Содержание

• Принятые сокращения
• Введение
• 1. Особенности конструкции приемно-вычислительного блока
• 1.1 Особенности конструирования радиоэлектронной аппаратуры
• 1.2 Анализ конструктивных особенностей приемно-вычислительного блока
• 1.3 Тепловые процессы в радиоэлектронной аппаратуре
• 1.4 Процесс моделирования тепловых и механических процессов в радиоэлектронной аппаратуре
• 1.5 Постановка задачи для теплового и механического расчета приемно-вычислительного блока
• 2 Моделирование физических процессов в приемно-вычислительном блоке
• 2.1 Исходные данные для моделирования тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке
• 2.2 Исходные данных для моделирования механических процессов в приемно-вычислительном блоке
• 2.3 Моделирование тепловых процессов в подсистемах АСОНИКА-Т, - ТМ
• 2.4 Моделирование механических процессов в АСОНИКА-М-3D
• 2.5 Моделирование механических процессов в АСОНИКА-ТМ
• 2.6 Расчет показателей надежности приемно-вычислительного блока
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Одна из задач наиболее важных при производстве какого-либо изделия - это изготовление качественной продукции, которая обладает высокой степенью надежности.

Требования, связанные с надежностью, являются основополагающими при выпуске радиоэлектронной аппаратуры. Это обусловлено тем, что каждое радиоэлектронное устройство, как правило, включает в себя большое количество составных компонентов, и отказ любого из этих компонентов может привезти к отказу всей аппаратуры в целом.

Уровень и качество надежности оборудования закладываются на первоначальном этапе конструирования и планирования. Это самый важный и во многом определяющий этап жизненного цикла изделия. После этого этапа уже будет невозможно улучшить показатели надежности. Поэтому требуется уделять много внимания первоначальному этапу конструирования и проектирования изделия.

РЭА непрерывно совершенствуется, ужесточаются внешние дестабилизирующие факторы, воздействующие на аппаратуру, габаритные размеры имеют тенденцию к уменьшению. Это подталкивает к необходимости исследования тепловых и механических процессов, протекающих в РЭА. Изменение механических или тепловых воздействующих факторов приводит к изменению физико-механических или теплофизических, геометрических характеристик материалов, из которых состоит изделие, а также влияет на правильное функционирование электрорадиоизделий (ЭРИ). Таким образом тепловые и механические процессы, протекающие в аппаратуре, значительно влияют на обеспечение аппаратурой своих штатных функций.

Следовательно, для обеспечения требуемых показателей надежности РЭА, необходимо исследовать протекающие в ней тепловые и механических процессы путем компьютерного моделирования в специальных программных продуктах.

тепловой механический процесс радиоэлектронная аппаратура

1. Особенности конструкции приемно-вычислительного блока

1.1 Особенности конструирования радиоэлектронной аппаратуры

Радиоэлектронная аппаратура - это обширнейшая группа изделий, которая использует электромагнитные сигналы для осуществления приема и передачи данных. Конструктивные особенности РЭА зависят от области, в которой аппаратура используется.

Разрабатываемая РЭА должна обладать такими надежностными, конструктивными, тактико-техническими, технологическими и экономическими показателями, которые удовлетворяют поставленным требованиям, а также государственным стандартам. Заданные требования к РЭА предъявляются ко всем её составным частям - печатным платам, ЭРИ, сборкам, различным деталям конструкции и т.д. Обеспечение исполнения всех заданных требований представляет собой сложную инженерную задачу, требующую высокой квалификации.

Основными технологическими и конструктивными требованиями являются - ремонтопригодность, функционально-узловой принцип построения конструкции, как можно меньшее количество составных частей, легкий доступ ко всем элементам конструкции, обеспечение требований безопасности, а также технологичность. Технологичность аппаратуры обуславливается правильностью выбора её конструкции. Конструкция аппаратуры считается более технологичной, если после её окончательной сборки требуется наименьшее количество доводочных процедур.

Конструкция радиоэлектронной аппаратуры должна состоять из как можно большего количества стандартных деталей, сборок, и, соответственно, обладать хорошими показателями унификации и стандартизации. Конструкция должна обладать хорошими показателями надежности, а также экономическими показателями.

К хорошим экономическим показателям относятся: наименьшие трудовые, временные затраты, материальные затраты, которые связанные с процессом проектирования и, непосредственно, изготовления аппаратуры. Так же к хорошим экономическим показателям относят наименьшие эксплуатационные затраты, затраты, связанные с ремонтом и обслуживанием аппаратуры.

Основные показатели надежности:

>безотказность;

>долговечность;

>ремонтопригодность;

>сохраняемость.

Также для обеспечения требуемых показателей надежности, которые предъявляются к аппаратуре, используется принцип модульного проектирования изделий. Преимущество данного принципа заключается в хорошей взаимозаменяемости составных частей изделия. Принцип заключается в расчленении изделия на функционально законченные узлы.

