Основные проблемы конструирования ЭВМ (стр. 4 )

Такие ЭВМ функционируют в условиях

интенсивного воздействия различных

факторов, основными из которых

являются механические ( из-за них

возникает до 50% отказов).

Классификация нестационарных ЭВМ, параметры воздействий.

Нестационарные ЭВМ делят на:

•  устанавливаемые и работающие на ходу:

- на автомобилях, мотоциклах, сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике (группа 1);

- во внутренних помещениях речных судов (группа 2);

- на подвижных железнодорожных объектах (группа 3);

•  предназначенные для длительной переноски людьми, работающие и не работающие на ходу;

- транспортируемые и портативные (группа 4);

•  устанавливаемые на самолетах, ракетах, морских судах и искусственных спутниках Земли.

Значения параметров воздействующих факторов.

Факторы	Параметры	1 (автомобили)	2 (суда)	3 (ж/д)	4 (переносные)
Вибрация на одной частоте	Частота, Гц Ускорение, м/с2 Время выдержки, ч	20 2 0,5	20 2 0,5	20 2 0,5	20 2 0,5
Вибрации в диапазоне частот	Диапазон частот Ускорение, м/с2 Время выдержки, ч	10..70 0,8..3,8 12	10..30 0,25..1,1 4	10..70 0,8..3,8 12	10..70 0,8..3,8 12
Удары одиночные	Длительность, мс Число ударов в мин Ускорение, м/c2 Общее число ударов	5..10 40..80 15 60	5..10 40..80 15 60	5..10 40..80 15 60	5..10 40..80 15 60
Удары многократные	Длительность, мс Число ударов в мин Ускорение, м/c2 Общее число ударов	5..10 40..80 15 12000	5..10 40..80 15 12000	5..10 40..80 15 12000	5..10 40..80 15 12000
Падение	Высота, мм Число падений	- -	- -	- -	750 11

Основные задачи конструирования нестационарных ЭВМ.

При разработке и оценке конструкций ЭВМ необходимо:

•  определить виды механических воздействий и возникающих из-за них отказов;

•  выявить свойства и определить форму представления воздействий, влияющих на работоспособность ЭВМ;

•  получить характеристики надежности компонентов, связанные с механическими воздействиями (виброустойчивость и вибропрочность);

•  разработать расчетную модель конструкции и выбрать характеристику ее качества;

•  разработать математическую модель, описывающую движение расчетной, и получить характеристику качества конструкции;

•  теоретически оценить значение воздействий на компоненты и КМ при установленных в ТЗ параметрах воздействий, характерных для объекта установки;

•  подтвердить оценки экспериментально;

•  сравнить параметры воздействий с характеристиками соответствующих показателей компонентов и КМ. При неудовлетворительном исходе – принять меры к повышению эффективности защиты комплектующих элементов и КМ.

20.2. Определение тепловых сопротивлений пакета субблоков.

Тепловое сопротивление конструкции как однородного анизотропного тела.

Предположения:

а) сквозная циркуляция воздуха между субблоками – отсутствует;

б) излучением тепловой энергии в зазорах можно пренебречь.

Следовательно тепловая энергия передается кондукцией в элементах конструкции и в воздушных зазорах.

Элементарная ячейка пакета субблоков.

Схемы соединения тепловых

сопротивлений частей ячейки по

осям x (а), y (б) и z (в)

1 – часть платы субблока;

2 – теплопроводящий материал;

3 – корпус ИС;

4, 5, 6, 7 – воздушные зазоры.

Результирующие значения тепловых сопротивлений (проводимостей) элементарной ячейки:

 

Откуда, используя формулу теплового сопротивления плоской стенки, получаем:

Аналогично определяем: sяy(lяy) и sяz (lяz).

С учетом геометрических размеров пакета субблоков тепловые сопротивления

Rях = 1/sяx, Rяy = 1/sяy, Rяz = 1/sяz – тепловые сопротивления

элементарных ячеек в

направлении осей x, y и z.

21. 1. Геометрическая компоновка конструкции ЭВМ.

Геометрическая компоновка – это выбор формы КМ, взаимного расположения и способов перемещения друг относительно друга, а также определения размеров КМ и кратности их повторения по главным геометрическим направлениям.

Взаимное расположение КМ с учетом возможности их повторения по главным геометрическим направлениям называется компоновочной схемой или схемой геометрической компоновки.

