ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
1 Призначення апаратури
Даний блок відноситься до класу бортової апаратури і призначений для установки в керований снаряд Функціонально блок призначений для згортки сигналу прийнятого бортової РЛС
2 Технічні вимоги
а) умови експлуатації
- Температура середовища tо = 30 оC;
- Тиск p = січня 1933 × 104 Па;
б) механічні навантаження
- Перевантаження в заданому діапазоні
f, Гц | 10 | 30 | 50 | 100 | 500 | 1000 |
g | 5 | 8 | 12 | 20 | 25 | 30 |
- Удари u = 50 g;
в) вимоги щодо надійності
- Ймовірність безвідмовної роботи P (0.033) ³ 0.8
3 Конструкційні вимоги
а) елементна база - мікросхеми серії К176 з КМДП логікою;
б) потужність у блоці P £ 27 Вт;
в) маса блоку m £ 50 кг;
г) тип корпусу - корпус по ГОСТ 17045-71;
д) тип амортизатора АТ 15;
е) умови охолодження - природна конвекція
ПІДБІР елементної бази
Оскільки проектований електронно-обчислювальний блок є бортовою апаратурою, то до нього висуваються такі вимоги
висока надійність;
висока перешкодозахищеність;
мала споживана потужність;
Найбільш повно цим вимогам задовольняють інтегральні мікросхеми на доповнюють МДП (МОП) структурах - КМДП структури
Цифрові інтегральні схеми на КМДП-транзисторах - найбільш перспективні. Потужність споживання в статичному режимі ЦІС становить десятки нановат, швидкодія - більше 10 МГц. Серед ЦІС на МДП-транзисторах ЦІС на КМДП-транзисторах мають найбільшу завадостійкістю: 40 ... 45% від напруги джерела живлення. Відмітна особливість ЦІС на КМДП-транзисторах - також висока ефективність використання джерела: перепад вихідної напруги елемента майже дорівнює напрузі джерела живлення. Такі ЦІС не чутливі до змін напруги живлення. В елементах на КМДП-транзисторах полярності і рівні вхідних і вихідних напруг збігаються, що дозволяє використовувати безпосередні зв'язки між елементами. Крім того, у статичному режимі їх споживана потужність практично дорівнює нулю
Таким чином була обрана серія мікросхем К176 (тип логіки доповнюють МОП-структури) Конкретно були обрані дві мікросхеми
К176ЛЕ5 - чотири елементи 2ИЛИ-НЕ;
К176ЛА7 - чотири елементи 2І-НЕ
Параметр | К176ЛЕ5 | К176ЛА7 |
Вхідний струм у стані "0", Iвх0, мкА, не менш | -0 1 | -0.1 |
Вхідний струм у стані "1", Iвх1, мкА, не більше | 0 1 | 0.1 |
Вихідна напруга "0", Uвих0, В, не більше | 0 3 | 0.3 |
Вихідна напруга "1", Uвих1, В, не менш | 2 серпня | 8.2 |
Струм споживання в стані "0", Iпот0, мкА, не більше | 0 3 | 0.3 |
Струм споживання в стані "1", Iпот1, мкА, не більше | 0 3 | 0.3 |
Час затримки поширення сигналу при включенні tзд р1, 0, нс, не більш | 200 | 200 |
Час затримки поширення сигналу при включенні tзд р0, 1, нс, не більш | 200 | 200 |
Гранично допустимі електричні режими експлуатації
Напруга джерела живлення, В | 5 - 10 В |
Навантажувальна здатність на логічну мікросхему, не більше | 50 |
Вихідний струм Iвих0 і Iвих1, мА, не більше | 0 5 |
Перешкодостійкість, У | 0 9 |
РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВОГО РЕЖИМУ БЛОКУ
Вихідні дані
Розміри блоку | L1 = 250 мм L2 = 180 мм L3 = 90 мм |
Розміри нагрітої зони | a1 = 234 мм a2 = 170 мм a3 = 80 мм |
Зазори між нагрітої зоною і корпусом | hн = hв = 5 мм |
Площа перфораційних отворів | Sп = 0 мм2 |
Потужність однієї ІС | Pіс = 0,001 Вт |
Температура навколишнього середовища | tо = 30 оC |
Тип корпусу | Дюраль |
Тиск повітря | p = січня 1933 × 104 Па |
Матеріал ПП | Склотекстоліт |
Товщина ПП | hпп = 2 мм |
Розміри ІС | з1 = 19 5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм |
Етап 1 Визначення температури корпусу
1 Розраховуємо питому поверхневу потужність корпусу блоку qк
де P0 - потужність розсіюється блоком у вигляді теплоти;
Sк - площа зовнішньої поверхні блоку
Для здійснення реального розрахунку приймемо P0 = 20 Вт, тоді
2 За графіком з [1] задаємося перегрівом корпусу в першому наближенні D tк = 10 оС
3 Визначаємо коефіцієнт лучеиспускания для верхньої a л у, бічний a л б і нижньої a л н поверхонь корпусу
Так як e для всіх поверхонь однакова і дорівнює e = 0 39 то
4 Для визначальною температури tm = t0 + 0.5 D tk = 30 + 0.5 10 = 35 oC розраховуємо число Грасгофа Gr для кожної поверхні корпусу
де Lопр i - визначальний розмір i-ої поверхні корпусу;
g - прискорення вільного падіння;
gm - кінетична в'язкість газу, для повітря визначається з таблиці 4 10 [1] і дорівнює gm = 16 48 × 10-6 м2 / с
5 Визначаємо число Прандталя Pr з таблиці 4 10 [1] для визначальною температури tm, Pr = 0.7
6 Знаходимо режим руху газу, обтекающих кожну поверхню корпусу
5 × 106 <Grн Pr = Grв Pr = 1 831 × 0 7 × 107 = 1282 × 107 <2 × 107 отже режим ламінарний
Grб Pr = 6832 × 0 7 × 106 = 4782 × 106 <5 × 106 отже режим перехідний до ламінарного
7 Розраховуємо коефіцієнт теплообміну конвекцією для кожної поверхні блоку a ki
де lm - теплопровідність газу, для повітря lm визначаємо з таблиці 4 10 [1] lm = 0 0272 Вт / (м К);
Ni - коефіцієнт враховує орієнтацію поверхні корпусу Ni = 0.7 для нижньої поверхні, Ni = 1 для бічній поверхні, Ni = 1 3 для верхньої поверхні
8 Визначаємо теплову провідність між поверхнею корпусу і навколишнім середовищем s до
9 Розраховуємо перегрів корпусу блоку РЕА у другому наближенні D tк про
де Кк п - коефіцієнт залежить від коефіцієнта корпусу блоку Оскільки блок є герметичним, отже Кк п = 1;
Кн1 - коефіцієнт, що враховує атмосферний тиск навколишнього середовища береться з графіка рис 4 12 [1], Кн1 = 1
10 Визначаємо помилку розрахунку
Так як d = 0332> [d] = 0.1 проводимо повторний розрахунок скорегувавши D tк = 15 оС
11 Після повторного розрахунку отримуємо D tк, про = 15,8 оС, і отже помилка розрахунку буде дорівнює
Така помилка нас цілком влаштовує d = 0053 <[d] = 0.1
12 Розраховуємо температуру корпусу блоку
Етап 2 Визначення середньоповерхнева температури нагрітої зони
1 Обчислюємо умовну питому поверхневу потужність нагрітої зони блоку Qз
де Pз - потужність розсіюється в нагрітій зоні, Pз = 20 Вт.
