Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа

Моделирование тепловых процессов в телекоммуникационных блоках космической аппаратуры

по направлению 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

студента образовательной программы бакалавриата «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Коротков Антон Константинович

Рецензент д.т.н., проф. Кожевников А.М.

Руководитель д.т.н., проф. Ю.Н. Кофанов

Москва, 2018 г.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В БОРТОВЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Теплопередача и ее разновидности

1.2 Влияние температуры устройства на его надежность

1.3 Методы повышения теплостойкости блоков телекоммуникационной космической аппаратуры

1.4 Расчёт тепловых систем с помощью электротепловой аналогии

1.5 Стадии теплового моделирования

Глава 2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА АСОНИКА-Т КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ

2.1 Описание подсистемы АСОНИКА-Т и ее функционала

2.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

3.1 Назначение и технические условия объекта исследования

3.2 Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т

3.3 Результаты теплового моделирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

В современном мире большую роль при проектировании телекоммуникационных блоков (ТКБ) космической аппаратуры играет проблема тепловых режимов. В процессе работы устройства выделяют тепло, которое зачастую становится причиной отказа изделия. Такая ситуация недопустима, особенно это касается изделий военного назначения, так как они проектируются с расчетом, что изделие будет максимально надежным.

В основе моделирования ТКБ аппаратуры и приборных комплексов лежит процесс моделирования различных процессов теплообмена, однако эти модели, которые используются в ходе теплового моделирования, должны быть математически реализуемы, максимально объективно отображать процессы, протекающие в объектах, и при этом эти модели должны быть применимы для множества разнообразных конструкций. Совмещение этих требований - одна из главных сложностей теплового моделирования.

Современные ТКБ включают большое количество элементов, которые можно разбить на узлы. Между узлами существует множество различных функциональных и тепловых связей, поэтому современные приборы в совокупности представляют сложную техническую систему, в которую, в свою очередь, входят различные функциональные элементы и электронные устройства. Сейчас один из самых эффективных, и в то же время простых, является блочное-иерархический метод проектирования. Суть такого метода заключается в разбиении сложной системы на уровни иерархии с постепенно нарастающей степенью реализации.

Ключевую роль в реализации и определении требований для нормального теплового режима работы ТКБ играет тепловое проектирование. Необходимые исходные данные для проведения моделирования определяются исходя из требований к тепловому режиму определенного иерархического уровня. Задачи теплового проектирования ТКБ решаются за несколько этапов, при этом на каждом этапе необходимо решить следующие задачи:

· Разработать схему и конструкцию ТКБ;

· Выбрать параметры конструкции;

· Произвести моделирование тепловых процессов;

· Произвести контрольную проверку температур на отсутствие превышения максимально допустимых температур;

· Оптимизировать систему охлаждения и параметры конструкции.

Лишь малая часть энергии, поступающей в аппаратуру, преобразуется в полезную (порядка 5-10%). В связи с этим необходимо достаточно точно проводить моделирование большого количества тепловых процессов, протекающих в конструкции телекоммуникационных блоков космической аппаратуры.

Благодаря полученным результатам теплового моделирования можно принять важные конструктивные решения, такие как размещение охлаждающих элементов (например, вентиляторов) и расположение систем охлаждения в конструкции блоков космической аппаратуры. Габариты и геометрические формы подбираются исходя из анализа результатов теплового моделирования объекта. Нередки случаи, когда система охлаждения превышает в размерах само изделие, в такой ситуации она находится вне корпуса изделия. Это происходит с изделиями, которая требует больших мощностей для корректной работы, соответственно, эти изделия выделяют и большое количество тепла. Вынесение систем охлаждения за корпус устройства влечет за собой сильное изменение габаритов изделия, а также изменение расположения компонентов. Это в совокупности ведет к дополнительным затратам на производстве, а также сподвигает к созданию новых технологий.

Само собой, показатели устройства, которые определяют корректное функционирование изделия, зависят не только от температурных режимов, но и от других воздействий, таких как внешние условия. Изменение внешних условий при работе компонентов может повлечь за собой изменение линейных размеров устройства, то есть его компонентов и деталей, помимо этого, могут измениться внутренние характеристики компонентов, например, сопротивление резисторов.

На текущий момент основное направление развития теплового моделирования - определение вклада каждого конкретного воздействия в выходные характеристики. Помимо этого, большое внимание уделяется определению результата взаимодействия паразитных воздействий и влияний.

В современном мире для проведения теплового моделирования практически всегда используются ЭВМ, потому что они многократно сокращают время расчета и анализа. Также они позволяют производить комплексное наблюдение за параметрической чувствительностью взаимосвязанных входных и выходных характеристик. Эти характеристики влияют на главный показатель качества изделия - надежность.

Надежность -- Свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. [1] Чтобы обеспечить наибольший показатель надежности, необходимо учитывать максимальное количество факторов при проектировании изделия.

Целью дипломной работы является проведение теплового моделирования выбранного телекоммуникационного блока, его проверка на соответствие максимально допустимым значениям температур в узлах объекта. При превышении максимально допустимых значений необходимо предложить решение, которое уменьшит температуру до допустимых значений, провести повторное тепловое моделирование.



Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В БОРТОВЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Теплопередача и ее разновидности

Перенос тепла происходит тремя способами: теплопроводность (кондукция), тепловое излучение и конвекция.

