Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

161

В случае, если неравенство (10.15) и (10.16) не имеют смысла, то линей-

ная СА не способна обеспечить требуемую защиту.

2 этап.

На втором этапе, по аналогии с СА от вибраций, проектируется СА для

защиты от удара в зависимости от габаритов РЭА и имеющихся зазоров меж-

ду РЭА и смежными конструкциями носителя, и с учетом направления дейст-

вия механических нагрузок выбираются схемы монтажа амортизаторов, под

которыми понимаются схемы присоединения к блоку[16, 19, 21].

3 этап.

На третьем этапе проектирования СА, по аналогии с СА от вибраций,

проводится выбор типа амортизаторов, при этом, в первую очередь учитыва-

ются параметры окружающей среды, такие, как интервал рабочих темпера-

тур, максимальная относительная влажность, атмосферное давление, радиа-

ция и т.д.

Для амортизации ударов используются, как правило, высокочастотные

амортизаторы и реже среднечастотные.

4 этап.

На этом этапе проектирования, по аналогии с СА от вибраций, проводит-

ся статистический расчет СА цель которого заключается в определении ста-

тических (весовых) нагрузок на каждый амортизатор и выбор типоразмера

амортизаторов в соответствии с найденными нагрузками и рассчитанной ра-

нее в суммарной жесткостью с СА.

Статический расчет проводят на основе условий рационального монтажа

амортизаторов, по аналогии с проектированием СА от вибраций.

Итак, с помощью условий рационального монтажа определяются стати-

ческие (весовые) нагрузки P

i

на каждый амортизатор и координаты x

i

,y

i

,z

i

точек присоединения амортизаторов к блоку.

Далее, зная P

i

, из таблиц для выбранного типа амортизаторов выбирают

типоразмер, сравнивая P

i

, с номинальной нагрузкой P

ном

на амортизатор из

условия,

номi

PP

≤

. (10.17)

Из таблиц также выписывают коэффициенты жесткости с

i

для выбран-

ных типоразмеров амортизаторов и находят суммарную жесткость с

∑

СА. Для

схем нижнего монтажа жесткость СА находят так:

162

∑

=

∑

=

n

i

cc

1

. (10.18)

Далее определяют собственную частоту СА

m

c

о

∑

=

ω

, (10.19)

и проверяют, удовлетворяют ли найденные значения с

Σ

и

ω

о

вычисленным

ранее значениям из (10.15) и (10.16) гарантирующим требуемую защиту РЭА.

Если найденные значения с

Σ

и

ω

о

удовлетворяют условиям (10.15) и

(10.16), то типоразмер амортизаторов выбран верно и проектирование СА за-

кончено.

Если же условия (10.15) и (10.16) не выполняются, то необходимо изме-

нить типоразмер, количество, тип, а то и схему монтажа амортизаторов и

вновь провести статический расчет СА до тех пор пока неравенства (10.15) и

(10.16) не будут выполняться.

В конце статического расчета находят статические прогибы каждого из

амортизаторов:

i

с

P

=

δ

, (10.20)

и если они получаются не равными, то находятся толщины шайб, которые не-

обходимо будет подложить под соответствующие амортизаторы для вырав-

нивания блока.

5 этап.

Проектирование СА заканчивается проверочным расчетом и оценкой

эффективности СА. Проверочный расчет заключается в вычислении ампли-

туды виброускорения W

a

и амплитуды колебаний X

max

амортизированного

блока и сравнении их с допустимыми, см. условие (10.14). Указанные вели-

чины находятся из выражений (10.10; 10.11).

Для суждения об эффективности СА наряду с коэффициентом динамич-

ности по силе

µ

с

также используются:

- коэффициент виброизоляции,

c

µ

γ

1

=

, (10.21)

- эффективность СА,

163

%100)1(

⋅

=

c

Э

µ

. (10.22)

Блок-схема описанной методики проектирования СА показана на рис.

10.4.

Вычисление С и ω

ωω

ω

o

, обеспечи-

вающих выполнение условий W

доп

; Х

доп

; Р; W

max

;

τ

ττ

τ

.

W

a

≤

≤≤

≤

W

доп

и Х

max

≤

≤≤

≤

Х

доп

Выбор схемы монтажа Габариты РЭА и на-

амортизаторов правление вибраций

Условия амортизиру-

Выбор типа амортизатора ющей среды, габари-

ты, вес.

Статистический расчет СА.

Определение количества коор- Условия рациональ-

динат точек присоединения к ного монтажа, габа-

блоку и типоразмеров аморти- риты, вес.

заторов. Вычисление с

∑

∑∑

∑

,

ω

ωω

ω

o

и

δ

δδ

δ

i

Проверка условий

2

max

)

2

arcsin

2

(

W

mс

Х

mW

доп

τ

≤≤

∑

Проверочный расчет и провер-

ка эффективности СА

Рис. 10.4

10.3. Задания к выполнению самостоятельной работы.

