за счет ряда протекающих одновременно следующих явлений: теплопроводность, конвекция и излучение. В результате такого перераспределения удается получить ряд температурных режимов, определить их возможно опытным путем либо еще на этапе разработки наиболее приближенно смоделировать в специализированных программах.

Математическое моделирование помогает решить ряд важных задач проектирования:

1. Без проведения дорогостоящих испытаний вносить изменения в конструкции РЭА, чтобы изделие удовлетворяло техническим требованиям;

2. Выявление возможности отказов в работе аппарата в случаях одновременного комплексного воздействия вредных факторов, таких как вибрация, температура, давление и т.д. Причем негативное воздействие данных факторов может никак не проявлять себя, когда факторы разнесены по времени.

При использовании систем математического моделирования в наиболее распространенных CAD-пакетах выделяют два основных этапа теплового анализа.

На первом этапе необходимо упростить спроектированную модель. Это делается для уменьшения потребляемых приложением в процессе создания сетки конечных элементов и расчета ресурсов.

Вторым шагом будет выбор и ввод параметров ЭРИ, определение характеристик материалов, а также граничных условий расчета.

В момент проведения предварительных расчетов и анализа базы элементов нужно, при условии, что это не противоречит электромагнитной совместимости и позволяет топология элементов, максимально далеко друг от друга разместить теплочувствительные элементы и самые нагретые.

При проектировании блоков встает вопрос о том, какое охлаждение стоит использовать. По возможности нужно использовать естественное охлаждение, поскольку принудительное снижает надежность аппарата из-за вероятности отказа, ведет к увеличению шума, дополнительному потреблению мощности. От наружных поверхностей корпуса РЭА отводится около 80% (при нормальных климатических условиях) конвективным теплообменом, остальное за счет теплопроводности и излучения.

1.3 Алгоритм моделирования и расчета в системе Solid Works

Блок схема анализа тепловых режимов в программе математического моделирования позволяет отследить все параметры и еще на этапе проектирования внести изменения в изделия.

Рис. 1. Блок-схема методики моделирования теплового расчета

На основе результатов температурного анализа и после внесения изменений в конструкцию блока следует просчитать, а как сказались внесенные изменения на механических свойствах блока.

Следующая блок схема механического воздействия при заданных температурных параметрах и требований ТЗ.



Рис. 2. Блок-схема методики моделирования механического воздействия

И самый важный параметр в работе радиоэлектронной аппаратуры - это надежность РЭА, которую можно так же просчитать на этапе проектирования, благодаря программному комплексу Асоника-К



Рис. 3. Блок-схема методики расчета и оценки надежности изделия

Исходя из полученных графиков, можно составить весь цикл моделирования изделия по заданным параметрам в среде автоматического моделирования.



Рис. 4. Блок-схема методики расчетов при моделировании изделия согласно ТЗ.



Глава 2. Моделирование тепловых процессов блока ВОК

2.1 Анализ и расчет тепловых характеристик

При проектировании изделий особое внимание уделяется выбору способа охлаждения, что необходимо для бесперебойной работы аппаратуры. Выбор и расчет способа охлаждения производится по стандарту РД 107.4600084.092-89 «Системы обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных средств. Метод выбора вида охлаждения».

Исходные данные:

мощность, рассеваемая блоком - Q = 60 Вт;

допустимая температура ЭРЭ - t_доп = 115⁰;

диапазон изменения температуры окружающей среды:

t_o.c.min=-40⁰C, t_o.c.max= 80⁰C.

Расчетная поверхность нагретой зоны

F = S_рад+S_доп+S₁+S₂ ^,

где: S_рад - расчетная площадь радиаторной части корпуса;

S_доп - расчетная площадь поверхностей участвующих в тепловом процессе;

S₁ и S₂ - расчетные площади радиаторных площадок под ПЛИС и ЦСП.

Расчет.

Определяем расчетную площадь поверхности нагретой зоны.

F=304360мм²+94721мм²+2880мм²+1541мм²=403502мм²

F = 0,404

Определяем величину удельной мощности нагретой зоны:

.

Определяем минимальную величину допустимого перегрева нагретой зоны:

Дt = t_доп - t_o.c.max= 115⁰-80⁰= 35⁰С.

При найденных значениях q и Дt производим выбор способа охлаждения по соответствующей зоне на графике 1 (по РД 107.4600084.092-89 черт.7), в которой находится точка с координатами q и Дt. Точка соответствующая вычисленным значениям lg_q= 2,17 и Дt = 35⁰С, находится в зоне естественного воздушного охлаждения. [2]

При выборе естественного воздушного охлаждения требуется тщательная проработка и моделирование тепловых режимов на отдельных элементах модулей. В современных программах при моделировании и расчетах используется метод конечных элементов, который занимает промежуточное значение между расчетными и экспериментальными данными. С помощью программ можно спроектировать и анализировать тепловые процессы внутри блоков и систем, и при этом не требуется изготовление макетов и проведения исследований с применением дорогостоящего метрологического оборудования и измерительных систем. [1]

2.2 Классификация систем охлаждения

Экспоненциальное, по Муру, увеличение производительности современной электроники накладывает строгие ограничения на требования к максимально допустимому размеру элементной базы. Другими словами, на одинаково малой площади со временем становится размещено в среднем все большее число энергопотребляющих модулей, что приводит к росту тепловых потерь, интенсивному нагреву элементов и модулей, а также, в виду пропорционального увеличения сложности и разнообразия изделий, к ужесточению требований к надежности электронной аппаратуры. В связи с этим все чаще поднимается вопрос об интенсивном охлаждении электронных компонент и добротности систем теплоотвода, использующихся для рассеяния излишков тепловой энергии выделяющейся в процессе эксплуатации.

