Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Целью данной работы является обеспечение требуемого теплового режима устройства контроля перепадов давлений и температуры, а также, разработка методики определения стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов с помощью моделирования тепловых воздействий и возникающих в результате этих тепловых процессов. Моделирование позволяет получить значения температуры и коэффициента нагрузки по тепловым воздействиям на каждом радиокомпоненте. Моделирование проведено в программном комплексе АСОНИКА - автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры. В качестве результатов работы получены коэффициенты тепловой нагрузки на каждом ЭРИ, картина распределения теплового поля для каждого печатного узла, сделаны выводы о работоспособности блока в заданных в ТУ [1] условиях окружения.

Объектом исследования является «Устройство контроля перепадов давлений и температуры» (ИДП-30), являющееся разработкой предприятия оборонно-промышленного комплекса РФ научно-производственного предприятия АО «Корпорация ВНИИЭМ».

Моделирование тепловых процессов обусловлено необходимостью сохранять работоспособное состояние электронного оборудования при экстремально высоких температурах внешней среды. Моделирование в программном комплексе АСОНИКА позволяет выполнить анализ теплового режима электронных блоков спутников связи на ранних этапах проектирования, на этапе опытно-конструкторской разработки (ОКР).

Главной целью данной ВКР является исследование стойкости электронной бортовой аппаратуры космических аппаратов к тепловым воздействиям. Под стойкостью понимается способность электрорадиоизделий (ЭРИ), установленных на печатных узлах (ПУ) внутри электронного блока сохранять работоспособное состояние в условиях высокой тепловой нагрузки со стороны окружения электронного блока. Для этого необходимо провести математическое моделирование, в результате которого коэффициенты тепловой нагрузки каждого ЭРИ.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- Изучить техническую документацию объекта ИДП-30;

- Провести декомпозицию электронного блока ИДП-30 на изотермические поверхности и определить тип взаимодействия этих поверхностей друг с другом;

- Составить модель тепловых процессов (МТП) электронного блока на основании проведенной декомпозиции на изотермические поверхности с указанием типа теплового сопротивления;

- Создать модель ПУ, входящих в состав ИДП-30 и задать тепловые граничные условия для каждого из них;

- Провести моделирование созданных МТП и получить коэффициенты нагрузки ЭРИ;

- На основании условия стойкости провести анализ полученных коэффициентов нагрузки;

- Разработать решение, позволяющее снизить тепловые нагрузки на ЭРИ в целях повышения стойкости ЭРИ к тепловым воздействиям (с использованием наиболее эффективных систем естественного или искусственного охлаждения).

1. Описание объекта исследования «Устройство контроля перепадов давлений и температуры» (ИДП-30)

1.1 Назначение блока ИДП-30

Устройство контроля перепадов давлений и температуры является составной частью ОКР по разработке автоматики изделия 30 - космического аппарата (КА).

Блок ИДП-30 обеспечивает измерение давления и температуры в составе системы терморегуляции и передает эти данные на бортовую информационную систему, а также передающее устройство в виде телеметрии.

1.2 Конструкция блока ИДП-30

Конструкция блока представляет собой Г-образный алюминиевый блок, внутри которого размещены два ПУ. Рисунки 1.1, 1.2, 1.3 содержат физическую модель блока ИДП-30, разработанную на основании предоставленных чертежей и технической документации.

Рисунок 1.1. ИДП-30. Вид без правой и задней стенки



Рисунок 1.2. ИДП-30. Вид без правой и передней стенки

Рисунок 1.3. ИДП-30. Вид без правой стенки

На рисунке 1.3 изображен блок ИДП-30 без левой стенки. На рисунке видны два ПУ, расположенные на 6 стойках крепления, идущих сквозь весь корпус. Плата АЦП, размером 138мм Ч 58мм Ч 2мм, расположена на расстоянии 2,5мм от основания. Плата DC-DC, размером 138мм Ч 58мм Ч 1,5мм - на высоте 12мм от платы АЦП.

1.3 Требования к стойкости к внешним воздействиям ИДП-30

Согласно пункту 3.4.2 технического задания (ТУ) [5] функционирование блока ИДП-30 происходит при следующих характеристиках воздействующего фактора - повышенной температуры окружающей среды: «Рабочая» - плюс 93°C; «Рабочая кратковременно» - плюс 120°C.

В данной работе кратковременное повышение окружающей температуры не рассматривается, так как проводится исследование стационарного воздействия.

2. Методика определения стойкости с помощью анализа коэффициентов тепловой нагрузки

2.1 Теплопередача и ее разновидности при проектировании бортовой аппаратуры космических аппаратов

В процессе функционирования электронной аппаратуры электрорадиоэлементы (ЭРИ) выделяют энергию в виде тепла, которая идет на нагрев этого ЭРИ, а также окружающих элементов. Передача тепла от одного элемента на другие узлы конструкции происходит с помощью трех видов теплопередачи: кондукция, излучение и конвекция. В данной работе конвекция как вид теплопередачи не будет рассматриваться, так как функционирование объекта исследования происходит в космическом пространстве.