Принятые обозначения:

Р – вес блока РЭА;

Н – высота амортизаторов;

Р

i

- вес амортизаторов;

… ≤

≤≤

≤ t

o

≤

≤≤

≤ …– диапазон рабочих температур;

Контрольное задание №1.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

164

Исходные данные:

1) Р = 5 кг; 2)Н < 45 мм; 3)P

а

< 0,1 P; 4)–20

о

≤ t

o

С ≤ +30

о

С.

Вариант 1.1 W

доп

= 4g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 6g; t = 5 мс.

Вариант 1.2 W

доп

= 4g; X

доп

= 10 мм; W

max

= 6g; t = 7 мс.

Вариант 1.3 W

доп

= 4g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 8g; t = 2,5 мс.

Вариант 1.4 W

доп

= 4g; X

доп

= 3 мм; W

max

= 6g; t = 3 мс.

Z

25см

30см 10см

С Y Y

15см С 10см

70см 30см

X X

Блок РЭА.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

Контрольное задание №2.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Z

25см

40см 20см

Y Y

С 20см С 10см

70см 30см

X X

Блок РЭА.

Исходные данные:

1) Р = 8 кг; 2) Н < 60 мм; 3) P

а

< 0,15 P; 4) –50

о

≤ t

o

С ≤ +60

о

С.

165

Вариант 2.1 W

доп

= 2g; X

доп

= 2 мм; W

max

= 4g; t = 3 мс.

Вариант 2.2 W

доп

= 2g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 6g; t = 3 мс.

Вариант 2.3 W

доп

= 2g; X

доп

= 2 мм; W

max

= 6g; t = 3 мс.

Вариант 2.4 W

доп

= 2g; X

доп

= 7 мм; W

max

= 4g; t = 5 мс.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

Контрольное задание №3.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Z

40см

20см

10см

Y Y

С 40см 30см С

80см 40см

X X

Блок РЭА.

Исходные данные:

1) Р = 6 кг; 2) Н < 45 мм; 3) P

а

< 0,1 P; 4) –20

о

≤ t

o

С ≤ +30

о

С.

Вариант 3.1 W

доп

= 3g; X

доп

= 3,5 мм; W

max

= 6g; t = 4 мс.

Вариант 3.2 W

доп

= 2g; X

доп

= 3 мм; W

max

= 6g; t = 4 мс.

Вариант 3.3 W

доп

= 3g; X

доп

= 3,5 мм; W

max

= 5g; t = 3 мс.

Вариант 3.4 W

доп

= 3g; X

доп

= 7 мм; W

max

= 6g; t = 5 мс.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

Контрольное задание №4.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Z X

10см

Y

С Y С

75см 40см 35см

Х

Блок РЭА.

Исходные данные:

1) Р = 4 кг; 2) Н < 40 мм; 3) P

а

< 0,1 P; 4) –20

о

≤ t

o

С ≤ +30

о

С.

166

Вариант 4.1 W

доп

= 2,5g; X

доп

= 4 мм; W

max

= 3,5g; t = 5 мс.

Вариант 4.2 W

доп

= 2,5g; X

доп

= 2 мм; W

max

= 3,5g; t = 4 мс.

Вариант 4.3 W

доп

= 2,5g; X

доп

= 7 мм; W

max

= 3,5g; t = 7 мс.

Вариант 4.4 W

доп

= 2,5g; X

доп

= 4 мм; W

max

= 5g; t = 3 мс.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

Контрольное задание №5.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Z

20см

С Y С Y

50см 30см 30см

Х Х

Блок РЭА.

Исходные данные:

1) Р = 5 кг; 2) Н < 60 мм; 3) P

а

< 0,15 P; 4) –60

о

≤ t

o

С ≤ +60

о

С.

Вариант 5.1 W

доп

= 4g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 10g; t = 3 мс.

Вариант 5.2 W

доп

= 4g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 8g; t = 4 мс.

Вариант 5.3 W

доп

= 3g; X

доп

= 5 мм; W

max

= 5g; t = 5 мс .

Вариант 5.4 W

доп

= 4g; X

доп

= 7 мм; W

max

= 7g; t = 3,5 мс.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

Контрольное задание №6.

Рассчитать СА по схеме нижнего монтажа.

Z 25см

65см

15см С

Y

40см 10см

С Y 50см

Х Х

Блок РЭА.

167

Исходные данные:

1) Р = 3 кг; 2)Н < 40 мм; 3)P

а

< 0,1 P; 4)–30

о

≤ t

o

С ≤ +30

о

С.

Вариант 6.1 W

доп

= 6g; X

доп

= 6 мм; W

max

= 12g; t = 3,5 мс.

