Расчет теплового режима блока

3.1.2.2. Расчет теплового режима блока.

Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необходимых для оценки надежности. Расчет тепловых полей внутри блока невозможен из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при расчете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета. Расчет проводится для наиболее критичного элемента, т.е элемента допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образующих нагретую зону. Конструкция РЭА заменяется её физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_н.з и рассеиваемую тепловую мощность P_н.з. Расчет теплового режима блока производят в 2 этапа: определение температуры корпуса блока t_к и определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з. Для выполнение расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные:

размеры корпуса:

ширина B=0,05 м

длина L=0,09 м

высота H=0,03 м

размеры нагретой зоны lbh, 0,0850,0400,020

величина воздушных зазоров между:

нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса h_н=0,005 м

нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса h_в=0,005 мм

мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Р_о=1 Вт

мощность радиоэлементов, расположенных непосредственно на корпусе блока Р_к=0,8 Вт

температура окружающей среды t_о=60^оС

Этап 1. Определение температуры корпуса.

Рассчитываем удельную поверхность мощность корпуса блока:

qк=Po/Sк

(2.0)

где S_к — площадь внешней поверхности корпуса блока

Sк=2(HB+BL+HL)

(2.1)

S_к=2(0,030,05+0,050,09+0,030,09)=0,0087 м²

q_к=1/0,0087=11,4 Вт/м

Перегрев корпуса блока в первом приближении t_к=2 ^оС

Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней _лв, боковой _лб, нижней _лн поверхностей корпуса:

лi=Еi5,67[()4–()4]/tк

(2.2)

где Е_i — степень черноты i-й наружной поверхности корпуса, для боковой и верхней поверхностей Е = 0,92

При расчете получилось:

_лв=5,4;

_лб=5,4;

_лн=5,4.

Для определяющей температуры t_m=t_o+0,5t_к=61^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

Grmi = m g tк

(2.3)

где L_опрi — определяющий размер i-й поверхности корпуса,

_m — коэффициент объемного расширения, для газов

_m = (t_m+ 273)^-1= 0,003,

g — ускорение свободного падения, g=9,8 мс^-2;

V_m — кинетическая вязкость газа, V_m=16,9610^-6 м²/с;

Gr_mв=0,0039,8∙2=2,6

Gr_mб=0,0039,8∙2=0,09

Gr_mн=0,0039,8∙2=2,6

Определяем число Прандтля Рч, Рч=0,701

Находим режим движения газа, обтекающего каждую поверхность корпуса:

(GrРч)_mв=(GrРч)_mн=1,8

(GrРч)_mб=0,06

Так как (GrРч)_m510², то режим переходный к ламинарному.

Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока _кi:

кi=1,18(GrРч)1/8mNi

(2.4)

где _m — теплопроводность газа, _m=2,6810^-2 Вт/мК

N_i – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

N_i=

_кв=1,183,8^1/81,3=0,53

_кб=1,180,31^1/81=0,69

_кн=1,183,8^1/80,7=0,28

Определяем тепловодную проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой G_к:

Gк=(кн+лн)∙Sн+(кб+лб)∙Sб+(кв+лв)∙Sв

(2.5)

где S_н, S_б, S_в — площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса соответственно

S_н=S_в=LB=0,0015 м²

S_б=2H (L+B) = 20,05 (0,115+0,03)=0,0084 м²

При расчете получилось:

G_к=0,332

Рассчитываем перегрев корпуса блока во втором приближении t_ко:

tко = (Ро/Gк) КкпКн1

(2.6)

где К_кп — коэффициент зависящий от коэффициента перфорации корпуса блока,

К_кп=0,6

К_н1—коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды,

К_н1=1

Расчет: t_ко=(0,6/0,332)0,61=1,8^оС

Определяем ошибку расчета:

=/tко

(2.7)

Так как f_в, то обеспечивается защищенность конструкции велоодометра от вибрационных воздействий, за счет отстройки собственной частоты печатного узла от максимальной частоты внешних вибрационных воздействий.

2) Расчет на действие удара

Движение системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы, движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара.

а) Определяем условную частоту ударного импульса:

(3.4)

где — длительность ударного импульса, с.

b) Определяем коэффициент передачи при ударе:

Ку=2 sin

(3.5)

где — коэффициент расстройки,

=

(3.6)

Для первой платы:

=314,16 /2π96,4=0,519

К_у=2·sin=0,106;

Для второй платы:

=314,16 /2π85,7=0,583

К_у=2·sin=0,094;

c) Рассчитываем ударное ускорение:

=HуКy

(3.7)

где Н_у — амплитуда ускорения ударного импульса

Для первой платы:

=20,1g0,106=2,13 g

Для второй платы:

=20,1g0,094=1,89 g

d) Определяем максимальное относительное перемещение:

Zmax=·sin

(3.8)

Для первой платы:

Z_max=·sin=0,003 м

Для второй платы:

Z_max = ·sin=0,004 м

e) Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. , где определяется из анализа элементной базы, =45 g.

