Реферат: Конструирование и технология производства ЭВА

<img src="/cache/referats/1709/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026">

и ордена ТрудовогоКрасного Знамени

государственныйтехнический университет им. Н. Э. Баумана

Курсовойпроект

по курсу “КонструированиеЭВС”

студент: Вилинский Д.                                                      группа ИУ4-92

консультант:Шахнов В. А.

Москва                                                                                                                                         1997

<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

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........................................................................................

3

4

5

13

13

14

16

18

<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

ТЕХНИЧЕСКОЕЗАДАНИЕ

1. Назначение аппаратуры.

Данный блок относится кклассу бортовой аппаратуры и предназначен для установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигналапринимаемого бортовой РЛС.

2. Технические требования:

     а) условия эксплуатации:

           — температура среды tо=30 оC;

           — давление p = 1.33 ×104Па;

     б) механическиенагрузки:

           — 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)³0.8.

3. Конструкционные требования:

    а) элементная база — микросхемы серии К176с 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 — естественнаяконвекция.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Поскольку проектируемыйэлектронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то кнему предъявляются следующие требования:

·высокая надежность;

·высокая помехозащищенность;

·малая потребляемая мощность;

Наиболее полно этимтребованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП)структурах — КМДП структуры.

Цифровые интегральные схемына КМДП-транзисторах — наиболее перспективные. Мощность потребления встатическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие — более 10МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшейпомехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительнаяособенность ЦИС на КМДП-транзисторах — также высокая эффективностьиспользования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равеннапряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениямнапряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровнивходных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использоватьнепосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме ихпотребляемая мощность практически равна нулю.

Таким образом была выбранасерия микросхем К176 (тип логики:дополняющие МОП-структуры).Конкретно были выбраны две микросхемы:

·К176ЛЕ5 — четыре элемента2ИЛИ-НЕ;

·К176ЛА7 — четыре элемента2И-НЕ.

Параметр

К176ЛЕ5

К176ЛА7

Входной ток в состоянии “0”, Iвх0, мкА, не менее

-0.1

-0.1

Входной ток в состоянии “1”, Iвх1, мкА, не более

0.1

0.1

Выходное напряжение “0”, Uвых0, В, не более

0.3

0.3

Выходное напряжение “1”, Uвых1, В, не менее

8.2

8.2

Ток потребления в состоянии “0”, Iпот0, мкА, не более

0.3

0.3

Ток потребления в состоянии “1”, Iпот1, мкА, не более

0.3

0.3

Время задержки распространения сигнала при включении tзд р1,0, нс, не более

200

200

Время задержки распространения сигнала при включении tзд р0,1, нс, не более

200

200

Предельнодопустимые электрические режимы эксплуатации

Напряжение источника питания, В

5 — 10 В

Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более

50

Выходной ток Iвых0и Iвых1, мА, не более

0.5

Помехоустойчивость, В

0.9

РАСЧЕТТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

 

Исходные данные:

Размеры  блока:

L­1=250 ммL­2=180 ммL­3=90мм

Размеры нагретой зоны:

a1=234ммa2=170ммa3=80мм

Зазоры между нагретой зоной и корпусом

hн=hв=5 мм

Площадь перфорационных отверстий

Sп=0 мм2

Мощность одной ИС

Pис=0,001 Вт

Температура окружающей среды

tо=30 оC

Тип корпуса

Дюраль

Давление воздуха

p = 1.33 ×104 Па

Материал ПП

Стеклотекстолит

Толщина ПП

hпп = 2 мм

Размеры ИС

с1 = 19.5 мм с2 = 6 ммc3 = 4 мм

Этап 1.Определение температуры корпуса

 

1. Рассчитываем удельнуюповерхностную мощность корпуса блока qк:

<img src="/cache/referats/1709/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1025">P0 — мощность рассеиваемая блокомв виде  теплоты;

Sк — площадь внешнейповерхности блока.

Для осуществления реальногорасчета примем P0=20 Вт, тогда

<img src="/cache/referats/1709/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

2. По графику из [1] задаемсяперегревом корпуса в первом приближении Dtк= 10 оС.

3. Определяем коэффициентлучеиспускания для верхней aл.в, боковой aл.би нижней aл.нповерхностей корпуса:

 <img src="/cache/referats/1709/image007.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

Так как eдля всех поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:

<img src="/cache/referats/1709/image009.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

4. Для определяющей температуры tm = t0 + 0.5 Dtk= 30 + 0.5 10 =35 oC рассчитываем число Грасгофа Grдля каждой поверхностикорпуса

<img src="/cache/referats/1709/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

где Lопр i — определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

      g — ускорение свободного падения;

      gm — кинетическая вязкость газа, для воздуха определяетсяиз таблицы 4.10 [1]иравна gm=16.48 ×10-6 м2/с

      <img src="/cache/referats/1709/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

5. Определяем число Прандталя Prизтаблицы 4.10 [1] дляопределяющей температуры tm, Pr =0.7.