Различают пассивные и активные системы охлаждения.

Пассивные системы работают на основе отвода тепла путем теплообмена с окружающей средой. При этом используются такие явления, как конвекция, теплопроводность и излучение. В активных же системах используется принудительный теплоотвод с помощью различного рода хладагентов и устройств, воссоздающих либо усиливающих вышеупомянутые явления (чаще всего подразумеваются термоэлементы, вентиляторы и холодильники с жидкостными либо твердотельными хладагентами).

Говоря о пассивном теплоотводе, мы, как правило, подразумеваем теплоотвод с помощью радиатора, говна и палок, крепящегося на корпус ЭРИ. Входящий тепловой поток, в силу высокой теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, рассеивается в окружающую среду в виде излучения. Благодаря естественной конвекции эффективность охлаждения зависит и от геометрических параметров системы. Она пропорциональна площади рассеивающей поверхности.

Сообразно форме рассеивающих элементов радиаторы подразделяют на следующие виды: пластинчатые, ребристые и игольчатые. Для максимально эффективного использования конвекции в окружающей среде лучше всего подходят игольчатые, т.к. эффективная площадь теплоотдачи при такой конфигурации наиболее велика, но они сложны в изготовлении и не обладают ребрами жесткости, что может привести к непредсказуемым деформациям и потере функциональности при приложении нагрузок - у частей такого изделия слишком велико число потенциальных степеней свободы.

Несмотря на такие недостатки, как значительно меньшая по сравнению с активными системами эффективность охлаждения при аналогичных или даже больших размерах, данный метод выигрывает за счет меньшей механической сложности - отсутствуют движущиеся части, как и потребители электрической энергии.

Более эффективна в плане достижения желаемого результата принудительная конвекция за счет продува воздушных масс сквозь радиатор при помощи вентилятора. Такие системы дешевы и просты в монтаже и обслуживании, однако более шумны и не столь надежны из-за наличия подвижных элементов конструкции.

Учитывая, что жидкости проводят тепло на порядки лучше, чем газы, рассмотрим работу жидкостного охлаждения, эффективность которого зависит не только от геометрии и материала радиатора, но и от физико-химических свойств жидкости, прокачиваемой через контактную поверхность, количества каналов в системе и латеральности потока. На поверхности ЭРИ крепится резервуар, через контактную площадь которого идет отбор тепла, уносимого циркулирующей в системе жидкостью. Далее по системе шлангов нагретая жидкость с помощью насоса перекачивается в наружный герметичный радиатор, обдуваемый наружным вентилятором.

Разновидностью жидкостного охлаждения является использование тепловых трубок. Метод основан на том, что один конец тонкостенной трубки из теплопроводящего материала подсоединяется к источнику тепла, а второй к радиатору, за счет чего происходит эффективная передача тепловой энергии и ее рассеяние в окружающую среду. К плюсам таких систем можно причислить отсутствие подвижных частей в системе, к минусам - малую длину и сложность процесса изготовления трубок, отвечающих требуемым допускам.

Особое место в ряду систем охлаждения занимают термоэлементы, или термоохладители, работающие благодаря эффекту Пельтье [3]. В зависимости от знака градиента разности потенциалов, при протекании тока в контакте двух разнородных проводников, тепло либо выделяется, либо поглощается. Ресурс работы таких систем - сотни тысяч часов. Плюсы: малые габариты, надежность, бесшумность и короткое время смены состояний, широкий диапазон генерируемых температур. Минусы: низкая энергоэффективность и потенциально негативное влияние на экологию (типичная рабочая сила тока - до десятков ампер, зачастую в изготовлении используются щелочные металлы, обладающие высокой токсической активностью). [4,5]



Рис. 7. Виды систем охлаждения

Особенности и область применения систем охлаждения представлены в таблице №1.



Таблица 1

Особенности систем охлаждения

Т.к. к прибору предъявлены жесткие требования по надежности, перегрузкам в момент старта и габаритам, то выбираем естественную конвекцию с помощью радиатора.

2.3 Постановка задачи теплового расчета блока ВОК

Приступая к проектированию и моделированию, зададимся параметрами и введем упрощения.

Так все ЭРИ мы представим в виде прямоугольных однородных медных пластин, имеющих длину L, ширину b и высоту h, максимальную температуру t окружающей среды, теплопроводность.

Так же исключим при расчете все разъемы из модели, чтобы исключить интерференцию тел.

Необходимо найти коэффициенты теплопроводности л_ху = л_х = л_у для задания ортотропности материала плат, которые представлены в виде прямоугольных пластин с заданными параметрами, количеством слоев и толщиной.

Зададимся граничными условиями - время, температура в начале движения и в конце

Таким образом, можно приступать непосредственно к проектированию корпуса блока и моделированию тепловых процессов в блоке ВОК.