Теплопроводность с помощью кондукции возникает при переносе тепла из одной части тела с более высокой температурой в более холодную часть тела. Поток тепла определяется соотношением:

, (2)

- коэффициент теплопроводности (зависит от материала);

- температура более нагретой области;

- температура менее нагретой области;

- площадь поперечного сечения теплового пути;

- длина теплового пути.

Излучение является единственным в рамках данной работы бесконтактным способом теплопереноса. С точки зрения физики, излучение представляет собой электромагнитное колебание, образующееся при переходе тепловой энергии в лучистую энергию. Закон, который определяет теплопередачу излучением был сформулирован Стефаном-Больцманом:

, (2)

- коэффициент теплопередачи;

- температура излучающего и нагреваемого тела;

- площадь поверхности на излучающем объекте.

Коэффициент теплопередачи, используемый в формуле (2), рассчитывается также на основании температур системы тел:

, (3)

- коэффициент излучения абсолютной черной поверхности;

- коэффициент черноты излучающего объекта.

2.2 Математическое моделирование тепловых процессов в бортовой космической аппаратуре с помощью электротепловой аналогии

Методика определения стойкости ЭРИ бортовой космической аппаратуры изображена на рисунке 2.1 и представляет собой цепь последовательных этапов моделирования тепловых процессов.



Рисунок 2.1 Методика определения стойкости электронных блоков космических аппаратов к тепловым воздействиям

Условие стойкости ЭРИ - это факт не превышения значения величины коэффициента нагрузки по тепловым воздействиям ЭРИ значения 80% от предельно допустимого значения температуры. Вычисляется по формуле:

,

где - фактическое и предельно допустимое по ТУ значение для каждого ЭРИ.

Для того, чтобы определить, являются ли элементы стойкими к внешним тепловым воздействиям, на базисе технической документации, в который входит техническое задание на объект с указанием допустимых условий функционирования объекта в целом и электронного блока в частности, создается проект. В него агрегируются все полученные от разработчика аппаратуры данные, на основании которых далее создаются модели тепловых процессов (МТП) для электронного блока.

МТП является неотъемлемой частью предлагаемого метода определения стойкости, так как именно с помощью МТП производится расчет температурных показателей с помощью метода конечных разностей и электротепловой аналогии.

МТП строится путем декомпозиции электронного блока на составные части до элементарных элементов конструкции, которые в рамках решения данной задачи с заданной точностью и принятыми допущениями можно принять за изотермические поверхности. Под изотермическими поверхностями понимается область пространства на физическом объекте, значение температуры на которой с учетом указанных допущений можно принимать за одинаковую, то есть, среднюю по площади. В практическом виде, МТП представляет собой граф, узлы которого символизируют изотермические поверхности, а ветви - тип связи между ними.

Следующим этапом является моделирование тепловых воздействия на печатный узел (ПУ), который происходит путем создания физической модели ПУ с повторением всех геометрических параметров ЭРИ, материалов, креплений. Связующим звеном между этапами моделирования являются тепловые граничные условия, которые задаются согласно иерархическому подходу к моделированию.

Согласно иерархическому методу, выделяется ряд уровней, на которые можно разбить любую бортовую аппаратуру:

- уровень 1 - отдельные ЭРИ: резисторы, конденсаторы, транзисторы, микросхемы и т.д.;

- уровень 2 - ПУ. В его состав входят печатная плата и размещенные на ней компоненты первого уровня разукрупнения;

- уровень 3 - электронный блок. В состав одного блока могут входить несколько ПУ, отдельные ЭРИ, требующие особенной установки, либо обладающие большими размерами, например, трансформаторы.

На практике выделяется 4-ый уровень, в который входят все предыдущие, в результате чего образуется электронный шкаф. В него, помимо указанных компонентов из первых трех уровней, могут входить элементы конструкции аппараты в целом, а также многоблочные системы бортовой аппаратуры.

Тепловое граничное условие - параметр МТП, который выбирается лицом, проводящим тепловой расчет исходя из иерархического принципа. Так, для моделирования подсистем уровня 2, тепловым граничным условием, применительно для космической бортовой аппаратуры, является температура соседнего конструктивного элемента, на который происходит теплопередача с помощью излучения.

Далее, необходимо создать МТП для каждого ПУ и провести расчет относительно заданных тепловых граничных условий, которых, как правило, может быть более одного. В результате получается вычислить значения температур каждого ЭРИ (формула (3)), на основании чего можно сделать вывод о коэффициенте нагрузки и выполнении условия стойкости данного радиокомпонента, и его функционировании в данных условиях эксплуатации.