При проектировании аппаратуры важно опираться на предшествующий опыт разработки, а также особенности текущих и будущих разработок. Так же при проектировании конструкции важно закладывать способность к её дальнейшей возможной модернизации.

Особенности проектируемой аппаратуры зависят от тех условий, в которых она будет эксплуатироваться. По условиям эксплуатации и параметрам места установки радиоэлектронная аппаратура подразделяется на несколько групп (см. рисунок 1).

Рис. 1. Группы применения радиоэлектронной аппаратуры.

Основные климатические факторы, которые действуют на аппаратуру:

>температура

>солнечная радиация

>влажность

>осадки, ветер, примеси

>плесневые грибки

Основные механические воздействия, действующие на аппаратуру:

>Вибрации

>Удары

>Линейное ускорение

>Акустический шум

1.2 Анализ конструктивных особенностей приемно-вычислительного блока

Для аппаратуры бортовой навигации характерны повышенные требования к показателям надежности; требования к устойчивости, стойкости, а также прочности при воздействии внешних факторов. Важнейшими факторами, которые оказывают влияние на показатели надежности, являются механические и тепловые воздействия. Вот почему для обеспечения необходимых показателей надежности требуется оценка механических и тепловых характеристик аппаратуры. Решение данной задачи предполагает проведение анализа конструктивных особенностей аппаратуры, чтобы подготовить необходимые исходные данные и в конечном счете провести компьютерное моделирование на воздействие тепловых и механических внешних факторов.

Проектируемый приемно-вычислительный блок должен соответствовать требованиям по стойкости, прочности, устойчивости к внешним механическим, климатическим и другим факторам согласно ГОСТ В 20.39.304 группы исполнения №4.

Максимальные значения массы и габаритных размеров приемно-вычислительного блока указаны в техническом задании на блок.

Все материалы, составляющие приемно-вычислительный блок, в процессе своей эксплуатации не выделяют токсичных веществ. Все материалы, а также гальванические и лакокрасочные покрытия составных частей блока были выбраны согласно техническому заданию. За материал корпуса блока был выбран сплав алюминия АД1Нс токопроводящим гальваническим покрытием Хим. Окс. э. Данный сплав имеет хорошие показатели электро- и теплопроводности, а также обладает оптимальными прочностными и массовыми показателями.

В основание приемно-вычислительного блока сделаны специальные вырезы, которые обеспечивают дополнительную фиксацию кожуха блока для дополнительной жесткости конструкции.

Для обеспечения дополнительной жесткости блока его лицевая панель выполнена с отгибкой и соединена с основанием с помощью неразъемного заклепочного соединения. Помимо этого наличие отгибки обеспечивает лучший электрический контакт между основанием и лицевой панелью блока.

Внутренняя часть приемно-вычислительного блока состоит из четырех функционально-законченных печатных узлов, которые располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (два вертикально и два горизонтально). В качестве материала печатных плат выбран фольгированный стеклотекстолитFR4 с толщинами от 1,5 до 2 мм. Все входящие печатные узлы закрепляются в четырёх точках с помощью специальных кронштейнов, изготовленных из стали. Для обеспечения дополнительной жесткости внутренних частей приемно-вычислительного блока все печатные узлы соединены между собой специальными межплатными жесткими разъемами.

На первоначальном этапе проектирования был посчитан тепловой режим блока с использованием стандарта РД 107.460084.092-89 "Системы обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры" и в качестве способа охлаждения выбрано естественное воздушное. На предварительном этапе принудительного охлаждения в блоке не требуется.

Таким образом, в приемно-вычислительном блоке реализованы следующие виды передачи тепла:

>кондукция между установочной поверхностью и основанием приемно-вычислительного блока, а также внутри блока между элементами крепления;

>излучение;

>конвекция и внутри, и снаружи в виду того, что приемно-вычислительный блок негерметичный.

В результате проведенного исследования тепловых и механических процессов, протекающих в приемно-вычислительном блоке, будет решаться вопрос, связанный с усовершенствованием проектируемой конструкции.

Внешний вид приемно-вычислительного блока представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Конструкция приемно-вычислительного блока.

1.3 Тепловые процессы в радиоэлектронной аппаратуре

Показатели надежности радиоэлектронных устройств значительно зависят от того на сколько правильно соблюдены тепловые режимы на электрорадиоизделиях.

Под тепловым режимом электрорадиоизделий понимается отношение полученной рабочей температуры к максимально допустимому значению температуры, прописанном в технических условиях на это ЭРИ.

Общеизвестно, что подавляющая часть всей потребляемой радиоэлектронной аппаратурой мощности выделяется в качестве тепловой энергии, за счет чего происходит перегревание чувствительных элементов конструкции.