2.4 Подготовка исходных данных для теплового моделирования и выбор программы автоматизированного проектирования

При проектировании корпуса блока был произведен анализ теплофизических и механических свойств металлов и сплавов, а так же ценовой аспект при производстве модели, трудозатраты и возможность снижения отходов производства. Оптимальными показателями обладают алюминиевые сплавы, которые занимают второе место по теплоотводу и достаточно дешевые в закупке, а так же хорошо обрабатываются на станках с ЧПУ и автоматах.

Для обеспечения дополнительного теплоотвода крышка блока спроектирована в виде ребристого радиатора, что препятствует деформации корпуса при динамических и ударных нагрузках. Для защиты от вибраций, платы фиксируются на основание при помощи пяти винтов. К каждой плате подведено независимое питание для сохранения работоспособности каждого модуля в отдельности.

Высокие требования в ТЗ к блоку, сложные условия эксплуатации требуют тщательной проработки конструкции блока с последующим моделированием тепловых режимов для выбора оптимальных параметров компоновки ЭРИ на платах и конструкции корпуса блока.

Для подтверждения возможности работы при отсутствии принудительного охлаждения, произведён ориентировочный расчёт теплового режима ВОК к концу 10-й минуты работы. При этом предполагалось, что температура окружающей среды в начальный момент времени равна плюс 25 °С. Далее температура окружающей среды начинает возрастать по линейному закону и через 10 минут становится равной плюс 80°С.

Расчет произведён с использованием САПР SolidWorks Simulation.

SolidWorks позволяет рассчитать в одной программе тепловые и прочностные характеристики будущего изделия с помощью метода конечных элементов или же подготовить управляющую программу для оборудования с ЧПУ, так же промоделировать тепловые потоки в различных средах. Автоматизированная система обеспечивает сквозной процесс проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения, включая создание интерактивной документации и обеспечение обмена данными с другими системами. Все это позволяет использовать данную программу для дальнейших проектирований и расчетов.[6,7]

Для проведения теплового моделирования методом конечных элементов на уровне отдельных электро-радио изделий (ЭРИ) в программе Simulation, входящей в состав пакета Solid Works, необходимо знать следующие параметры печатной платы: теплопроводность слоев л _х, л _у, л_z, конвекция и следующие параметры ЭРИ: тепловое сопротивление и мощность тепловыделения. Параметры ЭРИ берутся из справочных данных на конкретный компонент, а параметры печатной платы можно рассчитать аналитическим способом, используя описанную ниже методику. Для проведения данных расчетов требуются следующие исходные данные температура окружающей среды, количество слоев и величина заполнения слоя материалом.

Наиболее часто при производстве многослойной печатной платы (МПП) в качестве диэлектрика используют материалы на основе стеклотекстолита (например, FR4 с коэффициентом теплопроводности л=0,3 Вт/м•К), а в качестве проводника -- медь, с коэффициентом теплопроводности л_Cu=385 Вт/м•К. Причём, толщина слоя проводника, как правило, в десятки раз меньше толщины слоя диэлектрика.

Все вышеописанные факторы необходимо учитывать при разработке тепловой модели МПП.

В модели эффективной теплопроводности МПП рассматривается с точки зрения усредненных теплофизических характеристик, с учетом следующих допущений:

1. Влияние сквозных и переходных отверстий не учитывается.

2. Коэффициенты теплопроводности в плоскости МПП по осям Ох (л _х) и Оу (л _у) принимаются равными (л_х = л_у) и зависят от толщин слоёв проводника и диэлектрика, их материалов и процента заполнения медью слоёв проводника.

3. Удельная теплоёмкость и плотность модели -- усредненные по всему объему МПП.

Коэффициент теплопроводности л_ху = л_х = л_у рассчитывается из условия, что тепловой поток, распространяющийся в плоскости О_ху, равен сумме тепловых потоков, распространяющихся через каждый слой МПП, причем, при расчёте тепловых потоков через слои проводников их толщина принимается эффективной, зависящей от степени заполнения слоя медью. Вышесказанное описывается следующей зависимостью:



где ?Т - разница температур между точками МПП в направлении одной из оси Ох или Оу, удаленных на расстояние h друг от друга;

Qz - суммарный тепловой поток, проходящих между точками, удаленных на расстояние h друг от друга;

Sz- площадь сечения МПП в направлении одной из оси Ох или Оу;

лi - коэффициент теплопроводности i-ого слоя МПП;

N - суммарное количество слоёв в МПП;

Si - площадь сечения i-то слоя МПП в направлении одной из оси Ох или Оу;

а - габаритный размер МПП в направлении одной из оси Ох или Оу

дэфф - высота i-го слоя МПП.

Для частично-заполненных слоёв проводника принимается эффективная толщина дэфф которая вычисляется как:

где д_i - фактическая толщина i-го слоя МПП;

е_i - процент заполнения i-го слоя МПП. Решением уравнения является:

Коэффициент теплопроводности рассчитывается из условия, что тепловой поток, распространяющийся вдоль оси O_z через МПП, одинаков через каждый слой МПП, причем, при расчёте теплового потока через слои проводников их толщина также принимается эффективной. Вышесказанное описывается следующими зависимостями:



где ?Т - разница температур между поверхностями МПП в направлении оси O_z;

?T_i - разница температур между поверхностями i -го слоя в направлении оси O_z.