На данном этапе ставится задача нахождения такого способа терморегулирования, при котором не произойдет существенного утяжеления конструкции, но который повысит стойкость наиболее нагретых ЭРИ к тепловым воздействиям. Для выполнения этой задачи можно проводить несколько операций. Во-первых, рассмотреть возможность использования радиокомпонентов, выполненных по более сложному техпроцессу, обладающих более стабильными показателями качества при работе. Например, использование ЭРИ с приемкой ВП или ОС.

Другим способом служит изменение схемотехники устройства в целях понижения тепловыделения на нагретых ЭРИ. Данный способ требует пересмотра принципиальной схемы ПУ, однако, позволяет добиться снижения температуры без излишнего утяжеления конструкции.

Третьим методом является внедрение дополнительных способов теплоотвода от нагретых областей бортовой аппаратуры к менее нагретым с помощью тепловых контуров. Реализовать этот способ можно с помощью добавления в конструкцию электронного блока тепловых шин, тепловых трубок, модулей Пельтье.

3. Автоматизированные системы компьютерного моделирования тепловых процессов электронных блоках: АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ

Программный комплекс АСОНИКА представляет собой семейство программ, которые позволяют оценивать надежность и качество электронной аппаратуры. В своем множестве различные подсистемы позволяют комплексно оценивать аппаратуру на ранних стадиях проектирования с точки зрения различного рода внешних воздействий. Для каждой подсистемы комплекса используется буквенное обозначение после аббревиатуры. В данной работе рассматриваются две программы: АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ. На рисунке 3.1 изображена структура программы АСОНИКА-Т.

3.1 АСОНИКА-Т. Описание подсистемы и ее функционала

АСОНИКА-Т - неотъемлемая часть комплекса, которая позволяет проводить оценку влияния внешних тепловых воздействия на тепловые процессы, протекающие в электронном блоке. Данная программа отвечает за тепловую составляющую расчета тепловых процессов электронного блока, о чем и свидетельствует буква «Т» в названии. С ее помощью можно автоматизированным путем проводить расчеты любых конструкций, как типовых, так и сложных, так как функционал программы очень гибкий, однако и требует развитого пространственного мышления у пользователя.

Роль АСОНИКА-Т в математическом моделировании тепловых процессов.

При проведении теплового моделирования необходимо знать и разграничивать функционал каждой подсистемы, а также порядок их использования в алгоритме работы. Так, рассматриваемая АСОНИКА-Т является первой подсистемой в алгоритме и используется для расчета тепловых процессов электронного блока. Важно отметить, что блок в данном случае рассматривается с точки зрения системного подхода, то есть комплекса взаимосвязанных элементов.

Рисунок 3.1. Структура программы АСОНИКА-Т

Входные и выходные параметры при проведении моделирования.

В качестве входных данных программа использует базу данных материалов, а также базу типовых тепловых сопротивлений. Внешними входными данными, вносимыми пользователем, являются:

- Параметры конструкции электронного блока: геометрия и габариты;

- Теплофизические характеристики материалов: коэффициенты теплопроводности, степень облученности, коэффициент черноты;

- Мощности тепловыделения: сумма мощности, выделяющейся в площади поверхности, принятой за изотермическую поверхность.

В роли выходных параметров выступают температура для задания тепловых граничных условий (ТГУ) на следующем этапе моделирования - в программе АСОНИКА-ТМ. В данной работе такими условиями являются температуры соседних конструктивных элементов относительно ПУ, то есть, температуры крышки блока, ПУ «АЦП», ПУ «DC-DC».

3.2 АСОНИКА-ТМ. Описание подсистемы и ее функционала

АСОНИКА-ТМ является частью комплекса, которая предназначена для моделирования стационарных и нестационарных тепловых и механических процессов, протекающих непосредственно на ПУ. На рисунке 3.2 изображена структура программы АСОНИКА-ТМ.

Роль АСОНИКА-ТМ в математическом моделировании тепловых процессов

Использование АСОНИКА-ТМ является обязательной частью моделирования тепловых процессов, так как представляет собой переходную точку от температуры узлов МТП до температуры непосредственно каждого ЭРИ.



Рисунок 3.2. Структура программы АСОНИКА-ТМ

Входные и выходные параметры при проведении моделирования.

Для использования программы АСОНИКА-ТМ необходимо иметь следующую информацию:

- Перечень ЭРИ, установленных на каждом ПУ;

- Технические условия для каждого ЭРИ;

- ТГУ (из АСОНИКА-Т);

- Тепловые мощности выделения.

В результате моделирования происходит расчет температуры ЭРИ и их коэффициентов нагрузки по тепловым воздействиям.

