Теоретические основы конструирования, технологии и надежности (стр. 4 )

Рецензенты:

, технический директор унитарного предприятия «Измерительные приборы и системы»;

, профессор кафедры электронных вычислительных средств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» канд. техн. наук;

Кафедра общетехнических дисциплин Учреждения образования «Минский государственный высший радиотехнический колледж» (протокол от 01.01.2001 г.)

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой радиоэлектронных средств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол от 01.01.2001 г.);

Научно-методическим советом по группе специальностей IКонструкции радиоэлектронных средств УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол №1 от 01.01.2001 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.105-98.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Конструирование радиоэлектронных устройств» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.105-98 для специальностей IМоделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств, IПроектирование и производство радиоэлектронных средств высших учебных заведений. Она предусматривает изучение конструкции радиоэлектронных аппаратов различного назначения, предназначенных для работы на разнообразных объектах в разных условиях внешней среды. Целью курса является изучение конструкций РЭУ и их влияния на эффективность работы радиотехнических устройств и систем, изучение методики конструирования РЭУ для обеспечения высокого уровня технических и эксплуатационных характеристик, технологичности, микроминиатюризации. В результате изучения курса студент получает знания и практические навыки разработки оптимальных конструкции в соответствии с задачами повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции.

В результате изучения курса студент должен:

знать:

-  основные научно-технические проблемы конструирования РЭУ;

-  основные этапы конструкторского проектирования и методы оптимизации конструкторских решений;

-  основные физические процессы, определяющие функционирование РЭУ (электромагнитные, тепловые, механические);

-  основные принципы построения РЭУ различных классов и конструктивных уровней;

уметь характеризовать:

-  конструкции РЭУ с учетом ремонтопригодности, надежности, технологичности и экономических показателей;

уметь анализировать:

-  основные тенденции, направления развития и совершенствования конструкций РЭУ;

приобрести навыки:

-  правильного оформления конструкторской документации в соответствии с ЕСКД;

-  использования в процессе конструирования математических моделей и методов их оптимизации;

- разработки конструкций блоков РЭУ различного функционального назначения с учетом оценки эффективности конструкторско-технологических решений;

- использования методологии и организации автоматизированного конструкторского проектирования при системном подходе к выполнению разработок, иерархических принципов в конструировании, комплексной микроминиатюризации, методов компоновки.

Программа рассчитана на объем 260 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций - 179 ч., лабораторных работ - 33 ч., практических занятий - 16 ч.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭУ

Тема 1.1. Конструирование РЭУ, радиоэлектроника и общество

Роль и задачи конструктора. Определение конструкций радиоэлектронных устройств (РЭУ). Краткая историческая справка. Заказчики, разработчики, исполнители, поставщики, служба сбыта, потребители. Классификация радиоэлектронной аппаратуры по назначению, объектам установки, условиям применения и конструктивным признакам. Определение процесса конструирования. Конструирование как область науки и техники. Ведущая роль радиоконструкторов в создании современных радиоэлектронных приборов и систем. Микроминиатюризация РЭУ как одно из важнейших направлений в конструировании. Качество конструкций, определение, основные характеристики, определение технологичности конструкций. Результат конструирования - создание комплекта документации, предназначенной для производства аппаратуры.

Классификация РЭУ по назначению. Классификация условий эксплуатации РЭУ. Влияние дестабилизирующих факторов на работоспособность РЭУ и их характеристика (субъективные, объективно-климатические, механические, электрические, радиационные, климатические). Характеристика климатических воздействий (климат, температура, влага, давление, пыль, песок, солнечная радиация).

Тема 1.2 Механические воздействия в конструкциях РЭУ

и методы защиты

Параметры гармонических и случайных вибраций. Параметры ударных нагрузок и акустических шумов. Методы измерения параметров механических воздействий.

Методы воспроизведения механических воздействий на испытательных стендах. Методы воспроизведения ударных нагрузок и линейных ускорений.

Виды реакций РЭУ на механические воздействия. Реакция резисторов и конденсаторов на механические воздействия. Реакция катушек индуктивности, жгутовых и кабельных соединений на механические воздействия.

Реакция разъемных и контактных соединений на механические воздействия. Производственные механические воздействия.

Динамические характеристики конструкций и элементов РЭУ. Основные динамические характеристики блоков РЭУ. Определение собственных частот блоков РЭУ.

Определение собственных частот электроэлемента (ЭРЭ). Расчет собственных частот печатных плат (ПП).

Определение вынужденных колебаний элементов в конструкциях РЭУ. Методы оценки прочностных свойств элементов конструкций. Экспериментальные методы определения напряженного состояния элементов конструкции.

Способы виброзащиты конструкций РЭУ. Виброзащита полупроводниковых приборов и ЭРЭ. Использование заливки и вибропоглощающих покрытий.