2 За графіком з [1] знаходимо в першому наближенні перегрів нагрітої зони D tз = 18 оС
3 Визначаємо коефіцієнт теплообміну випромінюванням між нижніми a з л н, верхніми a з л в і бічними a з л б поверхнями нагрітої зони і корпусу
Для початку визначимо наведену ступінь чорноти i-ої поверхні нагрітої зони e Пi
де e зi і Sзi - ступінь чорноти і площа поверхні нагрітої зони, e зi = 0 92 (для всіх поверхонь так як матеріал ПП одінаковай)
Так як наведена ступінь чорноти для різних поверхонь майже однакова, то ми можемо прийняти її рівною e п = 0 405 і тоді
4 Для визначальною температури tm = 0 5 (tк + t0 + D tk) = 0 5 (45 + 30 + 17 = 46 oC і визначального розмірі hi розраховуємо число Грасгофа Gr для кожної поверхні корпусу
де Lопр i - визначальний розмір i-ої поверхні корпусу;
g - прискорення вільного падіння;
gm - кінетична в'язкість газу, для повітря визначається з таблиці 4 10 [1] і дорівнює gm = 17 48 × 10-6 м2 / с
Визначаємо число Прандталя Pr з таблиці 4 10 [1] для визначальною температури tm, Pr = 0.698
Grн Pr = Grв Pr = 213 654 × 0698 = 149 1913
Grб Pr = 875 128 × 0 698 = 610 839
5 Розрахуємо коефіцієнт коефіцієнти конвективного теплообміну між нагрітої зоною і корпусом для кожної поверхні
для нижньої і верхньої
для бічній поверхні
де lm - теплопровідність газу, для повітря lm визначаємо з таблиці 4 10 [1] lm = 0 0281 Вт / (м К);
6 Визначаємо теплову провідність між нагрітої зоною і корпусом
де s - питома теплова провідність від модулів до корпусу блоку, за відсутності притиску s = 240 Вт / (м2 К);
Sl - площа контакту рамки модуля з корпусом блоку;
Кs - коефіцієнт враховує кондуктивний теплообмін
У результаті отримуємо
7 Розраховуємо нагрів нагрітої зони D tз про у другому наближенні
де КW - коефіцієнт, що враховує внутрішнє перемішування повітря, залежить від продуктивності вентилятора, КW = 1;
КН2 - коефіцієнт, що враховує тиск повітря усередині блоку, КН2 = 1 3
8 Визначаємо помилку розрахунку
Така помилка нас цілком влаштовує d = 0053 <[d] = 0.1
9 Розраховуємо температуру нагрітої зони
Етап 3 Розрахунок температури поверхні елемента
1 Визначаємо еквівалентний коефіцієнт теплопровідності модуля, в якому розташована мікросхема Для нашого випадку, коли відсутні теплопровідні шини l екв = l п = 0.3 Вт / (м К), де l п - теплопровідність матеріалу підстави друкованої плати
2 Визначаємо еквівалентний радіус корпусу мікросхем
де S0ІС - площа підстави мікросхеми, S0ІС = 0 0195 × 0006 = 0 000 117 м2
3 Розраховуємо коефіцієнт поширення теплового потоку
де a 1 і a 2 - коефіцієнти обміну з 1-й і 2-й стороною ПП; для природного теплообміну a 1 + a 2 = 18 Вт / (м2 К);
hпп - товщина ПП
4 Визначаємо шуканий перегрів поверхні корпусу мікросхеми для ІМС номер 13 знаходиться в середині ПП і тому працює в найгіршому тепловому режимі
де В і М - умовні величини, введені для спрощення форми запису, при однобічному розташуванні корпусів мікросхем на ПП В = 5 серпні p R2 Вт / К, М = 2;
до - емпіричний коефіцієнт для корпусів мікросхем, центр яких відстоїть від кінців ПП на відстані менше 3R, к = 1.14; для корпусів мікросхем, центр яких відстоїть від кінців ПП на відстані більше 3R, к = 1;
Кa - коефіцієнт тепловіддачі від корпусів мікросхем визначається за графіка (рис 4 17) [1] і для нашого випадку Кa = 12 Вт / (м2 К);
Ni - число i-х корпусів мікросхем, розташований навколо корпусу розраховується мікросхеми на відстані не більше ri <10 / m = 0.06 м, для нашої ПП Ni = 24;
К1 і К0 - модифіковані функції Бесселя, результат розрахунку яких наведено нижче
D tв - среднеоб'емний перегрів повітря в блоці
QІСi - потужність, що розсіюється i-й мікросхемою, у нашому випадку для всіх однакова і дорівнює 0001 Вт;
SІСi - сумарна площа поверхонь i-й мікросхемs, в нашому випадку для всіх однакова і дорівнює SІСi = 2 (з1 × с2 + з1 × с3 + с2 × с3) = 2 (19 5 × 6 + 19.5 × 4 + 6 × 4) = 438 мм2 = 0 000 438 м2;
d зi - зазор між мікросхемою і ПП, d зi = 0;
l зi - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що заповнює цей зазор