Коэффициент теплопроводности л_z определяется из уравнения:

Или

Полученные по данной методике результаты расчетов позволяют приступать непосредственно к моделированию методом конечных элементов и анализу модели в выбранной программной среде. [8,9,10]

2.4 Исходные данные по модулям блока

Информация по слоям печатной платы модуля общих вычислений представлена в таблице №2



Таблица 2

Информация по слоям печатной платы МОВ

Максимальная выделяемая мощность и допустимая температура, теплофизические и геометрические параметры ЭРИ модуля общих вычислений представлены в таблице №3



Таблица 3.

Геометрические и теплофизические свойства элементов платы МОВ.

Данные по ЭРИ модуля специальных вычислений ВС ОК приведены в таблице №4



Таблица 4. Геометрические и теплофизические свойства элементов платы МСВ.

Информация по слоям печатной платы модуля специальных вычислений представлена в таблице №5



Таблица 5.

Информация по слоям печатной платы МСВ

Рассчитаем коэффициенты л_ху и л_z для МСВ исходя из полученных значений

л_ху =48; л_z =0,38

Рассчитаем коэффициенты л_ху и л_z для МОВ исходя из полученных значений

л_ху =120; л_z =0,4

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле



Где

Т₁=298К, Т₂=353К температуры поверхностей между которыми идет теплообмен

е_пр=0,7приведенная степень черноты поверхности

Коэффициент конвективной теплопередачи

Конвективный коэффициент теплообмена определяется по формуле

Где Nu- критерий Нюссельта

л- коэффициент теплопроводности теплоносителя

l₀ - пределяющий размер

Теплофизические свойства определяются при Тср=(Т+Тс)/2

Тс=(298+353)/2=325,5К

Коэффициент эффективности ребра о характеризует температурный перепад по ребру

, где

где д - толщина ребра

Находим число Грасгофа, определяющее соотношение гравитационных и вязкостных сил

, где:

g - ускорение свободного падения, на поверхности Земли 9.8 м/сІ;

L - определяющий характерный линейный размер поверхности теплообмена, м;

t_c - температура поверхности теплообмена, °C;

t₀ - температура теплоносителя, °C;

н - коэффициент кинематической вязкости, 21.09*10^-6мІ/с;

в - температурный коэффициент объёмного расширения теплоносителя, 1/353 К^?1.

Определяем величину критерия Нуссельта, необходимую для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора:

Определяем коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора:

Вт / (м² К)

где, л- коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/(м град)) [8,9]

Исходя из полученных данных, приступаем к расчету в программной среде Solid Works.



2.6 Моделирование тепловых процессов в программной среде Solid Works

Свойства материала

Таблица 6.

Свойства материалов

Компоненты	Свойства
Корпус и крышка	Имя: АД31 ГОСТ 4784-97 Тип модели: Линейный Упругий Изотропный Теплопроводность: 200 W/(m.K) Удельная теплоемкость: 900 J/(kg.K) Массовая плотность: 2710 kg/m^3
Элементная база	Имя: Медь Тип модели: Линейный Упругий Изотропный Теплопроводность: 390 W/(m.K) Удельная теплоемкость: 390 J/(kg.K) Массовая плотность: 8900 kg/m^3
Модуль общих вычислений	Имя: СТЭФ орто Тип модели: Линейный Упругий Ортотропный Критерий прочности по умолчанию: Максимальное напряжение von Mises Теплопроводность в x: 120 W/(m.K) Теплопроводность в y: 120 W/(m.K) Теплопроводность в z: 0.4 W/(m.K) Массовая плотность: 1800 kg/m^3 Удельная теплоемкость: 1386 J/(kg.K)
Модуль спец вычислений	Имя: СТЭФ Тип модели: Линейный Упругий Ортотропный Критерий прочности по умолчанию: Максимальное напряжение von Mises Теплопроводность в x: 48 W/(m.K) Теплопроводность в y: 48 W/(m.K) Теплопроводность в z: 0.38 W/(m.K) Массовая плотность: 1800 kg/m^3 Удельная теплоемкость: 1386 J/(kg.K)

Рис. 8. Сетка конечных элементов

Информация о сетке - Подробности

Тип сетки - комбинированная

Всего узлов 94300

Всего элементов 47112



Результаты исследования

Таблица 7

Результаты моделирования

Имя	Тип	Мин	Макс
Термический1	TEMP: Температура	79.957 Celsius Узел: 1769	104.847 Celsius Узел: 87709
Рис. 9. Результат моделирование. Исследование -Термический
Имя	Тип	Мин	Макс
Термический2	TEMP: Температура	353.107 Kelvin Узел: 1769	377.997 Kelvin Узел: 87709
Рис. 10. Исследование -Термический Рис. 11. Исследование Термический (обратная сторона плат)

Таблица 8

Результаты моделирования на плате МОВ



Таблица 9

Результаты моделирования на плате МСВ

Выводы по расчету

В результате анализа эпюр и таблиц выявилось, что температура на процессоре превышает максимальное значение по каталогу почти на 25%. В связи, с чем конструкция крышки корпуса потребовала доработки для улучшения теплоотвода с наиболее нагреваемых элементов. На внутренней поверхности были фрезерованы дополнительные площади для отвода тепла (рис 12). После чего был выполнен повторный расчет.