Схемы монтажа блоков на виброизоляторах. Разновидности конструкций виброизоляторов. Статический расчет системы виброизоляции.

Динамический расчет системы виброизоляции. Реакция РЭУ на ударные нагрузки. Динамический расчет системы изоляции ударных нагрузок.

Методика расчета вибропрочности несущих конструкций. Методы расчета конструкций с использованием ЭВМ (метод конечных элементов).

Метод расчета конструкций с использованием ЭВМ (метод конечных разностей).

Моделирование конструкций РЭУ на аналоговых ЭВМ.

Тема 1.3. Теплообмен в конструкциях РЭУ

Основные законы теплообмена. Теплообмен теплопроводностью. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Закон Фурье.

Теплопроводность плоской стенки. Теплопроводность цилиндрической стенки. Теплопроводность сферической поверхности. Теплопроводность плоской стенки с внутренним источником теплоты. Теплопроводность цилиндрической стенки с внутренним источником теплоты.

Теплопроводность многослойной стенки. Теплопроводность в ребре постоянного сечения. Теплопроводность стержня. Тепловое сопротивление.

Конвективный теплообмен. Основы теории подобия. Критериальные уравнения.

Теплоотдача в неограниченном пространстве. Частные случаи конвективного теплообмена.

Конвекция в ограниченном пространстве. Конвекция в вертикальном канале.

Теплообмен конвекцией при давлениях, отличных от нормального. Вынужденная конвекция при внешнем обтекании тел.

Тепловые модели конструкций РЭУ. Методы перехода от реальных конструкций к их тепловым моделям. Принцип местного влияния, принцип суперпозиции тепловых полей.

Методы расчета тепловых режимов конструкций РЭУ: метод дифференциальных уравнений, тепловых сопротивлений, коэффициентный метод.

Температура корпуса герметичного радиоэлектронного аппарата, температура нагретой зоны герметичного радиоэлектронного аппарата.

Температурный режим радиоэлектронного аппарата в перфорированном корпусе с естественной конвекцией.

Температурный режим радиоэлектронного аппарата с принудительной вентиляцией.

Температурный режим радиоэлектронного аппарата кассетной конструкции.

Нестандартный тепловой режим радиоэлектронных аппаратов.

Инженерные методики расчетов тепловых режимов радиоэлектронных аппаратов. Вынужденная конвекция в трубках и каналах.

Теплообмен излучением. Законы Планка, Релея-Джинса, Вина. Законы Стефана – Больцмана, закон Ламберта.

Излучение черных тел, «серое» тело. Закон Кирхгофа для излучения. Теплообмен излучением между параллельными пластинами, разделенными прозрачной средой.

Солнечное излучение.

Теплообмен при конденсации и кипении жидкости. Теплоотдача при ламинарном стекании пленки конденсата. Теплоотдача при турбулентном стекании пленки конденсата. Теплоотдача при кипении жидкости.

Аналогия процессов переноса тепла и электричества. Законы Ома, контурных токов, Кирхгофа и их использование для решения тепловых схем.

Системы обеспечения тепловых режимов радиоэлектронных аппаратов. Классификация систем охлаждения РЭУ.

Конструкции воздушных систем охлаждения. Охлаждение стоек, шкафов, пультов с РЭУ.

Охлаждение блоков РЭУ кассетной конструкции, книжной конструкции.

Охлаждение стационарной и передвижной наземной РЭУ. Охлаждение самолетной, космической и судовой РЭУ.

Методы измерения температуры.

Методы моделирования тепловых процессов в конструкциях РЭУ на ЭВМ.

Тема 1.4. Обеспечение защиты РЭУ от влаги

Атмосферная коррозия деталей. Стойкость материалов к атмосферной коррозии. Влагостойкость металлов и пластмасс. Процесс растворимости воды в полимерах. Закон Генри.

Термопластичные органические материалы и их характеристики.

Термореактивные органические материалы и их характеристики. Резины и эбониты и их параметры.

Защита от влаги с помощью покрытий. Металлические покрытия. Цинковое, кадмиевое, никелевое, хромовое, медное, оловянное покрытия, покрытия благородными металлами.

Анодно-окисные покрытия. Химические окисные покрытия. Лакокрасочные покрытия и их свойства. Покрытия меламиновые. Пентафталевые и глифталевые покрытия. Перхлорвиниловые, нитроцеллюлозные покрытия. Эпоксидные, полиакриловые, фенольные, битумные покрытия.

Герметизация РЭУ. Виды герметизации. Пропитка. Назначение, особенности конструкций пропитываемых изделий. Основные свойства пропиточных материалов.

Обволакивание и заливка. Расчет внутренних напряжений в компаундах при заливке. Методы снижения внутренних напряжений в компаундах. Основные свойства компаундов и рекомендации по их применению.