Теплопроводность тепла происходит в телах, которые находятся в непосредственном контакте друг с другом, т.е. из нагретого тела тепло переносится в холодное только при контакте. Такой перенос тепла обусловлен законом Фурье, где количественное значение переносимого теплового потока выражается следующим соотношением

(1.1)

где - коэффициент теплопроводности материала; - длина пути теплового потока; - теплопроводящая площадь; - соответственно, температура нагретого и холодного тела.

Опираясь на соотношение (1.1), можно сказать, что при конструировании телекоммуникационных блоков (в дальнейшем ТКБ) необходимо учитывать следующее: системы внутри блока, которые имеют теплопроводящие свойства, сделать короткими, обеспечить тепловой контакт по всей площади в деталях, которые соединяются друг с другом или контактируют между собой. Материалы для изготовления деталей и компонентов надо выбирать с высоким коэффициентом теплопроводности.

Тепловое излучение проявляется в виде электромагнитных колебаний, с помощью чего передается тепловая энергия. После того, как тело нагревается, начинает выделяться энергия в виде тепла, тепловая энергия, в свою очередь, переходя в лучистую энергию, распространяется в окружающей среде. Далее лучистая энергия при встрече нагревает другое тело, в ходе чего превращается в тепло. Определить теплопередачу излучением можно с помощью закона Стефана-Больцмана, который выражается следующим соотношением

(1.2)

где - коэффициент теплопередачи излучением; - соответственно, температура излучающей и нагреваемой поверхности; - площадь излучающей поверхности.

- коэффициент теплопередачи излучением определяется следующим уравнением

(1.3)

где 5,67 - коэффициент излучения абсолютной черной поверхности; - степень черноты излучающей поверхности.

С учетом уравнения (1.3) можно выражение (1.2) представить в следующем виде, вставляя в нем значение коэффициента теплопередачи излучением :

(1.4)

Нужно отметить, что лучистая энергия, кроме поглощения, еще и отражается от поверхности. Получается, что степень поглощения или отражения зависит только от покрытия и состояния поверхности, которая будет поглощать или отражать излучения. [2]

Теплопередача конвекцией происходит в объёмах воздуха, газа или жидкостей, которые соприкасаются с нагретыми или охлажденными поверхностями твердого тела.

Рассматриваемый процесс выражается законом Ньютона следующим образом:

(1.5)

где - выражает мощность, которая передается в виде тепла; - коэффициент теплопередачи конвекцией; - температура ОС; - площадь теплоотводящей поверхности. Теплопередача конвекцией проявляется в двух видах: свободная (естественная) и принудительная конвекция.

Свободная (естественная) конвекция проявляется в объёмах воздуха, газа или жидкости, которые непосредственно контактируют с нагретым телом. В данном процессе нагретые и холодные частицы воздуха, газа или жидкости все время циркулируют между собой, т.е. частицы воздуха, газа или жидкости поднимаются вверх при нагревании и заменяются более холодными.

Искусственная (принудительная) конвекция происходит только при вмешательстве внешней силы и относится к принудительному виду охлаждения. В этом процессе объём воздуха, газа или жидкости, который находится в теплонесущей среде, интенсивно перемешивается за счет внешней силы.

Коэффициент теплопередачи в случае естественной конвекции представляется в виде функции следующем образом

(1.6)

где - температура нагретой поверхности; - температура холодной среды (воздуха, газа, жидкости); - коэффициент объемного расширения среды; - коэффициент теплопроводности жидкости; - коэффициент теплопроводности среды; - удельная теплоемкость среды; - ускорение силы тяжести; - размер охлаждаемого тела и состояние поверхности.

Из предвиденной функциональной зависимости (1.6) видно, что в процессе охлаждения количество параметров достаточно велико, и сам процесс является достаточно сложным, чтобы дать оценку. Поскольку коэффициенты теплопередачи достаточно сложно определить, то удобнее всего оценивать коэффициент теплопередачи связанными с ним критериальными уравнениями, которые определяются из теории подобия. Данные уравнения подробно представлены в литературе. [3][4]

1.2 Влияние температуры устройства на его надежность

Компоненты ТКБ разделяются на две группы: термоактивные и термопассивные. Во время работы термоактивные компоненты, разогреваясь, отдают тепло в окружающее пространство. Это, в свою очередь, способствует увеличению тепловой нагрузки на компоненты ТКБ.

Во многих случаях увеличение тепловых воздействий на компоненты ТКБ приводит к снижению работоспособности, вместе с этим снижается и надежность бесперебойной работы устройства. В связи с этим будет рассмотрен показатель интенсивности отказов при тепловых воздействиях. Показатель интенсивности отказов представляет собой статический параметр, который характеризирует количество отказов ТКБ в единицу времени. Для этого будет использоваться общепринятую модель со следующими допущениями: отказ одного элемента приводит к отказу всей системы; интенсивность отказов от времени не зависит; отказы компонентов ТКБ являются независимыми и случайными событиями. Оценка надёжности в рамках вышеуказанной модели дается с помощью следующих формул:



(1.7)

(1.8)

где - интенсивность отказов i - элемента; n - число компонентов в ТКБ; - интенсивность отказа i - элемента, когда условия эксплуатации нормальные; - коэффициенты, которые учитывают влияние j фактора (сила тока, температура, напряжения, давления и др.) на i элемент; m - количество факторов.