Рис. 12. Крышка корпуса (внутренняя поверхность)

2.7 Повторный тепловой расчет блока ВОК

После анализа и доработки 3D модели производим повторный тепловой расчет с заданными параметрами

Информация о сетке - Подробности

Всего узлов	96735
Всего элементов	48822

Результаты исследования

Таблица 10

Результаты моделирования

Имя	Тип	Мин	Макс
Термический1	TEMP: Температура	80.0955 Celsius Узел: 2786	89.5301 Celsius Узел: 88061
Рис. 13. Исследование - Термический
Имя	Тип	Мин	Макс
Термический2	TEMP: Температура	353.246 Kelvin Узел: 2786	362.68 Kelvin Узел: 88061
Рис. 14. Исследование - Термический



Таблица 11

Результаты моделирования на плате МОВ



Таблица 12

Результаты моделирования на плате МСВ

Выводы по расчетам

Анализировав полученные данные, выяснилось, что данное усовершенствование конструкции привело к снижению температурного режима на критических элементах, а разница температур внутри блока составила 10 градусов.



Глава 3. Моделирование механических воздействий на блок ВОК

3.1 Механические характеристики

вычислитель оптический координатор моделирование

Вторым важным параметром при проектировании изделий бортовой радиоаппаратуры является механические свойства металлов и сплавов такие, как прочность, вязкость, упругость, пластичность.

Испытания для определения механических свойств металлов и сплавов делятся на несколько групп:

- статические такие, как растяжение, изгиб, сжатие, кручение, твердость. При таких испытаниях нагрузка возрастает плавно и медленно

- динамические. При таких испытаниях нагрузка с большой скорость возрастает. Например, ударный изгиб, падение с заданной высоты.

- циклические, например, усталостная прочность, когда нагрузка изменяется по заданному графику или зависимости.

- технологические такие, как изгиб, выдавливание и т.д. проводятся для анализа поведения материала при обработке давлением.

3.2 Влияние температуры на свойства алюминиево-магниевого сплава АМг6

Свойства сплава

Удельный вес: 2703 кг/м³

Твердость материала: HB 10 ^-1 = 65 Мпа



Таблица 13.

Химический состав алюминиево-магниевого сплава АМг6

Химический состав в % сплава АМг6
Fe	Si	Mn	Ti	Al	Cu	Be	Mg	Zn
до 0,4	до 0,4	0,5 - 0,8	0,02 - 0,1	91,1 - 93,68	до 0,1	0,0002 - 0,005	5,8 - 6,8	до 0,2

Рассмотрим влияние температуры на прочностные характеристики корпуса при воздействии на него внешних нагрузок.

Деформируемые алюминиевые сплавы широко применяются космической и авиапромышленности, а так же приборостроении. При изготовлении изделий из холоднодеформированных сплавов алюминия происходит их разупрочнения из-за кратковременных нагревах и выдержке при температуре 20⁰С.

На практике используется кратковременный нагрев до 120-175°С для ускорения разупрочнения и увеличении пластичности, обеспечивая этим стабильность свойств.

При экспериментальном анализе зависимости свойств алюминиево-магниевых сплавов от температурно-временных параметров скоростного нагрева в интервале температур от 100 до 300°С, выявилось следующее изменение твердости образцов

Рис. 15.График изменения твердости образцов из алюминиево-магниевого сплава при скоростном нагреве и выдержке при заданном температурном диапазоне.

Из рисунка 15 видно, что выдержка 60 минут при нагреве до 100°С не приводит к значительному снижению твердости сплава, однако при увеличении температуры показатели резко падают. Основное снижение значения твердости происходит первые 10-15 минут.

На рисунке 16 показано влияние температуры на прочность, на рисунке 17 на изменение текучести АМг6 с ростом температуры и выдержки в течении времени. Относительное удлинение образцов можно увидеть на рисунке 18.

Рис. 16. График зависимости прочности образцов из алюминиево-магниевого сплава при скоростном нагреве и выдержке при заданном температурном диапазоне.

Рис. 17. График изменения предела текучести образцов из алюминиево-магниевого сплава при скоростном нагреве и выдержке при заданном температурном диапазоне.



Рис. 18. График изменения относительного удлинения образцов из сплава АМг6 при скоростном нагреве и выдержке при заданном температурном диапазоне.

Анализ показывает, что температурное влияние и время нагрева существенно влияет на снижение прочности сплава АМг6. Эффект упрочнения, полученный при пластической деформации, приняли за 100% и, исходя из этого, вычисляли процентное значение разупрочнения сплава. На графиках видна зависимость свойств материала от увеличения температуры. Основное снижение и удлинение происходит в первые 10-15 минут, оставшееся время не оказывает существенного влияния на процессы, протекающие внутри кристаллической решетки.

В табл. 13 показан пердел изменения прочности при кратковременных нагревах от 100 до 300°С.

Таблица 14

Из таблицы 13 следует, что нагрев до температуры 100°С в течении часа не оказывает существенного влияния на изменение предела прочности сплава. Снижение эффекта упрочнения в пределах 12,5%.С повышением температуры снижение эффекта упрочнения существенно падает. Так при температуре 300 °С после 10-ти минутного прогрева эффект упрочнения падает до 50%.