Z_max3,024

Определение прогиба ПП при одновременном воздействии линейных ускорений и вибраций:

Z=Z_б+Z_в ,

где Z_в – максимальная амплитуда колебаний ПП при вибрации, Z_в=0,310^-6м

Z=2210^-9+0,310^-6=0,32210^-6м

Условие Za выполняется Z10^-6м

Расчет напряжения в материале:

,

Из двух полученных значений выбирается σ=max {σ₁, σ₂}

Из расчета определили: σ₁=314844 Па,

σ₂=708400 Па

Выбираем σ=708400 Па.

Задание предела выносливости материала платы для знакопеременных нагрузок:

σ_в=0,2σ_n — для стеклотекстолита

σ_в=0,2130=26 Мпа

Определения запаса прочности:

n=σ_в/σ

Для того чтобы гарантировать работоспособность, запас прочности должен быть более некоторой величины:

,

36,7

n>3,024

Поскольку при расчетах выполняются все необходимые условия, то обеспечивается защищенность блока при воздействии линейных ускорений или одновременном воздействии вибраций и линейных перегрузок.

Приложение 1

Перечень элементов схемы и их характеристики.

Название элемен­тов	Количество, шт.	Габариты мм			Конструкти­вные параметры			Допустимые условия эксплуатации
		Длина	Ширина	Высота	Масса, г	Мощность рассеивания, Вт	Интенсивность отказов 10-6 (1/ч)	Влажность 98%при t °C	Температура, °C		Вибрация		Ударная нагрузка g	Линейное ускорение g
									min	max	Частота, Гц	Ускорение g
Конден­саторы К53	4	7,5	3,2	4,5	1,2	0,2	0,04	40	-40	+125	1-600	18	40	150
Резисторы МЛТ	5	6	2	1,2	0,15	0,125	0,01	40	-60	+125	10-2000	18	35	200
Микро­схемы серии К176	13	19,5	7,5	10,5	1,5	0,3	1	35	-30	+100	5-600	18	40	150
Житко­кристал­лический экран	1	21,3	9,5	1,2	2	0,2	1	35	-5	+70	5-600	8	45	25
Переключа­тель П2К	1	20	8	10	2	0,05	0,005	35	-50	80	1-600	20	50	200

Приложение 2

Схема электрическая принципиальная

Министерство Высшего и Среднего Специального Образования РФ

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

Кафедра Персональная электроника _.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

_{Велоодометр}

Студент _{. .} Розенфельд А. В. _.

Обозначение курсового проекта КП-2068757-2008/3203-2-19-2002 _.

Группа ПР-7-9901 _.

Специальность 2008 Конструирование и технология радиоэлектронных _..средств

Факультет Приборостроения и радиоэлектроники (ПР) _.

Проект защищен _. Оценка _.

Руководитель проекта _. Колуков В.В.______ _.

Члены комиссии _..

Москва 2002 г.

Компоновочный эскиз корпуса

зона расположения печатной платы.

зона крепления корпуса и печатной платы

зона крепления выходных разъёмов

1

3

1

3

5

1

3

50

90

5

2,5

90

30

30

50

Обоснование компоновочной схемы

Размещение комплектующих элементов должно обеспечивать равномерное и максимальное заполнение конструктивного объёма с удобным доступом для осмотра ремонта и замены.

При компоновке учтены требования устойчивости и стабильности, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, эргономики и удобства эксплуатации.

В компоновочном блоке выделены три основные зоны, которые дают общее представление о блоке:

зона расположения печатной платы. Выбираем в соответствии с размещением элементов на плате. Занимает почти весь объём блока.

зона крепления корпуса и печатной платы

зона крепления выходных разъёмов

Список используемых источников:

1)Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Е.М. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев.–М.: Радио и связь, 1989.

2)Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования /Под ред. Р.Г. Варламова.– М.: Сов. радио, 1980 Учебное пособие по курсу

3)Основы проектирования РЭС: Колуков В.В.

Содержание

1. Разработка и анализ технического задания.	3
2. Анализ аналогов и прототипа.
2.1 Анализ существующих конструкций велоодометров.	4
2.2 Анализ разрабатываемой конструкции велоодометра.	6
3. Выбор и обоснование принципиального конструкторского решения.
3.1. Внутреннее конструирование.	8
3.2. Расчет теплового режима блока.	10
3.3. Расчёт системы на механические воздействия	13
Перечень элементов схемы и их характеристики.	17