4. Исследование тепловых процессов в блоке ИДП-30

4.1 Модель тепловых процессов электронного блока устройства контроля давлений

теплопередача электронный бортовой

Блок ИДП-30 имеет Г-образную форму. Для проведения расчета тепловых процессов в программе АСОНИКА-Т была произведена декомпозиция блока, в результате чего он был разбит на 4 субблока, которые схематично изображены на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Разбиение блока ИДП-30

На рисунке 4.1 изображены 4 субблока, каждому из которых соответствует один из цветов. Для удобства эти части в графах будут в дальнейшем обозначаться: желтый - субблок 1, красный - субблок 2, синий - субблок 3, зеленый - субблок 4. Разработанная МТП представлена на рисунках 4.2.1 и 4.2.2. Узлы, изображенные на рисунках, представляют собой изотермические поверхности. Каждая изотермическая поверхность обладает своей температурой, усредненной по ее площади. Граф, отражает совокупность тепловых процессов, протекающих внутри блока, а также показывает влияние внешних тепловых процессов на него.

На первом из рисунков изображены узлы, относящиеся к субблоку 1. На втором - узлы субблоков 2, 3 и 4, а также указано их взаимное положение. Жирные сплошные линии обозначают контактный теплообмен между поверхностями.

На рисунке 4.2, отражены печатные узлы (ПУ) блока ИДП-30. Плата АЦП и плата DC-DC крепятся на 6 стойках, которые представлены узлами

9-20. Таким образом, одна стойка конструкции состоит из двух узлов: например, узел 9 является первым «уровнем» для платы АЦП, а ветви графа 1-9-7 отражают кондуктивное тепловое сопротивление через первую стойку от основания блока к плате АЦП. Затем, эта же стойка продолжается узлом 15, а ветви 7-15-8 обозначают поток тепла кондукцией от платы АЦП к плате DC-DC. Аналогичным образом строятся все остальные ветви графа, образующие в итоге МТП.

Рисунок 4.2. МТП субблока 1

На рисунке 4.3 в левой нижней части имеется часть МТП, которая представляет собой модель взаимодействия стоек и окружающих их конструктивных элементов. Шесть стоек связаны поочередно с четырьмя сторонами основного субблока ветвями волнистой формы. Этим типом взаимодействия обозначается излучение.

Рисунок 4.3. МТП субблоков 2, 3, 4.

Ветви, отмеченные символом «T», являются источниками температуры. Они созданы для задания температуры окружающих блок конструктивных элементов. Ветви «Р» - источники мощности. В них указывается суммарная мощность тепловыделения ЭРИ для платы АЦП (узел 7) и для платы DC-DC (узел 8).

Жирные сплошные линии обозначают контактный теплообмен между поверхностями. Они необходимы для того, чтобы визуально разрозненная МТП понималась при расчете как единое целое.

4.2 Результаты расчета макромодели электронного блока ИДП-30

Результатом данного этапа моделирования являются температуры платы АЦП и платы DC-DC (узлы 7 и 8), которые впоследствии будут задаваться в качестве граничных тепловых условий на этапе «Моделирование тепловых процессов ПУ».

Модель, изображенная на рисунках 4.2.1 и 4.2.2, содержит узлы в соответствии с таблицей 1. Ветви связи между узлами отражены в таблице 1.

Таблица 1. Ветви МТП

№п/п	Узлы ветви	Тип
1	1-3	Кондукция между стенками корпуса, основанием и крышкой субблока 1
2	1-4
3	1-6
4	1-5
5	3-2
6	3-6
7	3-5
8	6-2
9	6-4
10	2-5
11	2-4
12	4-5
13 14	1-9-7	Кондукция от основания через стойки креплений к плате АЦП
15	1-10-7
16	1-11-7
17	1-12-7
18	1-13-7
19	1-14-7
20	7-1	Излучение с нижней части платы АЦП на основание
21	7-15-8	Кондукция от платы АЦП через стойки креплений к плате DC-DC
22	7-16-8
23	7-17-8
24	7-18-8
25	7-19-8
26	7-20-8
27	7-8	Излучение с верхней части платы АЦП на плату DC-DC
28	8-2	Излучение с верхней части платы DC-DC на крышку блока
29	1-0	Источник температуры для задания температуры окружающих конструктивных элементов
30	7-0	Источник мощности (Суммарная мощность, рассеиваемая на плате АЦП)
31	8-0	Источник мощности (Суммарная мощность, рассеиваемая на плате DC-DC)
32	3-0	Источник температуры для задания температуры окружающих конструктивных элементов
33	4-0
34	5-0
35	34-0
36	35-0
37	36-0
38	37-0
39	15-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 15 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
40	15-4
41	15-5
42	15-6
43	16-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 16 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
44	16-4
45	16-5
46	16-6
47	17-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 17 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
48	17-4
49	17-5
50	17-6
51	18-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 18 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
52	18-4
53	18-5
54	18-6
55	19-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 19 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
56	19-4
57	19-5
58	19-6
59	20-3	Излучение с цилиндрической поверхности. Излучение с поверхности стойки 20 между платой АЦП и платой DC-DC на стенки корпуса (передняя, задняя, левая, правая)
60	20-4
61	20-5
62	20-6
63	21-23	Кондукция между сторонами субблока 4
64	21-26
65	21-24
66	21-25
67	23-26
68	23-22
69	23-25
70	26-22
71	26-24
72	22-24
73	24-25
74	25-23
75	26-0	Источник температуры для задания температуры окружающих конструктивных элементов
76	22-0
77	24-0
78	21-2	Контактный теплообмен. Связь между основанием субблока 4 и правой стенкой основного блока
79	27-31	Кондукция между сторонами субблока 2
80	27-30
81	27-32
82	27-29
83	31-30
84	31-28
85	31-29
86	30-28
87	30-32
88	28-32
89	28-29
90	32-29
91	28-0	Источник температуры для задания температуры окружающих конструктивных элементов
92	32-0
93	29-0
94	27-0
95	29-6	Контактный теплообмен. Связь между основание субблока 2 и крышкой основного блока
96	33-37	Кондукция между сторонами субблока 3
97	33-36
98	33-38
99	33-35
100	37-36
101	37-34
102	37-35
103	36-34
104	36-38
105	34-38
106	34-35
107	38-35
108	33-2	Контактный теплообмен. Связь между основанием субблока 3 и крышкой основного блока