В таблице 14 показано влияние температур на уменьшение упрочнения по пределу текучести.

Таблица 14

Показатели свойств сплавов по пределу текучести значительно хуже. Так нагрев в течение часа при температуре 200°С снижает эффект упрочнения до 50%, а нагрев при 300°С приводит почти к полному снятию эффекта упрочнения сплава. Т.к. нагрев до 300°С приводит к изменением в кристаллической решетке, что снижает прочностные характеристики и увеличивает пластичность. Нагрев до 250°С изменяет свойства сплава только в основном благодаря процессам возврата, без существенной рекристализации.

Делаем вывод, что при холодной деформации резко повышается предел текучести и снижается пластичность алюминиево-магниевых сплавов. Первые 5-15 минут происходит активное разупрочнение сплава при нагреве от 100 до 300°С. Упрочнение от деформации АМг6 сохраняется вплоть до нагрева до 300°С.

Исходя из того, что эксплуатация блока ВОК не превышает часа, и за это время температура прибора не превысит 100°С, мы делаем выводы, что процессы возврата в материале изделия, которые наиболее интенсивно развиваются первые 10 минут и растут с увеличением температуры, не скажутся на его механических свойствах и принимаем стандартное значение твердости при расчете в программной среде Solid Works.

3.3 Механический расчет блока ВОК

Свойства исследования

Единицы измерения Система единиц измерения: СИ (MKS) Длина/Перемещение mm Температура Kelvin Угловая скорость Рад/сек Давление/Напряжение N/m^2
Нагрузки и крепления Имя крепления Изображение крепления Данные крепления Зафиксированный Объекты: 5 грани Тип: Зафиксированная геометрия Результирующие силы Компоненты X Y Z Результирующая Сила реакции(N) 26.4926 3.77575 -1795.48 1795.68 Реактивный момент(N-m) 0 0 0 1e-033 Имя нагрузки Загрузить изображение Загрузить данные Давление Объекты: 42 грани Тип: Перпендикулярно выбранной грани Значение: 0.1 Единицы измерения: N/mm^2 (MPa) Температура Объекты: 1 компоненты Температура: 362 Kelvin
Результирующие силы Силы реакции Выбранный набор Единицы измерения Сумма по X Сумма по Y Сумма по Z Результирующая всей модели N 26.4926 3.77575 -1795.48 1795.68 Моменты реакции Выбранный набор Единицы измерения Сумма по X Сумма по Y Сумма по Z Результирующая всей модели N-m 0 0 0 1e-033
Результаты исследования Имя Тип Мин Макс Напряжение VON: Напряжение Von Mises 25910 N/m2 Узел: 94175 33982.5 N/ m2 Узел: 240879 Рис. 19. Напряжение Имя Тип Мин Макс Перемещение URES: Результирующее перемещение 0 mm Узел: 220377 0.242504 mm Узел: 5174 Рис. 20. Перемещение Имя Тип Мин Макс Деформация ESTRN: Эквивалентная деформация 4.80279e-007 Элемент: 52796 0.00659277 Элемент: 154 Рис. 21. Деформация Имя Тип Проверка усталости Эпюра проверки усталости Рис. 22. Проверка усталости Имя Тип Мин Макс Запас прочности Авто 0.0446062 Узел: 231852 2348.84 Узел: 242408

Анализ приведенных расчетов показал, что полученные данные вписываются в заданные в ТЗ граничные условия. Требования по уровням механических воздействий, заданные в ТЗ для ВОК не превышают аналогичные требования для изделий, разрабатываемых в конструкторском бюро ранее. Опыт проведения испытаний этих изделий и их эксплуатации показывает, что примененные в изделии ВОК конструктивные решения полностью гарантируют прочность и устойчивость конструкции блоков ВОК при механических воздействиях.

Расчет ответственных элементов конструкции, таких как узлы крепления блока и точек крепления модулей, показал, что напряжения, возникающие в них при механических воздействиях, лежат в допустимых пределах.

Пониженное и повышенное атмосферное давление, а также его быстрое изменение, не вызовут нарушения прочности элементов конструкции блока, так как блок ВОК негерметичен.

Элементы конструкции блока ВОК в основном выполнены из алюминиевых сплавов, имеющих токопроводное покрытие.



Глава 4. Определение надежности и качества элементов блока ВОК

4.1 Расчет надежности блока ВОК

Еще одним важным параметром при проектировании является надежность элементной базы. От нее зависит работа всего изделия. При эксплуатации происходят износ и необратимое старение радиоэлектронных средств. Вследствие чего, будут изменяться качество изделий.

Надежность характеризует свойство изделия сохранять свои функции и эксплуатационные показатели в течение заданного промежутка времени, при соблюдении условий эксплуатации или хранения. Основные характеристики - это сохраняемость, долговечность, ремонтопригодность и работоспособность.

Надежность относится к тем свойствам качества изделий, которое невозможно измерить. Единственный способ при проектировании, это заложить расчетные значения показателей надежности по стандартизированным методам и коэффициентам.

4.2 Требования по надежности блока ВОК

В техническом задании на блок были предъявлены требования по надежности.