В соотношении (1.8) учитывается только влияние температуры, исходя из этого соотношение (1.8) получит следующий вид

(1.9)

где - коэффициент нагрузки; - температура окружающей элемент среды; b, c, d - некоторые коэффициенты.

Для таких систем, в которых имеется большое количество разнотипных компонентов, оценка интенсивности отказов весьма приближенная и может быть найдена с помощью следующей формулы

(1.10)

где - интенсивность отказов при нормальных температурных условиях; - средняя температура воздуха в блоке ТКБ; - коэффициент, который был получен экспериментальным путем.

1.1. 

1.3 Методы повышения теплостойкости блоков телекоммуникационной космической аппаратуры

При конструировании ТКБ необходимо обеспечить необходимый теплостойкий рабочий режим. Необходимость данного процесса обосновывается в предыдущем подпункте, где было показано, как влияет тепло на надежность и работоспособность ТКБ. Основной трудностью для обеспечения необходимого теплового режима ТКБ, является отвод тепла от теплонагруженных компонентов, т.е. охлаждения.

Для охлаждения ТКБ существует множество методов, по этой причине будут рассмотрены основные, и наиболее часто применяемые.

Как уже было упомянуто выше, для переноса тепловой энергии в ТКБ существуют три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучения. В зависимости от вида конвективного переноса тепловой энергии, методы охлаждения ТКБ часто разделяют на классы. При конвективном отводе тепла от ТКБ используются теплоносители в различных фазовых состояниях, которые перемещаются естественным или принудительным путем. Учитывая состояние и тип теплоносителя, а также причину, по которой было вызвано движение, методы охлаждения ТКБ можно распределить на следующие основные классы: газовые (воздушные), жидкостные, испарительные, естественные и принудительные.

Естественное воздушное охлаждение ТКБ представляет собой простой, дешевый и надежный метод охлаждения и не требует дополнительной затраты энергии. Однако использование такого метода охлаждения для мощных микросхем не так продуктивно. Этот метод можно использовать для охлаждения компонентов, которые рассеивают небольшие удельные мощности (мощность, рассеиваемая единицей поверхности или объема). При естественном воздушном охлаждении конвективный теплообмен происходит между компонентами ТКБ и окружающем воздухом, где воздух перемещается в блоке ТКБ за счет энергии, которую рассеивают компоненты ТКБ.

Самые используемые схемы для естественного воздушного охлаждения блоков и стоек ТКБ бывают двух видов: с негерметичным кожухом, в котором предусмотрены технологические отверстия и/или жалюзи, и перфорированным. [5] В негерметичном кожухе с технологическими отверстиями (рис. 1, а) конвективный теплообмен происходит следующим образом: от компонентов ТКБ к окружающему воздуху внутри кожуха, потом от воздуха к кожуху и после этого от кожуха в окружающую среду. Также происходит теплообмен через отверстия с окружающей средой. В случае с перфорированным кожухом (рис. 1, б) конвективный теплообмен осуществляется в основном между воздухом окружающей среды и компонентами ТКБ, который проникает в кожух блока сквозь перфорации. В отличие от случая с негерметичным кожухом, в котором предусмотрены технологические отверстия и/или жалюзи, естественное охлаждение ТКБ с перфорированным кожухом можно осуществлять в блоках ТКБ, у которых компоненты рассеивают более высокие удельные мощности. [6]

Интенсификация теплообмена при естественном воздушном охлаждении может быть оправданна в рационально конструированных ТКБ. Под рациональным конструированием подразумевается оптимальное расположение компонентов ТКБ и перфораций кожуха, использование экранов, оребрения отдельных поверхностей, применение теплопроводных шин, применение теплопроводящей пасты и т.п.

Часто, чтобы интенсифицировать конвективный теплообмен между ТКБ и окружающей средой применяют принудительное движение воздуха, для этого используют специальные устройства, главным образом вентиляторы. Нужно заметить, что использование вентилятора приводит к дополнительному расходу энергии.

Принудительное воздушное охлаждение позволяет обеспечить нормальный тепловой режим ТКБ при высоких мощностях, благодаря чему оно и получило наибольшее распространение.

Принудительное воздушное охлаждение имеет две основных схемы: продув и наружный обдув (см. рис. 1, в, г).

Рисунок 1. Схемы воздушного охлаждения блоков:

а - естественное воздушное охлаждение в негерметичном кожухе, в котором предусмотрены технологические отверстия и/или жалюзи; б - естественное воздушное охлаждение в перфорированном кожухе; в - принудительное воздушное охлаждение с продувом; г - принудительное воздушное охлаждение с наружным обдувом

1.4 Расчёт тепловых систем с помощью электротепловой аналогии

Одним из методов расчета тепловых систем является метод моделирования с применением электротепловой аналогии. Возможность такой замены обоснована аналогией между физическими величинами, характеризующими электрическое и тепловое поля, подтверждающейся одинаковым математическим описанием обоих процессов дифференциальными уравнениями [7]. В таблице 1 представлены прямые аналоги величин.