Разъемная герметизация. Особенности проектирования металлических уплотнителей. Особенности проектирования резиновых уплотнителей. Корпусы, крышки и их соединения. Расчет качества герметизации.

Неразъемная герметизация. Неразъемная герметизация сваркой и пайкой. Проходные изоляторы для герметизированных корпусов. Расчеты герметичности. Расчет усилия обжатия. Расчет утечки.

Раздел 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭУ

Тема 2.1. Методы конструирования РЭУ

Особенности методов конструирования РЭУ. Схема разработки эффективной РЭУ. Классификация видов связей в РЭУ.

Сложившиеся методы конструирования РЭУ. Геометрический, машиностроительный, топологический методы, метод моноконструкций, базовый и эвристический методы, метод автоматизированного проектирования.

Тема 2.2. Конструкторская документация

Конструкторские документы и их классификация. Стадии разработки конструкторской документации. Техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект.

Виды и комплектность конструкторских документов. Виды и типы изделий. Рабочая конструкторская документация. Схемная документация. Текстовые документы.

Методы активизации технического творчества при конструировании.

Метод «мозгового штурма», морфологический метод, диаграмма идей, инверсия, эмпатия.

Составляющие творческой деятельности: уяснение цели, «генерирование» идей, отбор целей и анализ. Многошаговый синтез через анализ. Принятие решений в условиях неопределенности.

Тема 2.3. Элементная база при конструировании РЭУ

Элементная база 1-го, 2-го, 3-го, 4-го поколений. Элементная база 5-го поколения – программируемая логика, микропроцессоры, устройства функциональной электроники.

Тема 2.4. Конструирование печатного монтажа

Методы монтажа, применяемые в мировой практике. Виды монтажа: объемный, тонкопроводный, с помощью пружинных скоб, спрессовкой, штырей на печатных платах, накруткой, методом «Малтиуайр».

Общие понятия, классификационные признаки и основные конструкторско-технологические разновидности печатных плат. Терминология.

Выбор материалов для печатных плат. Общие сведения о материалах для печатных плат. Фольгированные медью материалы для жестких печатных плат. Материал на основе бумаги, пропитанной диоксидной смолой. Стекломат, пропитанный полиэфирной смолой. Материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. Фольгированные материалы для гибких печатных плат. Полиэфирная пленка. Полиимидная пленка. Фторированная этиленпропиленовая пленка.

Варианты установки ЭРЭ на ПП. Компоновка элементов на ПП. Выбор соединителей. Разработка несущих конструкций для ПП.

Конструкторские чертежи печатной платы. Размеры. Обработка по контуру. Технологическая зона. Отверстия. Базы при нанесении размеров. Виды размеров. Способы нанесения размеров. Свободные и сопряженные размеры. Цепной и координатный методы нанесения размеров. Методы прецедентов: метод подобия и расчетный метод при оформлении конструкторской документации на печатные платы.

Назначение допусков на размеры при проектировании элементов печатной платы. Методы простановки допусков. Посадки. Виды посадок. Правила проводки проводников. Длина проводников. Штриховка проводников. Маркировка на ПП.

Типовые технические требования по ПП.

Функциональные узлы (ФУ). Комплект конструкторских документов на ФУ. Конструкторские расчетные соотношения на ФУ с микросхемами. ФУ общего и частного применения. Моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой, функционально-узловой методы конструирования печатных плат.

Типовые технические требования на конструкцию сборочного печатного узла.

Алгоритм разработки печатной платы. Расчетные соотношения при конструировании печатных плат для расчета размеров элементов конструкции печатных плат.

Электромагнитная совместимость в ПП. Причины возникновения проблемы. Пути решения проблемы. Виды помех. Влияние связей на работу элементов конструкции. Емкостные связи. Индуктивные связи. Расчет величины паразитных емкостей. Расчет величины индуктивностей. Помехи из-за рассогласования. Помехи из-за поверхностного эффекта.

Конструкторские основы обеспечения ЭМС. Экранирование: электростатические экраны, магнитостатическое экранирование, электромагнитное экранирование. Примеры конструкций экранов. Подавление помех по цепям питания. Заземление.

Новые платы тонкопроводного монтажа. Печатная плата с металлическими основаниями.

Особенности конструирования многослойных печатных плат (МПП). Задачи МПП. Материалы, перекрестные помехи в МПП. Методы получения МПП. Особенности оформления конструкторской документации по МПП.

Тема 2.5. Компоновка изделий РЭУ

Способы выполнения компоновочных работ: номографический, аппликационный, модельный, графический, натуральный. Компоновочные критерии: по надежности, тепловому режиму, размещению, технологичности, по технологичности и стоимости, критерий функционирования и т. д.