Среднее время наработки на отказ не менее 10000 часов;

Среднее время восстановления не более 0.5 часов;

Коэффициент готовности не менее 0,999

Критерий отказа блока - отказ любого компонента модулей.



4.3 Расчет надежности

Расчет выполнен на программном комплексе Асоника-К, которая реализует основные принципы CALS - технологий при проектировании изделий бортовой и космической аппаратуры, позволяет графически представить результаты расчетов, что облегчает анализ данных, для повышения и эффективности оценки надежности и качества изделия.

4.3.1 Расчет интенсивности отказов и средней наработки до отказа

Безотказность блока ВОК - это его средняя наработка до отказа без восстановления в процессе работы и характеризуется совокупностей отказов двух модулей - МСВ и МОВ, которые в свою очередь характеризуются интенсивностями отказов входящих в них элементов.

4.3.1.2 Расчет эксплуатационной интенсивности отказов МОВ

Название Изделия: МСВ

Децимальный номер: МСВ

1 э : 1,99082834927884E-6

Интенсивность отказов в режиме ожидания : 3,58834589029838E-8

Рис. 23. График зависимости отказа модуля МСВ от времени



Рис. 24. График зависимости интенсивности отказов от температуры в МСВ

Таблица 16

Результат расчета модуля МСВ в Асонике-К

Наименование компонента	Дец. номер / Тип изделия	Эксплуатационная интенсивность отказов	Интенсивность отказов в режиме ожидания
DA1	LM2678	1,04e-07	2,61e-09
DA2	TPS56221	1,40e-07	3,49e-09
DA4	LTM4644	1,60e-07	4,00e-09
DA3	LTM4644	1,60e-07	4,00e-09
DA6	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DA7	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DA5	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DD5	PC28F00AP30TF	6,41e-08	7,69e-10
DD3	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD4	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD2	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD1	XC7K410T	1,81e-07	7,23e-10
DD7	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD8	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD9	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD10	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD11	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD12	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD13	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD6	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10



4.3.1.2 Компоненты МОВ

Рис. 25. График зависимости интенсивности отказов от температуры в МОВ

Таблица 17

Результат расчета модуля МОВ в Асонике-К

Наименование компонента	Дец. номер / Тип изделия	Эксплуатационная интенсивность отказов	Интенсивность отказов в режиме ожидания
DA2	CDCE62005RGZT	1,64e-07	4,10e-09
DA6	MARVELL 88E1111	1,60e-07	4,00e-09
DA1	XC3S200AN	1,60e-07	4,00e-09
DA3	SAMSUNG k4b2g1646c	1,02e-07	2,55e-09
DA4	SN65LVDS180	1,02e-07	2,55e-09
DD3	UCD7242	1,47e-07	1,77e-09
DD2	LTM4618	1,47e-07	1,77e-09
DA5	SN65LVDM176	2,09e-07	5,22e-09
DD5	TMS320C6678	1,58e-07	1,90e-09
DD1	LTM4613	1,58e-07	1,90e-09
DD4	UCD9220	8,35e-08	1,00e-09



Рис. 26. График зависимости интенсивности отказов от температуры в МОВ

4.3.1.3 Блок целиком

Название Изделия: МСВ

Децимальный номер: МСВ

1э : 3,58240430471437E-6

Интенсивность отказов в режиме ожидания: 6,66414970874487E-8

Рис. 27. График зависимости интенсивности отказов от температуры в блоке ВОК

Таблица 18

Результат расчета блока ВОК в Асонике-К

Наименование компонента	Дец. номер / Тип изделия	Эксплуатационная интенсивность отказов	Интенсивность отказов в режиме ожидания
DA1	LM2678	1,04e-07	2,61e-09
DA2	TPS56221	1,40e-07	3,49e-09
DA4	LTM4644	1,60e-07	4,00e-09
DA3	LTM4644	1,60e-07	4,00e-09
DA6	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DA7	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DA5	HI-1573	1,57e-07	3,91e-09
DD5	PC28F00AP30TF	6,41e-08	7,69e-10
DD3	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD4	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD2	1879BA1T	7,69e-08	9,22e-10
DD1	XC7K410T	1,81e-07	7,23e-10
DD7	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD8	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD9	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD10	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD11	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD12	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD13	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
DD6	MT41J128M8	6,02e-08	7,23e-10
МОВ	МОВ	1,59e-06	3,08e-08

4.3.1.4 Оценка безотказной работы блока

Определим среднюю наработку на отказ по следующей формуле

Исходя из формулы средняя наработка на отказ блока ВОК равна Т_0,АП=15015 (ч)

4.4 Выводы по расчетам

Произведенный расчет надежности выявил, что средняя наработка до отказа составит не менее, чем 15015 часов

Анализируя выше сказанное, мы выявили, что расчетные данные средней наработки на отказ, времени восстановления и коэффициента готовности удовлетворяют ТЗ на блок ВОК.