Вариант 6.2 W

доп

= 4g; X

доп

= 6 мм; W

max

= 12g; t = 3,5 мс.

Вариант 6.3 W

доп

= 5g; X

доп

= 6 мм; W

max

= 10g; t = 3,5 мс.

Вариант 6.4 W

доп

= 7,5g; X

доп

= 7,5 мм; W

max

= 12g; t = 3,5 мс.

Примечание: расстояние от амортизаторов до боковых граней не должно

быть более 5 см.

11. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА

С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

В силу своих преимуществ (простота, дешевизна, малые габариты и ве-

са) на подвижных объектах (ракетах, самолетах и т.д.) наибольшее примене-

ние нашла защита РЭА в ИВК с естественным охлаждением. Рассмотрим

общий случай на примере отдельного блока. Поверхность внутри блока за

счет тепловыделения ЭРЭ при работе (подаваемая электрическая мощность

Q) нагревается и образует, так на-

Q

с

корпус зываемую, нагретую зону. В зави-

симости от конструктивного испол-

Q

з

ЭРЭ нения плат с ЭРЭ и корпуса расчет

Теплового режима блока необходи-

плата мо проводить по одному из ниже

указанных методов. Тепло от нагре-

той зоны передается стенкам кор-

пуса блока и от стенок в среду.

∅ Q ∅ Процесс теплопередачи блока ИВК

Рис. 11.1 может быть представлен следующей

структурной схемой.

Т

э

Т

з

Т

к

Т

с

Q Термоактив. Q

э

Нагретая Q

з

Стенки Q

с

Окруж.

ЭРЭ зона корпуса среда

Рис. 11.2

Q

э

– мощность тепловыделения ЭРЭ;

Q

з

– мощность тепловыделения нагретой зоны блока;

Q

c

– мощность тепловыделения корпуса блока в среду;

Т

э

– температура на поверхности ЭРЭ;

168

Т

з

– температура поверхности нагретой зоны блока;

Т

к

– температура наружной поверхности стенок корпуса;

Т

с

– температура окружающей среды.

Передача мощности тепловыделения ЭРЭ в нагретую зону может осуще-

ствляется в зависимости от конструктивного исполнения плат двумя меха-

низмами: излучением и конвекцией. Передача мощности тепловыделения на-

гретой зоны внутренней поверхности корпуса также может осуществляться

вышеуказанными механизмами. Теплопередача от внутренней поверхности

стенок корпуса Q

к

к его наружной поверхности осуществляется теплопровод-

ностью (в структурной схеме не показано). Передача мощности тепловыделе-

ния наружной поверхности корпуса блока в среду всегда осуществляется пу-

тем излучения и конвекции.

В связи с тем, что до 90% и более подаваемой электрической мощности

на схему блока рассеивается в ЭРЭ в виде тепла, то мощность тепловыделе-

ния ЭРЭ можно приближенно принять мощности питания блока. А так как

стенки корпуса, как правило, выполняются из тонкого листового проката ме-

талла, то процесс их прогрева не учитывают – все происходит очень быстро и

без потерь. Поэтому, согласно закону сохранения энергии, можно утвер-

ждать, что:

Q = Q

э

= Q

з

= Q

к

= Q

с

, (11.1)

Пренебрегая механизмами преобразования Q в Q

э

и Q

з

в Q

к

в силу вы-

шеперечисленных причин, уравнение теплопередачи электронного блока

(11.1) можно представить в виде:

Q = Q

з

= Q

с

. (11.2)

Наиболее сложно поддается расчету оценка механизма преобразования

Q

э

в тепловую энергию нагретой зоны Q

з

. Так как это в большой степени за-

висит от выбранных комплектующих, их конструктивного исполнения и про-

странственного расположения на платах, а так же конструктивного исполне-

ния плат и их расположения в нагретой зоне. Для теплового расчета нагретой

зоны разработаны специальные методы [26]:

- метод эффективного тела (МЭТ) основанный на принципе супер-

позиции температурных полей;

- графоаналитический метод расчета теплового режима, основанный

на оценке термических сопротивлений в условиях свободной конвекции.

Оба метода имеют как свои области применения, так и свои преимуще-

ства и недостатки. Оба достаточно громоздки в вычислениях, при их исполь-

зовании требуется иметь полную картину по элементам конструкции блока и

тем не менее при этом вводится достаточно большое число допущений, что

значительно снижает точность расчета.

169

На начальных стадиях проектирования зачастую отсутствуют все необ-

ходимые данные для расчета по этим методам. Поэтому чаще всего при ре-

шении подобных задач вводятся ряд допущений:

- температурное поле считается симметричным относительно верти-

кальной оси;

- мощность источников тепловой энергии на платах распределена

одинаково и равномерно.