Классификация компоновок. Централизованные и децентрализованные компоновки систем. Многоблочные и одноблочные приборы. Секции, пульты, стойки (щитовые, шкафные). Конструктивная иерархия.

Типовая структурная схема компоновки изделия на основе принципа "от общего к частному". Разработка пространственной структуры изделия. Выбор способа трассировки. Выбор конструктивных вариантов электрических и механических соединений модулей низшего уровня. Уточнение габаритных и посадочных размеров, модулей низшего уровня и определение размеров самого изделия. Разработка ТЗ на конструирование модулей низшего уровня.

Тема 2.6. Технологичность конструкции

Исходные положения при обработке изделия с точки зрения технологичности. Конструктивные и технологические задачи отработки изделия на технологичность. Технологичность изделия с точки зрения монтажа, сборочных и настроечно-регулировочных операций. Значение отработки конструкции деталей (точечных, штамповочных, литых, сварных и др.) с точки зрения их технологичности.

Оценка технологичности всего изделия и его составных частей. Определение обобщенных (интегральных) показателей технологичности изделия.

Тема 2.7. Конструирование системы, ряды и стандартизация

Определение ряда типоразмеров несущих конструкций блоков. Электрические соединения в конструкциях РЭУ. Типовые технологические требования для РЭУ с объемным и печатным монтажом. Разработка сборочного чертежа устройства. Упрощения на сборочных чертежах. Соединения на сборочных чертежах устройств РЭУ. Типовые технические требования на сборочных чертежах изделий, полученных сваркой. Спецификации к сборочным чертежам. Деталирование сборочного чертежа. Конструкторский анализ схемы Э3. Эксплуатационные требования к конструкции РЭУ. Выбор способа монтажа при конструировании РЭУ. Типовые технические требования к детали, полученной методом отливки. Типовые технические требования к чертежам деталей из заготовок. Типовые технические требования к деталям из профильной пластмассы.

Тема 2.8. Конструирование несущих конструкций РЭУ

Структура несущих конструкций РЭУ. Основные конструктивные уровни РЭУ и соответствующие конструкции.

Конструктивно-технологические требования к несущим конструкциям. Основные материалы несущих конструкций.

Жесткость деталей несущих конструкций.

Прочность деталей несущих конструкций при переменных нагрузках.

Устойчивость элементов несущих конструкций.

Конструирование деталей и узлов НК. Неразъемные соединения в НК.

Разъемные соединения в несущих конструкциях.

Компоновка конструктивных модулей первого уровня.

Компоновка модулей второго уровня.

Типовые несущие конструкции РЭУ.

Допуски и посадки деталей РЭУ. Взаимозаменяемость деталей и размерные цепи. Допуски и посадки гладких цилиндрических и плоских соединений. Отклонения формы и расположения поверхностей деталей. Размерные цепи.

Выбор допусков и посадок на типовые детали и соединения РЭУ. Детали несущих конструкций. Платы, корпуса, крышки. Детали опор. Опоры качения и скольжения. Детали коммутационных устройств. Детали отсчетных устройств. Детали из керамики, пластмасс, резины. Детали из отливок цветных металлов и сплавов.

Тема 2.9. Компоновка, конструирование

и микроминиатюризация блоков и стоек

Основные компоновочные схемы блоков и стоек, согласованные с моделями первого уровня. Элементы механического крепления, фиксации. Конструкции РЭУ. Унификация и стандартизация несущих конструкций.

Тема 2.10. Конструирование электрического монтажа

Общие сведения о проектировании электромонтажного чертежа устройства. Выбор и монтаж проводов, укладка и вязка жгутов. Монтаж навесных элементов. Обеспечение электрической прочности соединений.

Тема 2.11. Электромагнитная совместимость

Источники возникновения помех в РЭУ. Электромагнитная обстановка.

Понятие о совместимости и экранировании. Влияние нежелательных электрических связей на работу элементов конструкции. Электростатическое экранирование. Магнитостатическое экранирование. Эффективность экранирования плоского экрана. Эффективность экранирования цилиндрического экрана. Эффективность экранирования сферического экрана. Развязывающие фильтры. Экранное заземление. Разновидности объемного монтажа, применяемые при разработке РЭУ.

Источники возникновения помех в РЭУ. Оценка работы конденсаторов и резисторов при воздействии помех. Физические процессы в активных компонентах при воздействии помех.

Влияние помех на цифровые схемы. Влияние помех на аналоговые схемы.

Схемы сопряжения при воздействии помех. Помехи в источниках питания.

Емкостная паразитная связь. Индуктивная паразитная связь. Паразитная связь через общее сопротивление.

Электромонтаж и паразитные связи. Оценка воздействия радиопомех мощных источников сигнала.

Электромагнитный импульс ядерного взрыва. Формирование электромагнитного импульса в случаях наземного и высотного ядерных взрывов и взрыва на малой высоте.