Расчет показателей качества разработанной конструкции блока (стр. 3 )

На 2ФЯ установлены 3 МСБ, следовательно, рассеиваемая мощность 2ФЯ равна .

Согласно ТУ на 1ФЯ (блок питания М3 и контроллер М2) она рассеивает приблизительно

Общая мощность, рассеиваемая блоком :

6.1.5. Определение температур элементов и компонентов МСБ, ФЯ.

Определим температуру детали 3ФЯ:

Определим температуру печатной платы 3ФЯ:

Определим температуру подложки одной МСБ:

Определим температуру одной безкорпусной ИМС 765КП1-1:

Определим температуру одного тонкопленочного резистора:

Учитывая, что конденсатор припаян к подложке (пайка имеет относительно большую протяженность) можно утверждать, что температура конденсатора равна температуре подложки.

("12") Определим температуру детали 2ФЯ:

Определим температуру печатной платы 2ФЯ:

Определим температуру подложки одной МСБ:

Определим температуру одной безкорпусной ИМС 765КП1-1:

Определим температуру одного тонкопленочного резистора:

Учитывая, что конденсатор припаян к подложке (пайка имеет относительно большую протяженность) можно утверждать, так же, как и в предыдущем случае, что температура конденсатора равна температуре подложки.

Определим температуру 1ФЯ:

В результате тепловых расчетов были получены следующие температуры элементов и компонентов МСБ для разных ФЯ, а так же температура 1ФЯ:

Для сравнения расчетных значений температур с допустимыми сведем их в таблицу 6.1. Данные о допустимых значениях температуры взяты из таблицы 4.4. (данные по тонкопленочным резисторам взяты из [22]).

Таблица 6.1.

ФЯ, элемент, компонент МСБ	Расчетное значение температуры, °С	Допустимое значение температуры, °С
1ФЯ	58,12	88,0
2ФЯ - ИМС765КП1-1	57,16	85,0
2ФЯ - тонкоплен. резистор	57,16	100,0
2ФЯ - конденсатор КВ	57,16	85,0
ЗФЯ - ИМС765КП1-1	56,89	85,0
ЗФЯ - тонкоплен. резистор	56,89	100,0
ЗФЯ - конденсатор КВ	56,89	85,0

("13") Как видно из сравнения расчетных значений температур с допустимыми, температуры всех элементов, компонентов МСБ и 1ФЯ значительно ниже допустимых. Следовательно, элементная база выбрана правильно, конструкция блока обеспечивает отвод тепла от тепловыделяющих элементов даже при отсутствии конвективного теплообмена и теплообмена излучением внутри корпуса блока (блок залит пенопластом).

Вывод: Тепловой режим блока нормальный.

6.2. Расчет вибропрочности блока.

В процессе эксплуатации блок подвергается механическим воздействиям (согласно п. 5.7. ТЗ вибрации в диапазоне частот от 3 до 2500 Гц при ускорении до 49 м/с2, линейные нагрузки до 147м/с2).

Конструкция блока считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы, а допустимая виброперегрузка на резонансной частоте превышает перегрузку, указанную в ТЗ.

В состав конструкции блока входят три ФЯ:

- 1ФЯ (Модули М2 и М3, выполненные на печатной плате из стеклотекстолита СТФ-1, толщина 1,5 мм). Так как эта ФЯ является для нас "черным ящиком", рассчитывать ее на вибропрочность не будем. Необходимо отметить, что данная ячейка выпускается серийно, и она рассчитана на работу в составе ракетно-космической аппаратуры (т. е. при наших условиях эксплуатации).

- 2ФЯ(1 МСБ - модуль M1, 2 МСБ - модули М4) - выполнена в виде пластины, на которую через защитную прокладку наклеены печатные платы (с 2-х сторон пластины) на одной из которых установлены МСБ, а другая является коммутационной. На коммутационную плату (со стороны 1ФЯ) наклеивается (так же через защитную прокладку) экран.

- 3ФЯ(2 МСБ - модули М4) - также выполнена в виде пластины на которую через защитную прокладку наклеена печатная плата с установленными на ней МСБ.

Так как жесткость 2ФЯ значительно выше жесткости 3ФЯ (за счет коммутационной платы, прокладки и экрана), то будем рассчитывать вибропрочность 3ФЯ, исходя из принципа наихудшего случая.

Более подробно рассмотрим конструкцию 3ФЯ рис.6.5. На деталь основания ФЯ, выполненную из сплава Амг3 клеится защитная прокладка, к которой в свою очередь клеится печатная плата(ПП) с элементами. Деталь основания (рис. 65.) представляет собой пластину с размерами 112х90мм, толщиной 2 мм, по углам пластины сделаны выступы, позволяющие уменьшить занимаемое место 3ФЯ в блоке (т. е. "утопить" ее как можно ближе к основанию корпуса). Деталь основания ФЯ крепится к установочным бобышкам при помощи 4-х отверстий, расположенных на выступах ФЯ.