Форма КМ и их геометрическая компоновка должны обеспечивать выполнение конструктивно-технологических требований и установленные значения тех показателей ЭВМ, оговоренных в ТЗ, которые зависят от формы и геометрической компоновки.

Выбор формы КМ и типовые схемы геометрической компоновки.

Основным показателем ЭВМ, зависящим от формы и геометрической компоновки, является быстродействие, при этом в качестве критерия используется минимальная длина линии связи между наиболее удаленными точками КМ.

Постановка задачи :

Для КМ с плоскостной компоновкой – найти плоскую фигуру с заданной площадью, ограниченную замкнутой кривой минимальной длины.

Для КМ с объемной (трехмерной) компоновочной схемой – найти пространственную фигуру заданного объема, ограниченную замкнутой поверхностью минимальной площади. Площадь или объем определяется количеством компонентов КМ и возможными значениями коэффициентов заполнения монтажной плоскости или объема.

Если компоненты КМ рассматриваются как материальные точки, то искомая фигура – соответственно круг или шар. Эти фигуры не удовлетворяют большинству конструктивно-технологических требований и не обеспечивают высоких коэффициентов заполнения монтажной плоскости или объема. Поэтому КМ выполняют в виде прямоугольного параллелепипеда.

Взаимное расположение и способы перемещения.

Ориентация КМ относительно монтажной плоскости КМ следующего уровня как правило ортогональная, реже, например микросхема-плата субблока, монтажные плоскости этих КМ параллельны.

КМ могут повторятся в одном, 2-х, 3-х геометрических направлениях.

Для обеспечения доступа к элементам, требующим осмотра, регулировки или замены в процессе эксплуатации используют следующие способы перемещения:

•  выдвигание,

•  раскрытие (книжная конструкция),

•  разворот (веерная конструкция),

•  откидывание.

21.2. теплообмен естественной конвекцией.

Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепловой энергии – теплообменом.

Конвекция связана с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом – элементом конструкции. Конвекция заключается в совместном действии теплопроводности среды, запасания энергии в ней и перемешивания среды. Конвекция может быть естественной и вынужденной. Естественная – обусловлена движением среды за счет разности плотностей холодной и нагретой областей. Вынужденная (принудительная) – за счет движения среды под действием вынуждающих сил.

Конвекция описывается законом Ньютона-Рихмана:

где:

·  – тепловая энергия, передаваемая от i-го тела к среде (и наоборот);

·  – удельная тепловая проводимость (зависит от теплофизических и кинематических параметров среды, а также от формы, размеров элементов конструкции и их ориентации относительно потоков среды);

·  – площадь i-го тела, находящаяся в контакте со средой.

При анализе теплообмена конвекцией используются следующие критериальные уравнения.

Критерий Нуссельта		Критерий Прандтля
Критерий Грасгофа		Критерий Рейнольдса

Где:

·  L – определяющий размер (например, высота стенки при продольном обтекании ее потоком среды);

·  g = 9.8 м/с2;

·  – коэффициент объемного расширения среды [1/K];

·  – коэффициент кинематической вязкости [м2/c];

·  – коэффициент температуропроводности [м2/c];

·  V – скорость движения среды.

Естественная конвекция в неограниченном пространстве.

1. Теплообмен неограниченного цилиндра (проводной или струнный монтаж l/d>100)

При ламинарном режиме движения среды

,

где – коэффициент, учитывающий теплофизические параметры среды и являющийся функцией температуры (берется из справочников).

2. Теплообмен плоской и цилиндрической стенок

, если (1)

иначе, (2)

где A2,A3 – аналоги A1;

– коэффициент, учитывающий отношение давление внутри конструкции к давлению окружающей среды;

– коэффициент ориентации, учитывающий ориентацию плоскости относительно потока среды.

Теплообмен конвекцией в каналах

Канал – область между двумя субблоками или субблоком и стенкой блока или рамы. Канал считают плоским и его размеры принимают следующими:

, где:

– суммарный объем деталей, установленных на платах; – размер платы в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.

Коэффициент теплообмена конвекцией не постоянен по высоте и ширине канала. В расчетах пользуются средними значениями, считая a и V (скорость) постоянными.

Естественная конвекция в канале. Среда – воздух

Если канал ориентирован вертикально, скорость движения воздуха постоянна по длине канала и , то коэффициент теплообмена конвекцией не зависит от координат:

22.1 Оценка надежности ЭВМ как сложного объекта.