Существует три основных способа рассеивания тепловой энергии, выделяемой в радиоэлектронной аппаратуре. Это теплопроводность (кондукция), конвективная передача и излучение. Однако, скажем, для аппаратуры космической тематики таких способа используется только два, так как конвективная теплопередача в условиях космического пространства отсутствует. Передача тепла осуществляется от кристалла электрорадиоэлемента на печатные платы и далее на внутренние узлы конструкции и, непосредственно, на корпус аппаратуры.

Конвективная передача - это вид теплопередачи, который протекает в среде жидкостей или газов и который связан с перемешиванием объемов этих веществ.

Конвективная теплопередача может быть естественной или вынужденной. В аппаратуре, обладающей лишь естественной конвекцией, нет устройств, ускоряющих протекание потоков воздуха, и поэтому тепло передается в окружающее пространство, непосредственно, через корпус аппаратуры. Однако, не всегда естественной конвекции достаточно для отведения скапливающейся тепловой энергии внутри аппаратуры. И в этом случае необходимо добавлять к аппаратуре различные механизмы, ускоряющие протекание воздуха через устройство, используя, таким образом, вынужденную конвекцию. Коэффициент конвективной передачи тепла в этом случае увеличивается на порядок. Однако, использование механизмов, ускоряющих протекание воздушных масс, не всегда эффективно, например, если плотности воздуха мала. В этих случаях есть возможность использовать конвективную передачу за счет жидкостей, что даже более эффективно, нежели газы.

Но есть большой минус использования механизмов, обеспечивающих вынужденную конвекцию, связанный с увеличением габаритных размеров и массы аппаратуры.

Конечно, есть возможность увеличить эффективность теплопередачи за счет конвекции с помощью увеличения поверхностей, которые омываются воздухом, но это снова влечет за собой увеличение габаритных размеров и массы, что не соответствует задачам миниатюризации. Вот почему отведение тепла с помощью конвекции в радиоэлектронной аппаратуре имеет свои ограничения.

Отведение тепла за счет лучистой энергии тел представляет собой электромагнитные волны, возникающие в веществах при накоплении ими внутренней тепловой энергии. Распространение электромагнитных волн веществом происходит одинаково во всех направлениях окружающего пространства.

Таким образом, главные особенности протекания тепловых процессов в радиоэлектронной аппаратуре являются:

>в радиоэлектронной аппаратуре имеется большая удельная мощность выделения из-за стремления к миниатюризации;

>также в связи с плотной внутренней компоновкой и незначительных внутренних объемах воздуха важнейшим способом теплопередачи в радиоэлектронной аппаратуре является кондуктивная теплопередача, а не излучение или конвекция;

> самыми чувствительными к тепловым перегрузкам элементами конструкции радиоэлектронной аппаратуры являются бескорпусные электрорадиоизделия;

>теплопередача в радиоэлектронной аппаратуре осуществляется, главным образом, за счет теплопроводности металлических конструктивных частей, выполненных, как правило, из алюминиевых и медных сплавов, потому что они имеют наилучшие коэффициенты теплопроводности в отличие от других материалов (см. таблицу 1); поэтому источники выделения тепла, главным образом, располагают в непосредственной близости с корпусом блока или какими-либо другими металлическими элементами конструкции;

Таблица № 1. Коэффициенты теплопроводности различный материалов

¦ источники, выделяющие большую мощность, стараются расположить вдали от других соседних элементов, чтобы не допустить их перегрева, а также располагать такие источники в непосредственной близости с местами отвода тепла;

¦ для увеличения совокупной поверхности отдачи тепла некоторые конструктивные узлы расчленяют на части;

¦ при наличии обдува воздухом снаружи корпуса весьма эффективно использование наружных ребер, которые должны быть расположены по направлению движения потоков воздуха.

1.4 Процесс моделирования тепловых и механических процессов в радиоэлектронной аппаратуре

Программным комплексом для проведения компьютерного моделирования приемно-вычислительного блока выбран комплекс АСОНИКА "Автоматизированная Система Обеспечения Надежности Качества Аппаратуры". АСОНИКА - это специализированный программный продукт, созданный для компьютерного моделирования физических процессов, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, с учетом влияния внешних воздействий.

АСОНИКА имеет сертификат качества, выданный Министерством обороны РФ.

Важный плюс программы АСОНИКА заключается в том, что в неё загружены базы данных, которые содержат электрорадиоизделия и материалы соответствующие отечественным стандартам.

Три серьёзные проблемы, которые стоят перед конструкторами и разработчиками радиоэлектронной аппаратуры, и которые решаются с использованием программного комплекса АСОНИКА:

отказы аппаратуры на начальных этапах проектирования;

ограниченные сроки для проведения проектирования, а также ограниченные денежные ресурсы;

отсутствие электронного документооборота и сквозного проектирования.