Підставляючи чисельні значення у формулу отримуємо
5 Визначаємо температуру поверхні корпусу мікросхеми
Така температура задовольняє умовам експлуатації мікросхеми D Тр = -45 +70 оС, і не вимагає додаткової системи охолодження
РОЗРАХУНОК МАСИ БЛОКУ
Вихідні дані для розрахунку
Маса блоку ІС | mіс = 24 г = 0024 кг |
Щільність дюралюмінію | r ін = 2800 кг/м3 |
Щільність стеклотекстолита | r Ст = 1750 кг/м3 |
Товщина дюралюмінію | hk = 1 мм = 0001 м |
Товщина друкованої плати | hпп = 2 мм = 0002 м |
Кількість друкованих плат | nпп = 60 |
Кількість ІС | nіс = 25 |
РОЗРАХУНОК власною ЧАСТОТИ ПП
Так як в нашій ПП використовуються однотипні мікросхеми рівномірно розподілені по поверхні ПП, то для визначення власної частоти коливань ПП можна скористатися формулою для рівномірно навантаженої пластини
де a і b - довжина і ширина пластини, a = 186 мм, b = 81 мм;
D - циліндрична жорсткість;
E - модуль пружності, E = 3.2 × 10-10 Н / м;
h - товщина пластини, h = 2 мм;
n - коефіцієнт Пуассона, n = 0.279;
М - маса пластини з елементами, М = mпп + mіс × 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;
Ka - коефіцієнт, що залежить від способу закріплення сторін пластини;
k, a, b, g - коефіцієнти наведені в літературі [1]
Підставляючи значення параметрів у формулу розраховуємо значення власної частоти
РОЗРАХУНОК СХЕМИ АМОРТИЗАЦІЇ
Вихідні дані
Вид носія - керований снаряд | ||||||
Маса блоку m = 42.385 кг | ||||||
f, Гц | 10 | 30 | 50 | 100 | 500 | 1000 |
g | 5 | 8 | 12 | 20 | 25 | 30 |
1. Розрахуємо величину вібросмещенія для кожного значення f.
так як нам відомий порядок Кe »103, то при мінімальній частоті f = 10 Гц
отже ми можемо розрахувати величину вібросмещенія для кожної частоти спектру Результат розрахунку наведемо у таблиці
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. Розрахунок номінальної статичної навантаження і вибір амортизатора
Оскільки блок заповнений однаковими модулями то й маса його розподілена рівномірно При такому розподілі навантаження доцільно вибрати симетричне розташування амортизаторів У такому випадку дуже легко розраховується статичне навантаження на амортизатор
Виходячи зі значень Р1 ... Р4 вибираємо амортизатор АТ -15 який має номінальну статичне навантаження Рном = 100 .... 150 Н, коефіцієнт жорсткості kам = 186 4 Н / см, показник загасання e = 0 5
3 Розрахунок статичної опади амортизатора і відносного переміщення блоку
Статична осаду амортизаторів визначається за формулою
Для визначення відносного переміщення s (f) необхідно спочатку визначити власну частоту коливань системи
і коефіцієнт динамічності який визначається за наступною формулою
Результат розрахунку наведемо у вигляді таблиці
Маса блоку 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 |
РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ БЛОКУ ЗА Раптові відмови
Так як носієм нашого блоку є керований снаряд час життя якого мало, і схема складається тільки з послідовних елементів той ми ухвалюємо рішення не резервувати систему.
Інтенсивність відмов елементів з урахуванням умов експлуатації виробу визначається за формулою
де l 0i - номінальна інтенсивність відмов;
k1, k2 - поправочні коефіцієнти залежно від впливу механічних факторів;
k3 - поправочний коефіцієнт в залежності від тиску повітря;
Значення номінальних інтенсивностей відмови і поправочних коефіцієнтів для різних елементів використовуються в блоці були взяті з літератури [1] і наведені в таблиці
Елемент | l 0i, 1 / год | k1 | k2 | k3 | k4 |
Мікросхема | 0,013 | 1,46 | 1,13 | 1 | 1,4 |
З'єднувачі | 0,062 × 24 | 1,46 | 1,13 | 1 | 1,4 |
Провід | 0,015 | 1,46 | 1,13 | 1 | 1,4 |
Плата друкованої схеми | 0,7 | 1,46 | 1,13 | 1 | 1,4 |
Пайка навісного монтажу | 0,01 | 1,46 | 1,13 | 1 | 1,4 |
Імовірність безвідмовної роботи протягом заданої напрацювання tp для нерезервованої систем визначається з формули
Середній час життя керованого снаряда не перевищує 1 ... 2 хвилин і отже значення P (0.033) = 0.844, що цілком задовольняє технічним умовам