Однако даже при этих допущениях, чтобы использовать МЭТ необходи-

мо полностью знать компоновку всех элементов на платах для определения

концентраций элементов и воздушных зазоров в нагретой зоне. С этой точки

зрения более обобщенным является графоаналитический метод расчета. По-

этому при предварительных расчетах теплового режима последний получил

большее распространение.

В практических расчетах чаще всего встречается два случая конструк-

тивного исполнения электронных блоков: с герметичным исполнением кор-

пуса и с перфорированным корпусом. При этом методы расчета для обоих ва-

риантов различны.

11.1. Расчет теплового режима блока ЭРЭ в герметичном

корпусе.

Рассмотрим случай размещения плат в герметичном корпусе, когда пла-

ты установлены либо в горизонтальном положении, либо в вертикальном, а

расстояние между ними b < 3 мм. В этом случае сквозная вентиляция отсут-

ствует и задача сводится к отысканию средней температуры поверхности

корпуса, температуры поверхности нагретой зоны и температуры в центре

нагретой зоны.

Исходными данными для расчета являются:

- размеры корпуса а

к

×

b

к

×

h

к

(длина × ширина × высота);

- размеры нагретой зоны (размеры блока плат) a

з

×

b

з

×

h

з

при этом

h

з

>

a

з

>

b

з

;

- установка плат производится по ширине зоны, то есть воздушные

зазоры между плат располагаются по ширине b

з

;

- либо полная мощность потребляемая прибором Ф, либо перечень

ЭРЭ с указанием рассеиваемой мощности каждым элементом Ф

i

;

- температура окружающей среды t

c

, ее максимальное значение;

- состояние поверхности корпуса (окраска), для определения коэф-

фициента черноты корпуса

ε

к

;

- допустимая температура в центре нагретой зоны (минимальная до-

пустимая температура ЭРЭ) t

доп

= t

зо

.

170

Решение.

1. На первом этапе определяется поверхностная температура корпуса.

Согласно уравнения теплового баланса (9.2), рассеиваемая корпусом тепловая

мощность равна сумме рассеиваемой мощности ЭРЭ, то есть Q

с

= Ф. Тогда

согласно закону Ньютона-Рихмана:

(

)

(

)

сккксккc

ttSttQФ

−

⋅

=

−

⋅

=

α

σ

, (11.3)

где

σ

к

– тепловая проводимость корпуса;

α

к

– коэффициент теплопередачи от корпуса в среду;

S

к

– суммарная площадь теплоотдачи корпуса;

t

к

– температура поверхности корпуса.

Вследствие различной ориентации поверхностей корпуса в пространстве

и размеров передней, нижней, верхней и боковых поверхностей стенок кор-

пуса, теплообмен их, определяемый тепловой проводимостью

σ

кi

=

α

кi

⋅

S

кi

, бу-

дет различен и общая проводимость от корпуса в среду определится:

σ

к

= 2

σ

к1

+ 2

σ

к2

+

σ

к3

+

σ

к4

, (11.4)

где

σ

к1

=

α

к1

⋅

S

к1

– теплопроводность передней (задней) вертикальной стенки;

α

к1

– коэффициент теплопередачи вертикальной стенки корпуса;

S

к1

= а

к

⋅

h

к

– площадь передней (задней) стенок корпуса;

σ

к2

=

α

к1

⋅

S

к2

– теплопроводность боковой стенки корпуса;

S

к2

= b

к

⋅

h

к

– площадь боковых стенок корпуса;

σ

к3

=

α

к2

⋅

S

к3

– теплопроводность нижней стенки корпуса;

α

к2

– коэффициент теплопередачи нижней стенки корпуса;

S

r3

= a

к

⋅

b

к

– площадь нижней (верхней) стенок корпуса;

σ

к4

=

α

к3

⋅

S

к3

– теплопроводность верхней стенки корпуса;

α

к3

– коэффициент теплопередачи верхней стенки корпуса;

Так как ориентация стенок корпуса в пространстве учитывается за счет

введения коэффициента

α

кi

= N

⋅

α

’

кi

(для нижней и верхней стенок N соот-

ветственно равен 0,7 и 1,3), то суммарную теплопроводимость нижней и

верхней стенок можно представить:

σ

к

Σ

=

σ

к3

+

σ

к4

= (0,7

α

’

к3

+ 1,3

α

’

к3

)

⋅

S

к3

= 2

α

’

к3

⋅

S

к3

= 2

σ

’

к3

.

Откуда общая теплопроводимость корпуса определится как:

σ

к

= 2

⋅

(

σ

к1

+

σ

к2

+

σ

’

к3

) . (11.5)

Тихоненков В.А. Конструирование и надежность измерительно-вычислительных комплексов летательных аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.