Таблица 1

Тепловое поле	Электрическое поле
Температура, потенциал переноса теплоты, t, °С	Напряжение, электрический потенциал U, В или ед. потенциала
Количество теплоты, Q, Дж	Количество электричества, Кул или ед. колич. эл.
Теплопроводность материала, ,	Электрическая проводимость 1/с, или ед. колич. , где с - удельное электрическое сопротивление, Ом*м
Термическое сопротивление однородного ограждения площадью А, м2, и толщиной ?т, м, , °С/Вт	Электрическое сопротивление проводника сечением S, м2, и длиной ?э, м, , Ом, или
Тепловой поток, , Дж/с = Вт	Сила электрического тока , А, или

Прямые аналоги в тепловом и электрическом полях

1.5 Стадии теплового моделирования

В первую очередь перед моделированием производят декомпозицию изделия, выделяют иерархические уровни и основные группы компонентов. После этого определяют приближенность тепловых моделей, описывающих тепловые режимы в определенном изделии, также определяют максимально допустимые погрешности при расчете. Таким образом, на первом этапе совершаются следующие действия:

· Декомпозиция изделия;

· Замена температур и мощностей тепловыделений в определенных областях средними значениями;

· Упрощение форм исследуемых областей;

Основные этапы теплового моделирования подразделяются по иерархическим уровням:

· первый - микросхемы и отдельные элементы устройства (конденсаторы, резисторы);

· второй - печатные платы с компонентами, установленными на этих печатных платах;

· третий - блоки, которые представляют собой несущую конструкцию всех печатных плат, установленных в этом блоке;

· четвертый - стойки и шкафы;

· пятый - множество стоек и шкафов в помещении (стационарном или подвижном);

После этого производится тепловое моделирование при помощи ЭВМ и определенного программного обеспечения, которое разработано на основе математических моделей для теплового расчета на различных иерархических уровнях изделий. В данной работе используется подсистема АСОНИКА-Т.



Глава 2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА АСОНИКА-Т КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ

2.1 Описание подсистемы АСОНИКА-Т и ее функционала

Основная цель подсистемы АСОНИКА-Т - автоматизация моделирования тепловых процессов на различных иерархических уровнях и для разных конструкций, в том числе в телекоммуникационных блоках.

Поэтому подсистема позволяет производить в ТКБ такие действия, как:

· расчет средних температур печатных узлах, блоках с установленными внутри печатными узлами и в материалах несущей конструкции. Расчет температуры объемов воздуха внутри изделия;

· внесение конструктивных изменений в конструкцию устройства, результатом чего является улучшение тепловых режимов работы;

· выбор наилучшего теплового режима работы из имеющихся концептуальных вариантов;

· оценка эффективности основных и дополнительных охлаждающих систем;

В подсистеме АСОНИКА-Т можно провести два вида расчета: стационарный и динамический. В каждом из этих видов можно произвести моделирование с учетом внешних воздействий, то есть с учетом влажности воздуха, атмосферного давления и других факторов. Результатом моделирования является среднее значение температур на каждом из заданных улов с учетом определенных внешних воздействий.

Результаты, получаемые в подсистеме АСОНИКА-Т, используются в подсистеме АСОНИКА-ТМ для проведения теплового моделирования печатных узлов.



2.2 Входные и выходные параметры при проведении моделирования

Для моделирования ТКБ с помощью подсистемы АСОНИКА-Т нужно знать следующие входные параметры:

· геометрические размеры конструкции ТКБ;

· теплофизические параметры (степень черноты, коэффициент облученности и др.) материалов ТКБ;

· Мощности, которые в конструкциях ТКБ складываются из смонтированных на печатных узлах радиокомпонентах;

· Охлаждающие условия конструкции ТКБ (граничные условия).

В ходе работы с подсистемой АСОНИКА-Т каждый значимый объект в ТКБ обозначается узлом, который, в свою очередь, связывается определенной ветвью с другими узлами. Ветвь обозначает определенный тип теплопередачи. В результате проведения анализа подсистема рассчитывает значения температур на каждом заданном узле.



Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ БЛОКАХ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

3.1 Назначение и технические условия объекта исследования

Объектом исследования является телекоммуникационный блока космического аппарата. В силу того, что объект секретный, всех данных предоставить нет возможности. Данный блок установлен в устройстве на Земле, которое предназначено для управления космическим аппаратом. Изначально была построена объемная модель объекта, в общем виде и с разрезом в программе SolidWorks. Скриншот трехмерной модели в общем виде представлен на рисунке 2 (общий вид).

Рисунок 2. Общий вид объекта

теплопередача телекоммуникационный космический аппаратура

Будет происходить моделирование негерметичного блока, но так как в ходе эксплуатации блока в разъемах будут находиться кабеля, соединяющие блок управления с другими блоками, а также в силу того, что компоновка плотная, вынужденной конвекции внутри нет, только естественная. Коэффициент черноты окружающей блок поверхности - 0.5. Температура окружающей среды +55°С. Внутри блока расположены 4 печатных узла, которые в дальнейшем для сокращения названий в моделях будут обозначены как Плата0, Плата1, Плата2 и Плата3. На рисунке 3 представлен скриншот модели исследуемого ТКБ с разрезом. Сечение на рисунке 3 выполнено через раму. Ребра радиатора (6 элемент на рисунке 3) и экрана (7 элемент на рисунке 3) не являются сплошными, они прерываются, в разрывах установлены посадочные места для элементов. Элементы на печатных платах и разрывы условно не показаны для упрощения рисунка.