Результаты расчета также указаны в таблице 2.

Таблица 2. Температуры узлов МТП блока ИДП-30

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Основание субблока 1	93
2	Крышка субблока 1	93
3	Передняя стенка субблока 1	93
4	Задняя стенка субблока 1	93
5	Правая стенка субблока 1	93
6	Левая стенка субблока 1	93
7	Плата АЦП	93.4
8	Плата DC-DC	94.5
9	Уровень 1 стойка 1 (имя узла в МТП: ст11)	93.2
10	Уровень 1 стойка 2 (ст12)	93.2
11	Уровень 1 стойка 3 (ст13)	93.2
12	Уровень 1 стойка 4 (ст14)	93.2
13	Уровень 1 стойка 5 (ст15)	93.2
14	Уровень 1 стойка 6 (ст16)	93.2
15	Уровень 2 стойка 1 (ст21)	93.9
16	Уровень 2 стойка 2 (ст22)	93.9
17	Уровень 2 стойка 3 (ст23)	93.9
18	Уровень 2 стойка 4 (ст24)	93.9
19	Уровень 2 стойка 5 (ст25)	93.9
20	Уровень 2 стойка 6 (ст26)	93.9
21	Основание субблока 4	93
22	Крышка субблока 4	93
23	Передняя стенка субблока 4	93
24	Задняя стенка субблока 4	93
25	Левая стенка субблока 4	93
26	Правая стенка субблока 4	93
27	Основание субблока 2	93
28	Крышка субблока 2	93
29	Левая стенка субблока 2	93
30	Правая стенка субблока 2	93
31	Передняя стенка субблока 2	93
32	Задняя стенка субблока 2	93
33	Основание субблока 3	93
34	Крышка субблока 3	93
35	Левая стенка субблока 3	93
36	Правая стенка субблока 3	93
37	Передняя стенка субблока 3	93
38	Задняя стенка субблока 3	93

Результатом расчета являются температуры платы АЦП и платы DC-DC (узлы 7 и 8). В соответствии с таблицей 2, температура, до которой нагревается плата АЦП, составляет плюс 93.4°C. Температура платы DC-DC равна плюс 94.5°C.

4.3 Моделирование тепловых процессов печатных узлов устройства контроля давлений

Расчет печатного узла «АЦП».

Моделирование ПУ АЦП было проведено в программе исследуемого блока проводилось в программной среде АСОНИКА-ТМ. В целях исследования была создана модель ПУ.

Рисунок 4.4. 2D-вид модели ПУ АЦП

На рисунке 4.4 изображена созданная модель ПУ. На рисунке зеленым цветом показаны элементы, расположенные на верхней (обращенной к плате DC-DC) стороне печатной платы. Также, на рисунке указаны зеленым цветом со штриховкой те элементы, которые установлены на второй (обращенной к основанию) стороне.

Распределение температур и тепловых полей в данном типе конструкции обусловлено использованием алюминиевых крепежных стоек. Каждая из них проходит насквозь от основания к ПУ АЦП, затем к ПУ DC-DC и крепятся к верхней крышке электронного блока. На рисунке они обозначены кругами с черной штриховкой. Созданная модель ПУ изображена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. 3D-вид модели ПУ АЦП

Модель, приведенная выше, состоит из множества ЭРИ, для каждого из которых были заданы его мощность тепловыделения. Расчет производился с использованием тепловых граничных условий, получение которых описано в пункте 3 данной работы (температуры узлов).

Для ПУ задано два тепловых граничных условия, по одному для каждой стороны (верхняя и нижняя). Тип условия - излучение с плоской неразвитой поверхности на соседний конструктивный элемент. Для верхней стороны ПУ соседним элементом, на которое идет излучение является плата DC-DC.