Сложным называют объект, состоящий из нескольких одновременно и совместно функционирующих отдельных объектов таких, что отказ одного из них приводит к отказу сложного объекта. Отказы отдельных объектов считают независимыми, т. е. отказ одного из них не приводит к отказу других. ЭВМ состоит из ряда устройств или элементов, для которых указанные допущения, как правило, выполняются.

Наработка на отказ:

Где N – число типов элементов в ЭВМ

Ti – наработка на отказ элемента i-го типа

ni – число элементов i-го типа, отказ которых приводит к отказу ЭВМ

При экспоненциальном законе распределения наработки на отказ:

Для ЭВМ рассчитывают среднюю суммарную интенсивность отказов с учетом использования входящих в нее устройств:

Где: Ny – число устройств ЭВМ

- их интенсивность отказов

Ki – коэффициент, учитывающий использование устройства i-го типа в составе ЭВМ.

В соответствии с теоремой умножения вероятностей вероятность безотказной работы:

Где: Pi, ni – вероятность безотказной работы в -м интервале времени n элементов i-го типа.

При экспоненциальном законе распределения:

Время восстановления ЭВМ как сложного объекта оценивают по показателям надежности

Входящих в него устройств: , где: - среднее время восстановления i-го устройства

При условии среднесуточной и непрерывной работы ЭВМ в течение года коэффициент технического использования:

Где: - время работы ЭВМ в течение суток (24 часа)

- среднесуточное время технического обслуживания и подготовки ЭВМ к работе

- среднее время восстановления

- наработка на отказ

- сбой ЭВМ

- среднее время потерь при сбое

- среднесуточное время потерь, связанных с ошибками оператора

При экспоненциальном распределении наработки на отказ То и времени восстановления, Тв коэффициент готовности:

где

При условии, что период приработки закончился, и при немедленном восстановлении

ЭВМ после отказа коэффициент готовности

22.2 Тепловой режим конструкции ЭВМ. Способы переноса тепловой энергии.

Тепловой (температурный) режим – пространственно-временное изменение температуры в КМ. Задачи его анализа сложны, поэтому будем рассматривать только стационарный режим.

Выделяемая активными элементами тепловая энергия может передаваться другим, имеющим более низкую температуру, пассивным элементам, деталям конструкции и отводиться в окружающую среду.

Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепловой энергии – теплообменом.

Тепловой режим зависит от:

•  температуры окружающей среды;

•  мощности источников и стоков тепловой энергии;

•  мощности системы принудительного отвода теплоты;

•  условий теплообмена (к ним относятся: размеры, форма, взаимное расположение элементов конструкции и теплофизические параметры материалов конструктивных элементов).

Тепловой режим называется нормальным, если температура компонентов не превышает допустимую. Нормальный режим обеспечивается при проектировании разработкой системы отвода тепловой энергии как для конструкции в целом, так и для ее элементов.

Теплота может передаваться:

•  кондукцией (теплопроводностью);

•  конвекцией;

•  излучением;

•  испарительным охлаждением.

Передача тепловой энергии от изотермической поверхности i с температурой Qi к изотермической поверхности j с температурой Qj, и наоборот, описывается уравнением:

или (1)

где Фi , Фj - теплота от тел i и j, [Вт],

Fi,j = Fj,i - тепловой (температурный) коэффициент, иногда трактуется как тепловое сопротивление.

Структура тепловых коэффициентов зависит от способа передачи энергии и условий теплообмена.

23.1 Емкостная составляющая перекрестной помехи. Способы ее уменьшения

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс наведения емкостной помехи, имеет вид:

где UпС – емкостная составляющая перекрестной помехи

В предположении линейно нарастающего фронта напряжения в активной линии

для 0< t £ tфU получим:

где Ua, tфU – перепад напряжения в активной линии и

продолжительность его фронта;

Знак емкостной помехи совпадает со знаком

фронта наводящего фронта.

При t = tфU помеха достигает максимального значения:

При t > tфU помеха начинает уменьшаться за счёт заряда ёмкостей:

Отрицательная помеха опасна, если воспринимающих элемент пассивной цепи находится в состоянии логической «1», положительная – если в состоянии логического «0».

P.S. Прошу прощения, со способами уменьшения не разобрался

23.2 Теплообмен кондукцией

Кондукция – передача теплоты посредством взаимодействия молекул тела или соприкасающихся тел. Если два участка тела или соприкасающиеся тела имеют разную температуру, возникает поток теплоты в сторону меньшей температуры.

Кондукция может происходить в жидкой или газообразной среде, а также между телом и средой, если нет движения среды или между телом и средой есть прослойка – пленка неподвижной среды.