Непосредственно, сам процесс компьютерного моделирования приемно-вычислительного блока в программном комплексе АСОНИКА происходит согласно методике "сверху - вниз" в две стадии. Вот почему потребуется подготовка исходных данных для двух стадий компьютерного моделирования (см. рисунок 2, рисунок 3):

для первого этапа необходимы исходные данные, чтобы получить значения средних температур всех конструктивных элементов, а также температуры воздуха, окружающего печатные узлы и получить значения механических характеристик в узлах креплений печатных узлов;

для второго этапа необходимы исходные данные, чтобы получить уже значения температур и параметров механических воздействий в отдельности на каждом электрорадиоизделии.

Для проведения компьютерного моделирования на механические воздействия требуется получить следующие исходные данные: справочные значения физико-механических параметров всех составных элементов конструкции, таких как плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и т.д. Так главным материалом, из которого изготавливается корпус блока, является сплав алюминиевый АД1. Он обладает следующими характеристиками: плотность равна 2710 кг/мі, модуль упругости равен 69 ГПа, коэффициент Пуассона равен 0,33.

Далее потребуется импортировать 3D-модель конструкции приемно-вычислительного блока в программу для расчета, т.к. требуется знать размеры самого блока, размеры печатных плат, всех электрорадиоизделий, а также указать граничные условия закрепления блока.

И, последнее, для проведения моделирования необходимо задать сами механические воздействия. Из технического задания берутся следующие характеристики механических воздействий:

>диапазон механического воздействия: временной интервал и шаг в секундах для удара многократного и однократного, а также для линейного ускорения; диапазон частот и шаг в герцах для вибраций (гармонических и случайных) и акустического шума;

>амплитуда механического воздействия: ускорение в [g] для линейных ускорений, гармонических вибраций, ударов многократных и однократных; спектральная плотность в [g²/Гц] для случайных вибраций; давление в [Дб] для акустических шумов;

>график зависимости амплитуды механического воздействия от времени.

Для проведения первого этапа моделирования тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке необходимо задать:

>значения теплофизических показателей материалов таких, как коэффициент теплопроводности, теплоемкость;

>начальную температуру и остальные характеристики окружающего пространства;

>форму и размеры всего приемно-вычислительного блока и всех составляющих его печатных узлов;

>суммарные значения мощностей тепловыделения на каждом печатном узле;

>поверхности, отводящие тепло за счет кондукции.

Для проведения второго этапа компьютерного моделирования, на котором исследуется в отдельности каждый печатный узел, необходимо задать:

>средние значения температур всех конструктивных элементов и температуры воздуха вокруг печатных узлов, полученные на первом этапе компьютерного моделирования;

>справочные значения теплофизических параметров материалов корпусов всех электрорадиоизделий, включая коэффициент теплопроводности, теплоёмкость, тепловое сопротивление между печатной платой и кристаллом электрорадиоизделия;

>задать геометрические размеры и положение на печатной плате всех электрорадиоизделий, принимающих участие в расчете;

>мощности рассеивания на всех электрорадиоизделиях, участвующих в расчете;

>поверхности с отводом тепла посредством кондукции.

Из-за незначительного влияния на общую картину протекания тепловых процессов на печатных узлах допускается пренебрегать такими электрорадиоэлементами, которые имеют малые значения мощностей рассеивания по сравнению с большинством остальных. Как правило, согласно общим критериям отбора таких электрорадиоэлементов, не учитываются тепловыделения конденсаторов, индуктивностей и резисторов.

Пристальное внимание отводится моделям многослойных печатных плат (МПП). При моделировании МПП принимается несколько упрощений:

>принимаем, что МПП обладает свойствами ортотропности, другими словами коэффициент теплопроводности в направлении, перпендикулярном МПП (л_Z), отличается от значений коэффициентов теплопроводности в плоскости многослойной печатной платы (л_XY =л_X =л_Y);

>вся МПП обладает усредненной плотностью и удельной теплоемкостью;

>не учитываем переходные и сквозные отверстия;

Слои МПП состоят из диэлектриков и проводников. Как правило, в качестве диэлектрика применяется стеклотекстолит марки FR4 с коэффициентом теплопроводности равном 0,3 Вт/м·К, а в качестве проводника применяется медь с коэффициентом теплопроводности равном 385 Вт/м·К.

Значения коэффициентов теплопроводности в различных плоскостях многослойной печатной платы зависят от нескольких показателей: количество слоев в МПП (N); процент заполнения слоёв проводников и слоев диэлектрика (е); толщина отдельных слоёв с проводниками и с диэлектриками (д), а также материалов слоев.

Для расчета коэффициентов теплопроводности МПП используются следующие формулы:

Рис. 3. Данные для 1 этапа компьютерного моделирования.