Рисунок 4.6. Тепловое граничное условие для верхней стороны платы АЦП, задаваемое в программе АСОНИКА-ТМ

Рисунок 4.7. Тепловое граничное условие для нижней стороны платы АЦП, задаваемое в программе АСОНИКА-ТМ

Результаты расчета температур ЭРИ для каждой стороны ПУ АЦП приведены в Приложении А.

Расчет печатного узла «DC-DC».

Для моделирования тепловых процессов, протекающих в плате DC-DC была построена модель.

Рисунок 4.8. 2D-вид модели ПУ DC-DC

Рисунок 4.9. 3D-вид модели ПУ АЦП

На рисунке 4.8 зеленым цветом показаны элементы, расположенные на верхней (обращенной к крышке корпуса) стороне печатной платы. зеленым цветом со штриховкой - элементы, установленные на нижней (обращенной к плате АЦП) стороне. Тепловое граничное условие - излучение с плоской неразвитой поверхности на соседний конструктивный элемент. Для верхней стороны - излучение на крышку. Для нижней - излучение на плату АЦП.



Рисунок 4.10. Тепловое граничное условие для верхней стороны платы DC-DC, задаваемое в программе АСОНИКА-ТМ

Рисунок 4.11. Тепловое граничное условие для нижней стороны платы DC-DC, задаваемое в программе АСОНИКА-ТМ

В результате были получены следующие значения температур, указанные в Приложении Б.

4.4 Анализ результатов

Как видно из таблицы 4, все элементы также находятся в рабочем состоянии, но условие стойкости не выполняется для некоторых ЭРИ. Они выделены в таблице 4 курсивом.

Рисунок 4.12. Тепловое поле ПУ DC-DC

5. Способы повышения стойкости блока ИДП-30 к внешним тепловым воздействиям

5.1 Предложенный способ снижения тепловых нагрузок ЭРИ

В качестве способа изменения конструкции с целью понижения нагрузок по тепловым воздействиям ЭРИ для платы АЦП предлагается установить на микросхему DD7 игольчатый радиатор, как это показано на рисунке 5.1. Кроме этого, в модель была внедрена тепловая шина, которая устанавливается поверх микросхемы DA2, и пролегает по печатному узлу к стенке корпуса. Таким образом реализуется система пассивного охлаждения ЭРИ DD7 и DA2, а также близлежащих компонентов (рисунок 5.1 и 5.2).

Рисунок 5.1. Физическая модель ПУ АЦП с системой пассивного охлаждения

Рисунок 5.2. Физическая модель тепловой шины ПУ АЦП

Задавались следующие параметры модели системы пассивного охлаждения: размеры вдоль осей Х и У, толщина, материал. Моделирование проводилось для трех видов материалов: алюминий АМг3, алюминий АМг6, медь.

5.2 Моделирование МТП с добавлением тепловой шины из сплава алюминия АМг3

На рисунках 5.3, 5.4 показано меню программы АСОНИКА-ТМ, где указаны параметры одного из участков тепловой шины.

Рисунок 5.3. Параметры тепловой шины

Рисунок 5.4. Тепловые параметры шины

Эти параметры использованы для расчета теплового поля. Полученные результаты отражены на рисунке 5.5.



Рисунок 5.5. Тепловое поле с пассивным охлаждением

5.3 Моделирование МТП с добавлением тепловой шины из сплава алюминия Амг6

На рисунках 5.6, 5.7 показано меню программы АСОНИКА-ТМ, где указаны параметры одного из участков тепловой шины.

Рисунок 5.6. Параметры тепловой шины

Рисунок 5.7. Тепловые параметры шины

Эти параметры использованы для расчета теплового поля. Полученные результаты отражены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8. Тепловое поле с пассивным охлаждением

5.4 Моделирование МТП с добавлением тепловой шины из меди

На рисунках 5.9, 5.10 показано меню программы АСОНИКА-ТМ, где указаны параметры одного из участков тепловой шины.

Рисунок 5.9. Параметры тепловой шины

Рисунок 5.10. Тепловые параметры шины

Эти параметры использованы для расчета теплового поля. Полученные результаты отражены на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11. Тепловое поле с пассивным охлаждением

5.5 Анализ стойкости различных материалов к тепловым воздействиям

Исходя из результатов, указанных в таблице 3, наиболее нагруженными элементами являются микросхема DD7 и C39. В таблице 5 приведены сравнительные данные, полученные при всех вариантах моделирования для DD7. В таблице 6 приведены сравнительные данные, полученные при всех вариантах моделирования для C39.