На основание ФЯ наклеивается защитная диэлектрическая прокладка, выполненная из полиимида ПМ (толщина прокладки 0,1 мм), габаритные размеры прокладки совпадают с габаритными размерами детали основания ФЯ (в 4-х углах прокладки сделаны вырезы размером 12x12 мм для 4-х выступов детали основания ФЯ).

На защитную прокладку наклеивается ПП ФЯ, выполненная из фольгированного полиимида ПФ-2 (толщина ПП 0,23 мм). ПП выступает за габариты основания ФЯ (выступающие части - печатные разъемы, предназначенные для коммутации 3ФЯ с другими ФЯ и внешними разъемами). Учитывая незначительную площадь выступов, а так же учитывая жесткость ПП, не будем учитывать эти выступы в расчете вибропрочности ФЯ. Поэтому, будем полагать, что размеры ПП совпадают с размерами защитной прокладки. Во всех случаях используется одна и та же мастика - У-9М. Толщина слоя мастики - 0,1 мм. Так как мастика обладает достаточно хорошими демпфирующими свойствами, то при расчете вибропрочности ФЯ ее можно не учитывать.

Тогда цилиндрическая жесткость 3ФЯ запишется как:

где - цилиндрическая жесткость основания ФЯ на изгиб;

- цилиндрическая жесткость защитной прокладки на изгиб;

- цилиндрическая жесткость ПП на изгиб;

Такое допущение позволяет осуществить переход от сложной конструкции ФЯ к модели эквивалентной прямоугольной пластины.

("14") Частота свободных колебаний основного тона эквивалентной пластины может быть найдена по формуле Рэлея [7]:

где - коэффициент, характеризующий зависимость частоты свободных колебаний эквивалентной пластины от краевых условий;

- большая сторона эквивалентной пластины. В нашем случае, (большая

сторона ФЯ);

- масса элементов, приведенная к площади ФЯ;

- масса ПП, приведенная к площади ФЯ;

- масса защитной прокладки, приведенная к площади ФЯ;

- масса основания ФЯ, приведенная к площади ФЯ;

- масса слоя клея, приведенная к площади ФЯ;

Определим цилиндрическую жесткость детали основания ФЯ. Основание ФЯ приведено на рис.6.5. Расчет цилиндрической жесткости основания на изгиб производится по формуле:

,

где - модуль упругости основания ФЯ. Для АМг3 =71ּ109 Па [9];

- момент инерции сечения основания ФЯ в плоскости изгиба;

- ширина сечения;

- коэффициент Пуассона. Для АМг3 =0,29 [9];

В случаях сложной конфигурации деталей момент инерции сечения определяют как сумму осевых и центробежных моментов элементарных сечений правильной геометрической формы, на которые разбивается исходное сечение:

где - осевой и центробежный моменты -го элементарного сечения, соответственно;

- площадь этого сечения;

("15") -расстояние в плоскости изгиба сечения между центрами тяжести 1-го элементарного сечения и сечения несущей конструкции (рамки, обечайки и т. д.);

При выборе сечения ФЯ обычно исходят из принципа наихудшего случая: жесткость конструкции на изгиб в сечении должна быть минимальной, что позволяет найти самую низкую частоту свободных колебаний конструкции ФЯ.

В нашем случае жесткость в сечениях, проходящих через выступы в детали основания ФЯ, будет наибольшая. Наименьшая же жесткость будет в сечении А-А (см. рис. 5.5.). Учитывая это, при расчетах будем использовать сечение А-А, для которого момент инерции будем определять будем определять также, как и для прямоугольной пластины:

,

где - ширина сечения;

-толщина детали основания ФЯ, ;

С учетом этого, цилиндрическая жесткость основания ФЯ запишется как:

Определим цилиндрическую жесткость защитной диэлектрической прокладки. Для полиимида ПМ модуль упругости , а коэффициент Пуассона [9]. Толщина полиимида ПМ ;

Определим цилиндрическую жесткость ПП ФЯ. Для полиимида фольгированного ПФ-2 модуль упругости , а коэффициент Пуассона [9].

Толщина ПП

Тогда суммарная цилиндрическая жесткость 3ФЯ на изгиб:

Определим площадь ФЯ:

Определим массу элементов, расположенных на ПП, приведенную к площади ФЯ:

Определим массу ПП, приведенную к площади ФЯ:

("16") ,где - плотность полиимида фольгированного ПФ-2, [9].

-площадь ПП, (данные из раздела "Разработка конструкции ФЯ");

-толщина печатной платы, ;

Определим массу защитной прокладки, приведенную к площади ФЯ:

, где -плотность полиимида ПМ, [9].

- площадь прокладки,

-толщина полиимида, ;

Определим массу слоев мастики (два слоя), приведенную к площади ФЯ:

,

где - плотность мастики У-9М, [9].