Рисунок 3. Вид исследуемого ТКБ с разрезом, где: 1 - Плата0; 2 - Плата1; 3 - Плата2; 4 - Плата3; 5 - Радиатор2-1; 6 -Радиатор2-2; 7 - Экран1; 8 - Радиатор1

Материалы деталей исследуемого ТКБ:

· Плата0, Плата1, Плата2, Плата3 - стеклотекстолит FR-4;

· Экран1, Корпус, Радиатор1, Радиатор2-1, Радиатор2-2 - АД1;

· Направляющие - капролон ПА-6;

· Разъемы - латунь;

Мощности тепловыделения плат, находящихся внутри блока:

· Плата0 - 1 Вт;

· Плата1 - 2 Вт;

· Плата2 - 0,7 Вт;

· Плата3 - 1,7 Вт;

Геометрические размеры блока таковы: длина 130 мм, ширина 100 мм, высота 54 мм. Толщина стенок корпуса - 2 мм.

Предельная температура в любом узле - 130°С. С учетом запаса для обеспечения лучшей надежности в размере 35%, максимальная температура узла - не более 84,5°С. В случае превышения температуры необходимо предложить способ снижения температуры в определенном узле или на всем объекте.

Объект исследования представляет блок кассетной конструкции. В данном случае в роли кассет выступают две платы посередине блока: Плата1 и Плата2. С конструктивной точки зрения данный блок содержит повторяющиеся, регулярные элементы - параллельные друг другу печатные узлы, которые создают основу для автоматизации процесса построения тепловой модели, которая реализована в подсистеме АСОНИКА-Т. Однако автоматизированный расчет параметров в данной ситуации не является удобным, так как он не учитывает 2 платы (Плата0 и Плата3). В результате необходимо вручную добавлять новые ветви и узлы, а также разобраться в уже созданной модели, поэтому проще построить полностью с нуля тепловую модель.

3.2 Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т

Для построения тепловой модели исследуемого ТКБ необходимо идеализировать некоторые параметры и процессы в блоке:

· Каждая стенка корпуса блока изотермична;

· каждый печатный узел изотермичен;

· кондуктивным переносом тепла от печатных узлов к корпусу через элементы крепления пренебрегаем;

· пренебрегаем переносом тепла от боковых стенок печатных узлов в силу их малой толщины.

Объект исследования был поделен на 18 узлов (один из них - окружающая среда). В таблице 2 приведены нумерация узлов и их названия.

Таблица 2

Узлы объекта исследования

№ узла	Изотермичная деталь конструкции исследуемого ТКБ	№ узла	Изотермичная деталь конструкции исследуемого ТКБ
1	Корпус: левая стенка	10	Плата2
2	Корпус: нижняя стенка	11	Плата3
3	Корпус: правая стенка	12	Радиатор2-1
4	Корпус: верхняя стенка	13	Радиатор2-2
5	Корпус: передняя стенка	14	Радиатор1
6	Корпус: задняя стенка	15	Экран1
7	Окружающая среда	16	Воздух снизу
8	Плата0	17	Воздух посередине
9	Плата1	18	Воздух сверху

После того, как узлы обозначены, необходимо описать тепловые процессы, протекающие между ними. Стенки между собой взаимодействуют с помощью ветви №2 (кондукция). Номера типов теплообмена указаны в таблице 3. Таким образом, создаются следующие ветви: 1-2, 1-4, 1-5, 1-6, 2-3, 2-5, 2-6, 3-4, 3-5, 3-6, 4-5, 4-6. На рисунке 4 слева представлена модель этого теплового процесса.