Таблица 5. Результаты моделирования тепловых процессов DD7

Материал	ЭРИ	Расчетная температура, С	Допустимая температура, С	Коэффициент нагрузки
Нет шины	DD7	120,811	125,000	0,966
АМг3	DD7	105,124	125,000	0,841
АМг6	DD7	104,039	125,000	0,832
медь	DD7	103,599	125,000	0,829

Таблица 6. Результаты моделирования тепловых процессов C39

Материал	ЭРИ	Расчетная температура, С	Допустимая температура, С	Коэффициент нагрузки
Нет шины	C39	120,746	125,000	0,966
АМг3	C39	105,101	125,000	0,841
АМг6	C39	104,134	125,000	0,833
медь	C39	103,742	125,000	0,83

На основании проведенных расчетов на рисунке 5.12 построен график зависимости температуры элементов DD7 и C39 от материала тепловой шины. По оси абсцисс указаны значения коэффициента теплопроводности (Вт/(мК)).

Рисунок 5.12. Зависимость температуры элементов DD7 (линия 1) и C39 (линия 2) от материала тепловой шины

Наиболее эффективным способом снижения тепловой нагрузки, как видно из рисунка 5.12, является установка шины из меди, так как при одинаковых габаритных параметрах происходит более существенное снижение температуры ЭРИ.

5.6 Исследование тепловых процессов при различных размерах тепловой шины блока ИДП-30

В пункте 5.6 было описано моделирование тепловых процессов ПУ АЦП с установленной на нем тепловой шиной (рисунок 5.2). В ходе процесса моделирования было выявлено, что наиболее пригодным в рамках решения задачи по максимальному снижению рабочей температуры ЭРИ материалом, из которого можно изготовить тепловую шину, является медь. При ее использовании удается понизить рабочую температуру микросхемы DD7 до плюс 103,599 С, а конденсатора C39 до плюс 103,742 С.

Для исследования влияния габаритных размеров тепловой шины на распределение теплового поля было проведено моделирование тепловых процессов для разных конструкций тепловой шины. Размеры, заданные в модели, указаны в таблице 7.

Таблица 7. Расчетная температура элементов C39 и DD7 при различной площади сечения тепловой шины

Ширина, мм	Высота, мм	Площадь сечения, мм*мм	Расчетная температура C39, С	Расчетная температура DD7, С
3.000	3.000	9.000	104.542	103.599
4.000	3.000	12.000	103.981	103.432
3.000	5.000	15.000	103.535	103.273
4.000	5.000	20.000	103.270	102.932
3.000	7.000	21.000	103.217	102.862
5.000	5.000	25.000	102.891	102.580
3.000	9.000	27.000	102.785	102.462
4.000	7.000	28.000	102.724	102.331
5.000	7.000	35.000	102.353	101.970
4.000	9.000	36.000	102.300	101.890
5.000	9.000	45.000	102.202	101.804

На основании данных был построен график, иллюстрирующий то, как падает температура при увеличении ширины и высоты тепловой шины. Параметр длина остается неизменным, так как конструкция шины (рисунок 5.2) при данном расчете не изменялась: варьировались только параметры ширины и высоты согласно таблице 7. График зависимости температуры элементов DD7 и C39 изображен на рисунке 5.13.



Рисунок 5.13. Зависимость температуры элементов DD7 и C39 от габаритов тепловой шины

Стоит отметить, что данный график представляет из себя две линии, концы которых меняют крутизны в стороны более пологого угла, что говорит о том, что дальнейшее увеличение размеров тепловой шины изменяет картину теплового поля слабо и не является целесообразным, так как утяжелит конструкцию, а влияния окажет мало.

Как видно из рисунка 5.13 и таблицы 7, в результате расчета удалось понизить рабочую температуру до плюс 102.202 С и плюс 101.804 С у элементов C39 и DD7, соответственно. Так как DD7 является важным микроконтроллером, было решено установить эту микросхему на тепловую шину с использованием теплопроводной пасты. Результаты моделирования отражены в пункте 5.7.

5.7 Исследование влияния теплопроводной пасты на тепловую нагрузку ЭРИ блока ИДП-30

Исследование влияния теплопроводной пасты проводилось на основе моделирования тепловых процессов, протекающих на микросхеме DD7 платы АЦП, так как в ходе проведения работы была выявлена наибольшая нагрузка по тепловым воздействиям именно на ней.

В пункте 5.5 данной работы было описано полученное снижение температуры микросхемы DD7 до плюс 101.804 С, что, однако, остается слишком высоким уровнем нагрева, так как коэффициент нагрузки составляет 81%. Были выбраны три наиболее популярные термопасты: КПТ-8, АлСил-3, Zalman ZM-STG2. Их характеристики представлены в таблице 8.

Таблица 8. Характеристики теплопроводящих паст

Параметр	КПТ-8	АлСил-3	Zalman ZM-STG2
Динамическая вязкость при 20°С, ПА*с	90-150	130-180	-
Диэлектрическая проницаемость при частоте 10 МГц, не более	4,0	4,8	-
Электрическая прочность, кВ/мм	2-5	10-15	-
Теплопроводность, Вт/м*К	0,7-0,8	1,8-2,0	4,1

Основным параметром является теплопроводность, которым определяется тепловое сопротивление контакта микросхемы к тепловой шине. В зависимости от этого параметра были получены следующие значения температуры элемента DD7, которые занесены в таблицу 9.