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

5 ×106  <GrнPr= GrвPr= 1.831 ×0.7 ×107 = 1.282×107  <2 ×107 следовательно режим ламинарный

GrбPr= 6.832 ×0.7 ×106 = 4.782×106  <5 ×106 следовательно режим переходный к ламинарному.

7. Рассчитываем коэффициенттеплообмена конвекцией для каждой поверхности блока ak.i:

<img src="/cache/referats/1709/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

где lm — теплопроводность газа,для воздуха lmопределяем из таблицы 4.10 [1] lm= 0.0272 Вт/(м К);

      Ni — коэффициент учитывающийориентацию поверхности корпуса:Ni = 0.7 для нижней поверхности, Ni=1 для боковойповерхности, Ni =1.3 дляверхней поверхности.

8. Определяем тепловую проводимостьмежду поверхностью корпуса и окружающей средой sк:

<img src="/cache/referats/1709/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

9. Рассчитываем перегрев  корпуса блока РЭА  во втором приближении Dtк.о:

<img src="/cache/referats/1709/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

где Кк.п — коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок являетсягерметичным, следовательно Кк.п= 1;

 Кн1 — коэффициент, учитывающийатмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], Кн1= 1.

10. Определяем ошибку расчета

<img src="/cache/referats/1709/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

Так  как d=0.332 >[d]=0.1проводимповторный расчет скорректировав Dtк= 15 оС.

11. После повторного расчета получаемDtк, о= 15,8 оС, иследовательно ошибка расчета будет равна

<img src="/cache/referats/1709/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

Такая ошибка нас вполнеустраивает d=0.053 <[d]=0.1

12. Рассчитываем температурукорпуса блока

<img src="/cache/referats/1709/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

Этап 2.Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

 

1. Вычисляем условную удельнуюповерхностную мощность нагретой зоны блока qз:

<img src="/cache/referats/1709/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1037">

где Pз — мощностьрассеиваемая в нагретой зоне, Pз= 20 Вт.

2. По графику из [1] находимв первом приближении перегрев нагретой зоны Dtз= 18 оС.

3. Определяем коэффициенттеплообмена излучением между нижними aз.л.н, верхними aз.л.ви боковыми aз.л.бповерхностями нагретой зоны и корпуса.

Для начала определимприведенную степень черноты i-ой поверхности нагретойзоны eпi:

<img src="/cache/referats/1709/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1038">

где  eзiи Sзi — степень черноты и площадь поверхности нагретойзоны, eзi=0.92(для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай).

Так как приведенная степеньчерноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равнойeп= 0.405и тогда

<img src="/cache/referats/1709/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1039">

4. Для определяющей температуры tm = 0.5 (tк+t0+ Dtk)= 0.5 (45 + 30 +17=46 oC и определяющего размере hi рассчитываем число Грасгофа Grдлякаждой поверхности корпуса

<img src="/cache/referats/1709/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1040">

где Lопр i — определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

      g — ускорение свободного падения;

      gm — кинетическая вязкость газа, для воздуха определяетсяиз таблицы 4.10 [1]иравна gm=17.48 ×10-6 м2/с

      <img src="/cache/referats/1709/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1041">

Определяем число Прандталя Prизтаблицы 4.10 [1] дляопределяющей температуры tm, Pr =0.698.

GrнPr= GrвPr=213.654 ×0.698 =149.13

GrбPr=875.128 ×0.698 =610.839

5. Рассчитаем коэффициенткоэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом длякаждой поверхности:

·для нижней и верхней

<img src="/cache/referats/1709/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

·для боковой поверхности

<img src="/cache/referats/1709/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

где lm — теплопроводность газа,для воздуха lmопределяем из таблицы 4.10 [1] lm= 0.0281 Вт/(м К);

6. Определяем тепловую проводимостьмежду нагретой зоной и корпусом:

<img src="/cache/referats/1709/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1044">

где s — удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствииприжима s= 240 Вт/(м2 К);

      Sl — площадь контакта рамкимодуля с корпусом блока;

      Кs — коэффициент учитывающийкондуктивный теплообмен

<img src="/cache/referats/1709/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1045">

В результате получаем:

<img src="/cache/referats/1709/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

7. Рассчитываем нагрев нагретой зоныDtз.ово втором приближении

<img src="/cache/referats/1709/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

где Кw — коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит отпроизводительности вентилятора, Кw= 1;

Кн2 — коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, Кн2 = 1.3.

8. Определяем ошибку расчета

<img src="/cache/referats/1709/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1048">

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1.

9. Рассчитываем температурунагретой зоны

<img src="/cache/referats/1709/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1049">

 

 

 

 

 

Этап 3.Расчет температуры поверхности элемента

 

1. Определяем эквивалентныйкоэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Длянашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины lэкв= lп= 0.3 Вт/(м К), где lп — теплопроводность материала основания печатной платы.

2. Определяем эквивалентный радиускорпуса микросхем:

<img src="/cache/referats/1709/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

где S0ИС — площадь основаниямикросхемы, S0ИС= 0.0195 ×0.006 =0.000117м2

3. Рассчитываем коэффициентраспространения теплового потока

<img src="/cache/referats/1709/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1051">

где a1и a2 — коэффициенты обмена с 1-йи 2-й стороной ПП; дляестественного теплообменаa1+ a2= 18 Вт/(м2 К);

hпп — толщина ПП.