Таблица 3

Ветви тепловой модели

Номер узла	Номер узла	Номер типа ветви	Назначение ветви
1	2	2	Контактный теплообмен между левой и нижней стенкой
1	4	2	Контактный теплообмен между левой и верхней стенкой
1	5	2	Контактный теплообмен между левой и передней стенкой
1	6	2	Контактный теплообмен между левой и задней стенкой
2	3	2	Контактный теплообмен между нижней и правой стенкой
2	5	2	Контактный теплообмен между нижней передней стенкой
2	6	2	Контактный теплообмен между нижней и задней стенкой
3	4	2	Контактный теплообмен между правой и верхней стенкой
3	5	2	Контактный теплообмен между правой и передней стенкой
3	6	2	Контактный теплообмен между правой и задней стенкой
4	5	2	Контактный теплообмен между верхней и передней стенкой
4	6	2	Контактный теплообмен между верхней и задней стенкой
1	7	26	Конвекция между левой стенкой и окр. средой
2	7	26	Конвекция между нижней стенкой и окр. средой
3	7	26	Конвекция между правой стенкой и окр. средой
4	7	26	Конвекция между верхней стенкой и окр. средой
5	7	26	Конвекция между передней стенкой и окр. средой
6	7	26	Конвекция между задней стенкой и окр. средой
1	7	16	Излучение между левой стенкой и окр. средой
2	7	16	Излучение между нижней стенкой и окр. средой
3	7	16	Излучение между правой стенкой и окр. средой
4	7	16	Излучение между верхней стенкой и окр. средой
5	7	16	Излучение между передней стенкой и окр. средой
6	7	16	Излучение между задней стенкой и окр. средой
12	2	11	Контактный теплообмен между Радиатором2-1 и нижней стенкой
12	8	11	Контактный теплообмен между Платой0 и Радиатором2-1
12	16	26	Конвекция между Радиатором2-1 и воздухом внизу
12	1	16	Излучение между Радиатором2-1 и левой стенкой
12	3	16	Излучение между Радиатором2-1 и правой стенкой
12	5	16	Излучение между Радиатором2-1 и передней стенкой
12	6	16	Излучение между Радиатором2-1 и задней стенкой
13	8	11	Контактный теплообмен между Платой0 и Радиатором2-2
13	16	26	Конвекция между Радиатором2-2 и воздухом внизу
13	1	16	Излучение между Радиатором2-2 и левой стенкой
13	3	16	Излучение между Радиатором2-2 и правой стенкой
13	5	16	Излучение между Радиатором2-2 и передней стенкой
13	6	16	Излучение между Радиатором2-2 и задней стенкой
16	1	26	Конвекция между воздухом снизу и левой стенкой
16	2	26	Конвекция между воздухом снизу и нижней стенкой
16	3	26	Конвекция между воздухом снизу и правой стенкой
16	5	26	Конвекция между воздухом снизу и передней стенкой
16	6	26	Конвекция между воздухом снизу и задней стенкой
9	13	16	Излучение между Платой1 и Радиатором2-1
9	10	16	Излучение между Платой1 и Платой2
9	17	26	Конвекция между Платой1 и воздухом посередине
10	17	26	Конвекция между Платой2 и воздухом посередине
10	15	16	Излучение между Платой2 и Экраном1
17	1	26	Конвекция между воздухом посередине и лев. стенкой
17	3	26	Конвекция между воздухом посередине и правой стенкой
17	5	26	Конвекция между воздухом посередине и передней стенкой
17	6	26	Конвекция между воздухом посередине и задней стенкой
15	11	11	Контактный теплообмен между Экраном1 и Платой 3
15	18	26	Конвекция между Экраном1 и воздухом сверху
15	1	16	Излучение между Экраном1 и левой стенкой
15	3	16	Излучение между Экраном1 и правой стенкой
15	5	16	Излучение между Экраном1 и передней стенкой
15	6	16	Излучение между Экраном1 и задней стенкой
14	4	11	Контактный теплообмен между Радиатором1 и верхней стенкой
14	11	11	Контактный теплообмен между Радиатором1 и Платой3
14	1	16	Излучение между Радиатором1 и левой стенкой
14	3	16	Излучение между Радиатором1 и правой стенкой
14	5	16	Излучение между Радиатором1 и передней стенкой
14	6	16	Излучение между Радиатором1 и задней стенкой
14	18	26	Конвекция между Радиатором1 и воздухом сверху
18	1	26	Конвекция между воздухом сверху и левой стенкой
18	3	26	Конвекция между воздухом сверху и правой стенкой
18	4	26	Конвекция между воздухом сверху и верхней стенкой
18	5	26	Конвекция между воздухом сверху и передней стенкой
18	6	26	Конвекция между воздухом сверху и задней стенкой

Печатные узлы взаимодействуют с воздухом над платой и под платой посредством ветви №26 (конвекция), с радиатором и экраном (ветвь №11), со стенками корпуса ветвью №16 (излучение). В результате создаются следующие ветви:

· Плата0: контактный теплообмен 8-13, 8-12.

· Плата1: излучение9-13, 9-10. Конвекция 9-16, 9-17.

· Плата2: излучение 10-15. Конвекция 10-17, 10-18.

· Плата3: контактный теплообмен 11-15, 11-14.

Помимо печатных узлов с воздухом внутри блока и стенками корпусами также взаимодействуют радиаторы и экран под Платой3. Они связаны ветвями №2, №26 и №16 (кондукция, конвекция и излучение соответственно). Создаются следующие связи между узлами:

· Радиатор2-1 (радиатор под Платой0): контактный теплообмен 12-2, 12-8. Излучение 12-1, 12-3, 12-5, 12-6. Конвекция 12-16.

· Радиатор 2-2 (радиатор над Платой0): контактный теплообмен 13-8. Излучение 13-9, 13-1, 13-3, 13-5, 13-6. Конвекция 13-16.

· Экран1: контактный теплообмен 15-11. Излучение 15-1, 15-3, 15-5, 15-6. Конвекция 15-18.

· Радиатор1 (радиатор над Платой3): контактный теплообмен 14-11, 14-4. Излучение 14-1, 14-3, 14-5, 14-6. Конвекция 14-18.

Непосредственно воздух между печатными узлами внутри корпуса передает тепловую энергию от печатных узлов, радиаторов и экранов стенкам корпуса. В блоке существует три объема воздуха:

· воздух внизу, отделенный сверху Платой1;

· воздух посередине, размещенный между Платой1 и Платой2;

· воздух сверху, отделенный снизу Платой2;

Процессы конвекции между объемами воздуха и стенками корпуса описываются в подсистеме следующими ветвями:

· Воздух внизу: 16-1, 16-2, 16-3, 16-5, 16-6, 16-9;

· Воздух посередине: 17-1, 17-3, 17-5, 17-6;

· Воздух сверху: 18-1, 18-3, 18-4, 18-5, 18-6, 18-10;

Модель тепловых процессов в блоке представлена на рисунке 5. В конечном счете, происходит теплообмен между стенками корпуса и окружающей его средой путем конвекции и излучения. Модель представлена на рисунке 4 справа. Создаются следующие ветви: 1-7, 2-7, 3-7, 4-7, 5-7, 6-7.