Рассмотрим кондукцию на примере однородного твердого тела.

Теплообмен кондукцией описывается законом Фурье:

Где - удельная тепловая энергия

S – площадь изотермической поверхности

l – нормаль к изотермическим поверхностям

- удельная тепловая энергия

Проинтегрировав, получаем:

Если Фi = Фj = Фl =const, то Fi,j = Ri,j – трактуется как тепловое сопротивление:

Величина, обратная тепловому сопротивлению, называется тепловой проводимостью:

24.1 Показатели надежности восстанавливаемых ЭВМ

Восстанавливаемые ЭВМ характеризуются следующими величинами:

1. Параметром потока отказов.

2. Наработкой на отказ.

3. Наработкой на сбой.

4. Вероятностью безотказной работы.

5. Средним временем восстановления.

6. Коэффициентом технического использования.

7. Коэффициентом готовности.

1.Параметр потока отказов w(t) – плотность вероятности возникновения отказов в данный

момент времени, статистически определяемый как

где mi(t), mi(t+Dt) – число отказов каждого из образцов ЭВМ в моменты времени t и t+Dt

соответственно.

2. Наработка на отказ Tо – отношение наработки восстанавливаемой ЭВМ к мат.

ожиданию числа ее отказов в течение этой наработки. После окончания периода

приработки:

Статистически наработка на отказ (средняя): ,

где - наработка на r-й отказ i-й ЭВМ. - число отказов N ЭВМ.

3. Наработка на сбой Tсб – среднее значение наработки ЭВМ между сбоями.

Статистически определяют по предыдущей формуле, где - число сбоем N ЭВМ,

- наработка на r-й сбой i-й ЭВМ

4. Вероятность безотказной работы P(t,t) – вероятность отсутствия отказа в интервале

Времени (t+t). Данный показатель используется редко.

5. Среднее время восстановления Тв – мат. ожидание времени восстановления

работоспособности ЭВМ, статистически определяемое, как

где - время, необходимое для обнаружения и устранения i-го отказа.

m – число отказов.

6. Коэффициент технического использования Кт. и. – отношение мат. ожидания времени

работоспособного состояния ЭВМ к сумме мат. ожиданий времени работоспособного

состояния, тех. Обслуживания и ремонтов за некоторый период эксплуатации.

, где - время пребывания i-й ЭВМ в работоспособном состоянии,

N – число наблюдаемых ЭВМ, Тэкс – продолжительность эксплуатации.

7. Коэффициент готовности Кг – это вероятность того, что ЭВМ окажется в

работоспособном состоянии в любой момент времени, кроме периодов, в которые ее

использовать не планируют. Статистически

где - продолжительность работы, состоящая из чередующихся

интервалов времени работы и восстановления

24.2 Расчет теплового сопротивления корпуса ИС-каркаса блока.

Пусть площадь основания корпуса ИС Sк=18,5·6,2·10-6м2;

толщина зазора между корпусом ИС и шиной hз=0,4·10-3м;

Коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор

Ширина и толщина теплопроводящей зоны:

материал шины - медь, коэффициент теплопроводности

материал каркаса – сталь, коэффициент теплопроводности

удельная тепловая проводимость контакта шина-каркас (медь-сталь)

удельная тепловая проводимость контакта каркас-корпус блока (сталь-сталь)

Решение:

1. Тепловое сопротивление зазора

2. Найдем площадь поперечного сечения теплопроводящей шины и определим тепловые сопротивления:

3. Рассчитаем половину плозади контакта теплопроводящей шины с каркасом субблока и определим тепловое сопротивление контакта шина-каркас:

4. Находим тепловое сопротивление стенки каркаса субблока:

5. Считая половину площади контакта каркаса субблока с корпусом равной , подсчитаем тепловое сопротивление контакта:

6. Находим

7. Определим тепловое сопротивление ИС-корпус блока:

Возможно к этому же вопросу относятся слайды 4.39 и 4.40

25.1 Виды отказов из-за механических взаимодействий. Определение вида вибрационного воздействия и его свойств, влияющих на работоспособность ЭВМ.

Основные виды отказов:

•  замыкание электросоединений, например, при амплитуде колебаний печатной платы превышающей толщину зазора будет происходить соударение их компонентов и, как следствие, короткое замыкание проводящих элементов;

•  отрывы паяных и сварных соединений выводов микросхем, проводов не закрепленных жгутов;