- площадь слоя мастики,

- толщина слоя мастики, ;

Определим массу детали основания ФЯ, приведенную к ее площади:

где - плотность сплава АМг3, [9];

- площадь 3ФЯ;

- толщина 3ФЯ, ;

("17")

Определим коэффициент , характеризующий зависимость частоты свободных колебаний эквивалентной пластины от краевых условий. Для этого определим отношение сторон эквивалентной пластины:

Так как ФЯ крепится в четырех точках по углам (рис.6.5.), то расчетная модель закрепления ФЯ будет с свободным опиранием всех четырех сторон (рис.6.6.).

Для случая свободного опирания эквивалентной пластины (ФЯ), коэффициент находится следующим образом [7]:

Определим собственную частоту колебаний 3ФЯ:

Определим значения допустимых перегрузок на резонансной частоте. Допустимая перегрузка по амплитуде:

, где - допустимая величина прогиба ФЯ, м;

- коэффициент динамичности конструкции;

- ускорение свободного падения, =9,806 м/с2

Допустимая перегрузка по виброскорости :

, где - допустимая величина виброскорости ФЯ, м/с.

Учитывая, что в нашем случае деталь основания ФЯ имеет максимальную цилиндрическую жесткость (на порядок больше, чем жесткость ПП и защитной прокладки), то при деформации детали основания ФЯ, ПП будет деформироваться приблизительно на туже величину. При низкочастотных вибрациях (f=5..50 Гц) при вибрационной перегрузке элемента при резонансе амплитуда вибраций лежит в пределах 40...0,3 мм. На частоте вибрации 1000 Гц при прежнем значении виброперегрузки амплитуда вибраций [7]. В нашем случае вибрация лежит в диапазоне частот от 3 до 2500 Гц, поэтому, исходя из принципа наихудшего случая, выбираем . Допустимую величину виброскорости выбираем из тех же соображений, [7].

Коэффициент динамичности для нашего типа конструкции (микроблоки пенального типа) равен 40 [1].

Определим значения допустимых перегрузок на резонансной частоте ФЯ:

Согласно требованиям Т3 (п.5.7) блок должен сохранять работоспособность при вибрации в диапазоне частот от 3 до 2500 Гц при ускорении до 49 м/с2 (=5), а также при линейных нагрузках до 147 м/с2 (=15).

("18") Сравним полученные расчетным путем значения допустимых перегрузок с заданными в ТЗ.

Условие вибропрочности конструкции выполняется, если:

В результате расчетов были получены два значения допустимых перегрузок: для амплитуды () и для виброскорости (). Из этих двух значений выбираем минимальное - .

Согласно условиям ТЗ =5, =15. Из этих двух значений выбираем максимальное -=15.

Проверка условия:

Вывод: Условие вибропрочности конструкции не выполняется.

Проверим отсутствие в конструкции механических резонансов. Отсутствие в конструкции механических резонансов характеризуется следующим соотношением собственной частоты ФЯ и верхней частоты диапазона внешних вибрационных воздействий, заданных в ТЗ: .

Согласно требованиям ТЗ,

Проверка условия:

Вывод: В конструкции присутствуют механические резонансы.

Невыполнение этих двух условий позволяет сделать вывод о том, что разработанная конструкция ЗФЯ не вибропрочна, следовательно, блок не вибропрочен.

Проанализируем способы повышения вибропрочности конструкции блока. Уменьшение габаритов ФЯ способствует повышению вибропрочности, однако это накладывает существенные ограничения на трассировку печатных плат, что приводит к увеличению количества ФЯ в блоке и, как следствие, увеличение массы и габаритов блока (которые ограниченны ТЗ). Увеличение точек крепления ФЯ (с 4-х до 6-ти) также способствует увеличению вибропрочности, но это приводит к заметному увеличению массы блока. Увеличение массы также будет происходить в случаях увеличения толщин деталей ФЯ, применения более жестких материалов и т. д.

В разделе "Анализ ТЗ" было рекомендовано увеличить вибропрочность блока за счет применения заливочного компаунда.

В настоящее время для обеспечения вибропрочности ракетно-космической аппаратуры применяют заливку внутренних объемов блоков пенопластами. Заливка внутриблочного объема пенопластом позволяет значительно увеличить вибропрочность конструкции, свести к минимуму собственные частоты ФЯ. Фактически, после заливки конструкция блока представляет собой монолит. Использование пенопластов с плотностями порядка (0,1...0,4)ּ103кг/м3 позволяет минимизировать увеличение массы блока после заливки. В разделе "Выбор конструкционных материалов" для заливки блока был выбран пенопласт ПЭ-9 ( [10]).

Вывод: Рекомендации о необходимости заливки блока герметиком были приведены в разделе "Анализ ТЗ", и они подтверждаются расчетом вибропрочности блока. Использование заливки является оптимальным и эффективным способом увеличения вибропрочности для ракетно-космической аппаратуры. С учетом заливки блока КМ1 пенопластом ПЭ-9 считаем, что конструкция блока вибропрочна.

preview_end()