В ходе анализа расчета выяснилось, что наиболее ненадежной в изделии является блок МОВ. А в каждом модуле в отдельности стоит обратить внимание на элементы:

1. В модуле МСВ элемент DD1

2. В модуле МОВ элемент DA5

Кроме этого, стоит обратить внимание на процессоры обоих плат. Однако, мы рассмотрели самый худший из вариантов работы изделия. В реальной эксплуатации такой загруз процессоров и перепад температур не возможен, т.к рассматривался случай 100% загрузки процессоров вычислениями и обработкой данных. Но т.к. мы производили расчеты и анализ, исходя из Т.З, где был прописан наихудший случай эксплуатации, то мы обязаны обратить на это внимание разработчиков и заказчиков и принять к сведению рекомендации:

1. Изменить элементную базу на элементы с меньшим числом отказов.

2. Применить элементы с более высокими показателями качества и надежности, температурными параметрами.



Заключение и выводы по работе

Работа посвящена анализу и моделированию процессов, протекающим внутри блока ВОК. В процессе выполнения работы я рассмотрела факторы, влияющие на надежность бортовой аппаратуры. При анализе блока выбраны материалы и геометрия корпуса, которые позволяют применить в данном корпусе естественное охлаждение, что снижает массу, габариты блока, трудоемкость и финансовые затраты на исполнение прибора. В результате исследования блока выявлены тепловые перегрузки на отдельных ЭРИ, что потребовало доработку конструкции корпуса. Рассмотрено, как изменение конструкции сказалось на прочности блока и надежность аппаратуры.



Список литературы

1. Перепелица Д.В. Роткевич А.С. «Предварительный анализ и выбор способа охлаждения вычислителя оптического координатора», МИЭМ 2015

2. Стандарт РД 107.4600084.092-89 «Системы обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных средств. Метод выбора вида охлаждения».

3. Иофин А.А. «Методика ускоренной комплексной оценки тепловых режимов РЭС» Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 261-263.

4. Азаренков В.И. «Оценка погрешности расчета температурных полей РЭА» Восточно-Европейский журнал передовых технологий 2008. No4/5 ( 34 ). С. 27-29

5. Реут А. «Обеспечивающие технологии электроники: охлаждение встроенных систем» Современная электроника 2010. -No 4. -С. 14-19.

6. САПР SolidWorks., интернет - ресурс (www.solidworks.ru).

7. А. Борисов., Э. Ермаков., А. Долгополов. SolidWorks 2010: быстро, качественно, удобно., интернет - ресурс (www.solidworks.ru).

8. Роткоп Л.Л, Спокойный Ю.Е «Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры» Москва «Советское радио» 1976г 64-69с

9. Варламова Р.Г.» Справочник конструктора РЭА» Москва «Советское радио» 1980г 398-411с

10. Перепелица Д.В., Роткевич А.С. «Подготовка исходных данных для конечно-элементного моделирования тепловых процессов в вычислителе оптического координатора», Протвино 2015

11. Перриман, Э.Ч.У. Возврат механических свойств. Ползучесть и возврат. - М.: Металлургиздат, 1961. - С. 127-165.

12. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. - М.: Металлургия, 1979. - 432 с.

13. Д.А. Мирзаев, Ю.Д. Корягин, Я.С. Изучение и моделирование возврата в сплаве АМг6 с целью прогнозирования ресурса эксплуатации деталей авиакосмической техники. М: Физика металлов и металловедение. - 2004. - Т. 98, № 2. - С. 11-18.

14. Волков, Ю.А. Изменение свойств сплава АМг7 при хранении. Учебник: Металловедение и термическая обработка металлов. - 1970. - № 11. - С. 32-34.

15. С.Г. Алиева, М.Б. Альтман, С.М. Амбарцумян Промышленные алюминиевые сплавы: справ. изд. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1984. - 528 с.

16. Ю.Д. Корягин. Разупрочнение нагартованного сплава АМг6 при скоростном нагреве в интервале температур 100…300°. Вестник ЮУрГУ, № 15, 2012

17. Марущенко Д. Печатные платы с металлическим основанием М: Электроника. 2009. С.100-101.

18. Алексюнин Е. С. Системы активного охлаждения электронных компонентов на основе пьезоустройств. // Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 25. № 2. С. 21.

19.Юрков Н. К. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента. М: Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171-176.

20. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники М: Силовая электроника. 2009. № 12. С. 120-126.

21. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы М: Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534-540

22. Недужий И.А., Алабовский А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. - К.: Высшая школа, 1981.-248с.

23. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа,1980.-469 с.

24. Н.М. Беляев. Термодинамика. - К.: Высш.шк. Головное изд-во, 1987.-344с.

25. Флексеев Г.Н. Общая теплотехника: Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1980.-552 с., ил.

26. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Комплексирование физического и математического моделирования при автоматизации проектирования бортовых электронных средств. М. : Энергоатомиздат, 2011. (МОНОГРАФИЯ)

27. Увайсов С. У., Иванов И. А. Обеспечение контролепригодности радиоэлектронных средств в рамках CALS-технологий // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 1. С. 43-46.

28. Увайсов С. У., Юрков Н. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки (Российская Федерация). 2012. № 7. С. 16-22.

29. Увайсов С. У., Юрков Н. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки (Российская Федерация). 2012. № 7. С. 16-22.

30. Кофанов Ю. Н., Увайсов С. У., Сотникова С. Ю. Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств / Отв. ред.: Ю. Н. Кофанов. М.: НИУ ВШЭ, 2013..

Размещено на Allbest.ru