Рисунок 4. Модель взаимодействия стенок корпуса между собой (слева) и модель взаимодействия корпуса блока с окружающей средой (справа)



Рисунок 5. Модель взаимодействия узлов объекта исследования внутри блока

Далее представлена таблица 4 с входными данными для создания ветвей между узлами в подсистема АСОНИКА-Т для проведения теплового анализа.



Таблица 4

Входные данные в подсистеме АСОНИКА-Т

Номер узла	Номер узла	Номер типа ветви	Длина детали, мм	Определяющий размер площади сечения теплового потока, мм	Ширина детали, мм	Определяющий размер, мм	Коэффициент ориентации	Длина пути теплового потока, мм	Степень черноты поверхности	Коэффициент облученности	Теплопроводность материала	Давление окр. среды
1	2	2		100	2			92			226
1	4	2		100	2			92			226
1	5	2		54	2			115			226
1	6	2		54	2			115			226
2	3	2		100	2			92			226
2	5	2		130	2			77			226
2	6	2		130	2			77			226
3	4	2		100	2			92			226
3	5	2		54	2			115			226
3	6	2		54	2			115			226
4	5	2		130	2			77			226
4	6	2		130	2			77			226
7	1	26	100		54	54	1					760
7	2	26	130		100	100	1					760
7	3	26	100		54	54	1					760
7	4	26	130		100	100	1					760
7	5	26	130		54	54	1					760
7	6	26	130		54	54	1					760
7	1	16	100		54				0,5	0,8
7	2	16	130		100				0,5	0,8
7	3	16	100		54				0,5	0,8
7	4	16	130		100				0,5	0,8
7	5	16	130		54				0,5	0,8
7	6	16	130		54				0,5	0,8
8	12	11	57,5		40,2						226
8	13	11	57,5		40,2						226
11	15	11	77		77						226
11	14	11	77		77						226
12	2	11	57,5		40,2						226
14	4	11	77		77						226
12	16	26	57,5		40,2	40,2	1					760
12	1	16	40,2		6,15				0,8	0,8
12	3	16	40,2		6,15				0,8	0,8
12	5	16	57,5		6,15				0,8	0,8
12	6	16	57,5		6,15				0,8	0,8
13	16	26	57,5		40,2	40,2	1					760
13	1	16	40,2		4				0,8	0,8
13	3	16	40,2		4				0,8	0,8
13	5	16	57,5		4				0,8	0,8
13	6	16	57,5		4				0,8	0,8
16	1	26	96		11	11	1					760
16	2	26	96		126	96	1					760
16	3	26	94		11	11	1					760
16	5	26	126		11	11	1					760
16	6	26	126		11	11	1					760
9	13	16	57,5		40,2				0,8	0,8
9	17	26	120		81	81	1					760
9	10	16	120		81				0,8	0,8
9	16	26	120		81	81	1					760
10	15	16	77		77				0,8	0,8
10	17	26	120		81	81	1					760
10	18	26	120		81	81	1					760
17	1	26	96		13	13	1					760
17	3	26	96		13	13	1					760
17	5	26	126		13	13	1					760
17	6	26	126		13	13	1					760
15	1	16	77		5				0,8	0,8
15	3	16	77		5				0,8	0,8
15	5	16	77		5				0,8	0,8
15	6	16	77		5				0,8	0,8
15	18	...

дипломная работа "Моделирование тепловых процессов в телекоммуникационных блоках космической аппаратуры" скачать

Подобные документы

• Основные понятия космической геодезии и астрономии

  Основные понятия, необходимые для успешного изучения космической геодезии. Описание систем координат, наиболее часто используемых в астрономии для описания положения светил на небе. Общие сведения о задачах космической геодезии как науки, их решение.
  
  контрольная работа [1,2 M], добавлен 11.01.2010
  

• Влияние космической погоды на планету Земля

  Воздействие солнечной активности на процессы, происходящие на нашей планете. Влияние космической радиации на жизнь на Земле. Ионосфера как самая плотная плазменная оболочка Земли. Влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Связь эпидемий с космосом.
  
  реферат [301,1 K], добавлен 19.05.2011
  

• Научная деятельность С.П. Королева

  Изучение жизненного пути и научной деятельности С.П. Королева - выдающегося конструктора и ученого, работавшего в области ракетной и ракетно-космической техники. Открытия ученого, обеспечившие стратегический паритет России в ракетно-космической отрасли.
  
  реферат [57,5 K], добавлен 30.03.2011
  

• Космический эксперимент NASA

  Программа NASA демонстрации лазерной связи со спутником на Лунной орбите LLCD. Космический аппарат LADEE, его научное оборудование. Основные компоненты линии лазерной космической связи для проведения эксперимента. Установление лазерной космической связи.
  
  реферат [9,0 M], добавлен 15.05.2014
  

• Национальные космические программы России, Китая, Индии и Бразилии

  Основы государственной космической программы Российской Федерации в области космической деятельности. Направления работ в данной области исследований. Содержание космических программ Китая, Индии и Бразилии, оценка научных достижений и финансирование.
  