4. Определяем искомый перегревповерхности корпуса микросхемыдля ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтомуработающей в наихудшем тепловом режиме:

<img src="/cache/referats/1709/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1052">

где В и М — условныевеличины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположениикорпусов микросхем на ПП В = 8.5pR2 Вт/К, М = 2;

к — эмпирический коэффициент: длякорпусов 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;

кa — коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика(рис. 4.17) [1] идля нашего случая кa= 12 Вт/(м2 К);

Ni — число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемоймикросхемы  на расстоянии не более ri < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП Ni= 24;

К1 и К0 — модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:

<img src="/cache/referats/1709/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1053">

Dtв — среднеобъемный перегреввоздуха в блоке:

<img src="/cache/referats/1709/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1054">

QИСi — мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, внашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;

SИСi — суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, внашем случае для всех одинаковая и равнаSИСi= 2 (с1 ×с2 + с1 ×с3 + с2 ×с3) = 2 (19.5×6+ 19.5×4+ 6×4) = 438 мм2 = 0.000438м2;

dзi — зазор между микросхемой и ПП, dзi= 0;

lзi — коэффициент теплопроводности материала,заполняющего этот зазор.

Подставляя численныезначения в формулу получаем

<img src="/cache/referats/1709/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1055">

5. Определяем температуруповерхности корпуса микросхемы

<img src="/cache/referats/1709/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1056">

Такая температура удовлетворяет условиямэксплуатации микросхемы DТр = -45....+70оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.

РАСЧЕТ МАССЫБЛОКА

Исходные данные для расчета:

Масса блока ИС

mис= 24 г = 0.024 кг

Плотностьдюралюминия

rдр= 2800 кг/м3

Плотность стеклотекстолита

rСт= 1750 кг/м3

Толщина дюралюминия

hk = 1 мм = 0.001 м

Толщина печатной платы

hпп = 2 мм = 0.002 м

Количество печатных плат

nпп = 60

Количество ИС

nис = 25

<img src="/cache/referats/1709/image067.gif" v:shapes="_x0000_i1057">

РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП

Так как в нашей ППиспользуются однотипные микросхемы равномерно распределенные по поверхности ПП,то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулойдля равномерно нагруженной пластины:

<img src="/cache/referats/1709/image069.gif" v:shapes="_x0000_i1058">

где a иb — длина и ширинапластины, a=186 мм, b=81 мм;

D — цилиндрическаяжесткость;

E — модульупругости, E = 3.2×10-10Н/м;

h — толщинапластины, h = 2 мм;

n — коэффициент Пуассона, n= 0.279;

М — масса пластины сэлементами, М = mпп+ mис×25= 0.095 + 0.024 ×25 = 0.695 кг;

Ka — коэффициент,зависящий от способа закрепления сторон пластины;

k, a, b, g — коэффициентыприведенные в литературе [1].

Подставляя значенияпараметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты:

<img src="/cache/referats/1709/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1059">

РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

Исходные данные

Вид носителя — управляемый снаряд

Масса блока m = 42.385 кг

f, Гц

10

30

50

100

500

1000

g

5

8

12

20

25

30

1. Рассчитаем величинувибросмещения для каждого значения f.

<img src="/cache/referats/1709/image073.gif" v:shapes="_x0000_i1060">

так как нам известен порядокКe»103, то при минимальной частоте f =10 Гц

<img src="/cache/referats/1709/image075.gif" v:shapes="_x0000_i1061">

следовательно мы можемрассчитать 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 номинальнойстатической нагрузки и выбор амортизатора.

Так как блок заполненодинаковыми модулями то и масса его распределена равномерно. Притаком распределении нагрузки целесообразно выбрать симметричное расположениеамортизаторов. Втаком случае очень легко рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:

<img src="/cache/referats/1709/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1062">

Исходя из значений Р1… Р4выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Рном =100....150 Н, коэффициент жесткости kам= 186.4Н/см, показатель затухания e= 0.5.

3. Расчет статической осадкиамортизатора и относительного перемещения блока.

Статическая осадкаамортизаторов определяется по формуле:

<img src="/cache/referats/1709/image079.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

Для определенияотносительного перемещенияs(f)необходимо сначала определитьсобственную частоту колебаний системы

<img src="/cache/referats/1709/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1064">

<img src="/cache/referats/1709/image083.gif" v:shapes="_x0000_i1065">

и коэффициент динамичностикоторый определяется по следующей формуле

<img src="/cache/referats/1709/image085.gif" v:shapes="_x0000_i1066">

Результат расчета представимв 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 нашегоблока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоиттолько из последовательных элементов тот мы принимаем решение не резервироватьсистему.

Интенсивность отказовэлементов с учетом условий эксплуатации изделия определяется по формуле:

<img src="/cache/referats/1709/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1067">

где <sp

еще рефераты
Еще работы по технологии