Таблица 9. Результаты моделирования

Теплопроводящая паста	Исходная температура DD7, С	Расчетная температура DD7, С	Коэффициент нагрузки
КПТ-8	101.804	100.734	0.805
АлСил-3	101.804	97.760	0.782
Zalman ZM-STG2	101.804	95.351	0.763

Условие стойкости, описанное в пункте 1, не выполняется при использовании термопасты КПТ-8, однако для следующим двух вариантов оно выполняется с запасом. Тепловое сопротивление термопасты АлСил-3 позволяет снизить температуру на 4.044 С, обеспечив коэффициент нагрузки 78.2 %. Использование более дорогой термопасты нецелесообразно, так как дальнейшее понижение температуры необязательно, а сама термопаста не отечественного производства.

Таким образом, использование всех вышеуказанных мер в виде внедрения тепловой шины и установки ЭРИ к тепловой шине через термопасту АлСил-3 позволяет снизить температуру элемента DD7 с плюс 120,811 С до плюс 97.760 С обеспечив допустимый коэффициент нагрузки по тепловым воздействиям равный 78.2 %. Благодаря этому, происходит перераспределение тепла и часть тепла, ранее нагревавшая конденсатор C39, переходит на корпус, из-за чего температура элемента C39 снижается до плюс 99.5 С.

Заключение

Тепловой расчет электронного блока ИДП-30 показал, что ЭРИ обоих ПУ находятся в рабочем состоянии, однако ряд элементов, размещенных на плате АЦП, находится в условиях, не гарантирующих их функционирование при заданных условиях, так как коэффициент нагрузки по тепловым воздействиям на них превышает разрешенное в рамках условия стойкости значение (температура ЭРИ при функционировании 80% от предельно допустимой температуры). Такие высокие показатели коэффициентов нагрузки по тепловым воздействиям при колебаниях температуры окружения могут привести к перегреву ЭРИ, вследствие этого возможно нарушение принципиальной схемы устройства.

Наиболее нагретыми элементами являются микросхема DD7 (плюс 120,811°C) и конденсатор C39 (плюс 120,746 °C). В результате проведенных расчетов была выявлена необходимость внедрения системы терморегулирования для достижения тепловой нагрузки на ЭРИ менее 80%. Для указанных элементов значения коэффициентов нагрузки равны 96.6%.

В ходе работы было проведено моделирование тепловых процессов, протекающих в блоке ИДП-30, при различных способах доработках конструкции. Рассматривалось внедрение тепловой шины на ПУ АЦП, а также установка радиатора на элемент DD7, который является источником нагрева размещенных вблизи него элементов. При проектировании тепловой шины путем анализа результатов моделирования был выбран материал и размеры тепловой шины, при которых обеспечивается достаточное снижение расчетной температуры элементов DD7 и C39. Внедрение в конструкцию блока тепловой шины, и установка ЭРИ на нее через термопасту АлСил-3 позволяет снизить температуру элемента DD7 с плюс 120,811 С до плюс 97.760 С. Это обеспечивает коэффициент нагрузки по тепловым воздействиям у DD7 на разрешенном уровне 78.2 %. Что касается конденсатора C39, то часть тепла, которая изначально рассеивалась через корпус и нагревала его до плюс 120,746 С, теперь посредством тепловой шины переходит на корпус, что снижает температуру C39 до плюс 99.5 С, обеспечивая коэффициент тепловой нагрузки 79.6%.

Таким образом, поставленные задачи были выполнены. В результате выполнения удалось провести успешную работу по исследованию стойкости блока ИДП-30 к тепловым воздействиям путем математического моделирования в программной среде АСОНИКА с использованием подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ.

Результаты моделирования тепловых процессов были использованы для корректировки конструкции блока на стадии эскизного проектирования в АО «Корпорация ВНИИЭМ».

Список литературы

1. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1. / Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 368 с.

2. Кофанов Ю.Н., Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1991 - 360 с.

3. ГОСТ 15150-69.

4. ГОСТ РВ20.39.304-98.

5. Техническое задание №30.300.00.205 на составную часть опытно-конструкторской работ. «Разработка устройства контроля перепадов давлений и температуры».

Приложение 1

Результаты расчета ПУ АЦП

Таблица 10. Температуры ЭРИ на ПУ АЦП при первичном моделировании



Приложение 2

Результаты расчета ПУ DC-DC

Таблица 11. Температуры ЭРИ на ПУ DC-DC при первичном моделировании



Приложение Б

Результаты расчета ПУ АЦП после вторичного моделирования

Таблица 12. Температуры ЭРИ на ПУ АЦП при вторичном моделировании



Размещено на Allbest.ru

...