  презентация [1,5 M], добавлен 06.04.2016
  

• Тайны космоса

  Космос как огромное пространство. Анализ первых советских искусственных спутников Земли. Рассмотрение особенностей ракетно-космической системы "Энергия-Буран". Основные этапы развития космонавтики. Характеристика космических систем-мусоросборщиков.
  
  реферат [26,1 K], добавлен 26.01.2013
  

• Эволюция Вселенной

  Модель Фридмана, два варианта развития Вселенной. Строение и современные космологические модели Вселенной. Сущность физических процессов, источники, создающие современные физические законы. Обоснование расширения Вселенной, этапы космической эволюции.
  
  контрольная работа [43,4 K], добавлен 09.04.2010
  

• Проблема космического мусора

  Влияние запусков ракет на поверхность планеты. Малоизвестные факты космической деятельности человечества и анализ негативных сторон этой деятельности. Космические угрозы (вспышки на Солнце, астероиды, метеориты). Роль угроз для Земли в массовом сознании.
  
  статья [1,5 M], добавлен 05.03.2011
  

• Характеристика аспектов эксплуатации космических систем

  Описание, конструкция и траектория полетов основных видов космических аппаратов, а также анализ проблем их энергопитания бортовой аппаратуры. Особенности разработки и создания автоматизированных систем управления эксплуатацией летательных комплексов.
  
  контрольная работа [24,2 K], добавлен 15.10.2010
  

• Низкоорбитальный СМКА связи, его СЭП и СОТР

  Проектирование спутника (МКА) с ограничением по массе и по объему. Анализ аналогов проектируемого спутника. Расчет системы энергопотребления и анализ энергопотребляемой аппаратуры. Расчет тепловых нагрузок, действующих на МКА. Листинг программы "СОТР".
  
  курсовая работа [1,6 M], добавлен 10.07.2012
  

• Астрономия современности

  Современное развитие техники наблюдений. Совершенствование спектральной аппаратуры. Снимок чёрной дыры в рентгеновских лучах. Использование специальных фильтров для исследования Солнца. Разработка теории эволюции звёзд на основе ядерных процессов.
  
  презентация [1,8 M], добавлен 09.02.2014
  

• Реактивное движение

  Преодоление земного притяжения. Истечение газов из сопла реактивного двигателя. Использование космической ракеты. Труды Константина Эдуардовича Циолковского по аэродинамике и воздухоплаванию. Использование крылатых ракет в России и других странах.
  
  презентация [3,5 M], добавлен 06.03.2011
  

• Новости космоса

  История открытия и научного исследования нового потенциально опасного для землян космического тела. Основные этапы изучения Марса марсоходом Curiosity. Сад камней на Тиане глазами Cassini. Анализ важнейших задач гражданской космической политики России.
  
  презентация [3,9 M], добавлен 16.03.2017
  

• Роль Украины в освоении космоса

  Украина - признанная в мире космическая держава. Описания достижений украинских специалистов в ракетно-космической отрасли. Международное сотрудничество в области исследования и использования космического пространства. Анализ планов страны на будущее.
  
  презентация [6,7 M], добавлен 13.09.2013
  

• Космические скорости

  Определение первой, второй и третьей космической скорости. Соотношение сил тяготения и центробежной, при котором тело будет двигаться по круговой орбите. Преодоление объектом гравитационного притяжения Земли и Солнца. Выход за пределы солнечной системы.
  
  презентация [190,7 K], добавлен 29.10.2014
  

• Космос и космонавтика

  Понятие космического пространства. Таинственные наскальные рисунки первых людей. 4 октября 1957 года - начало космической эры. Устройство первого спутника. Первые космонавты СССР. Солнечная система. Звезды, составляющие зодиак. Кометы и метеорные тела.
  
  презентация [5,4 M], добавлен 19.09.2012
  

• Проработка лунной программы в СССР

  Интеллектуальный, промышленный потенциал Советского Союза. Создание первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты, запуск первых искусственных спутников, доставка на Луну первого земного предмета. Проект "Север". Жертвы космической гонки.
  
  реферат [765,2 K], добавлен 16.12.2013
  

• Экологические проблемы освоения космоса

  Экологические проблемы от эксплуатации космической техники. Загрязнение атмосферы продуктами сгорания спутников. Воздействие радиоизлучений и запусков ракет и на околоземное пространство. Разрушение озонового слоя. Падение метеорита в Челябинской области.
  
  презентация [1,2 M], добавлен 30.10.2013
  

• Адаптация человека в условиях космоса

  Пищеварительные процессы на космической орбите, их отличия от земных. Отсутствие разделения на день и ночь, нарушение циркадных ритмов. Условия микрогравитации - испытание для нервной системы. Нарушения иммунной системы. Возможность зачатия в космосе.
  
  презентация [793,0 K], добавлен 08.12.2016
  

• Ю.А. Гагарин

  Биография первого летчика-космонавта Юрия Гагарина и начало космической карьеры. Старт корабля "Восток" с космодрома Байконур. Доклад Гагарина о полете, достойная встреча в Москве и повышение в звании. История гибели космонавта, награды и памятники.
  
  практическая работа [320,4 K], добавлен 12.05.2009
  

Другие документы, подобные "Моделирование тепловых процессов в телекоммуникационных блоках космической аппаратуры"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам