Научная статья на тему 'Численное моделирование напряженно-деформированных состояний модуля из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики вследствие тепловых режимов работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Часть 2. Проведение численного моделирования'

Численное моделирование напряженно-деформированных состояний модуля из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики вследствие тепловых режимов работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Часть 2. Проведение численного моделирования Текст научной статьи по специальности «Механика»

CC BY
42
80
Поделиться
Ключевые слова
численное моделирование / тепловые режимы / напряженно-деформированные состояния / модуль из низкотемпературной керамики / ANSYS Workbench / бортовая радиоэлектронная аппаратура

Аннотация научной статьи по механике, автор научной работы — Алексеев Валерий Павлович, Карабан Вадим Михайлович, Пономарев Сергей Васильевич, Сунцов Сергей Борисович

Разрабатываемая в ходе выполнения данной работы методика численного моделирования напряженно-деформированных состояний, возникающих в результате воздействия температурных нагрузок, предназначена для обеспечения достоверного прогноза долговечности материалов конструкции модуля из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики на ранних этапах его создания.

Похожие темы научных работ по механике , автор научной работы — Алексеев Валерий Павлович, Карабан Вадим Михайлович, Пономарев Сергей Васильевич, Сунцов Сергей Борисович,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Численное моделирование напряженно-деформированных состояний модуля из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики вследствие тепловых режимов работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Часть 2. Проведение численного моделирования»

232

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

УДК 621.396.6

В.П. Алексеев, В.М. Карабан, С.В. Пономарев, С.Б. Сунцов

Численное моделирование напряженно-деформированных состояний модуля из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики вследствие тепловых режимов работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Часть 2. Проведение численного моделирования

Разрабатываемая в ходе выполнения данной работы методика численного моделирования напряженно-деформированных состояний, возникающих в результате воздействия температурных нагрузок, предназначена для обеспечения достоверного прогноза долговечности материалов конструкции модуля из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики на ранних этапах его создания.

Ключевые слова: численное моделирование, тепловые режимы, напряженно-деформированные состояния, модуль из низкотемпературной керамики, ANSYS workbench, бортовая радиоэлектронная аппаратура.

Условия, принятые при проведении расчетов:

- теплообмен верхней и боковых граней модуля из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики (НТК) с внешней средой (вакуум) задан только за счет радиационного излучения;

- температура внешней среды изменяется по синусоидальному закону в пределах от минус 10 до плюс 40 °С, с периодом в 7200 с;

- температура плиты-основания (в расчете не участвует и на рис. 1 не отображена), контактирующая с нижней поверхностью модуля на основе НТК, также изменяется по синусоидальному закону от плюс 30 до плюс 40 °С;

- при механическом расчете нижняя грань модуля считается жестко закрепленной. Перечень конструктивных элементов модуля из НТК (см. рис. 1), а также их материалы изготовления приведены в табл. 1.

Ч Т I,- |0 10 [0 [0 о ■;■ \ \ ^ И н Ш- II О - ¿3 Hi и N ii- £?Wo,lshaat

S....I,, ».»,«, ^Thermal Point Mass | Ц

Рис. 1. Геометрическая модель модуля из НТК, насчитывающая более 20 спеченных слоев

керамика-металл

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Таблица 1

Материалы соответствующих элементов конструкции модуля

Элемент конструкции Материал

Слой платы Керамика DuPont Green Tape 951

Внутренние проводящие слои Серебряные пасты 6142D, 6148 и фоточувствительная паста 6453

Наружные проводящие слои Серебряно-платиновая паста QS 171

Прецизионные проводники Фотопасты 6778 и Q170P

Переходные отверстия Серебряная паста 6141

Внутренние (скрытые) резисторы Пасты серии CF

Наружные резисторы Пасты серии QT-80

Ориентировочные (приближенные) тепловые и механические характеристики применяемых материалов (керамики и металлизированных паст) приведены в табл. 2-4 (по данным зарубежной коммерческой электронной базы данных материалов www.matweb.com).

Таблица 2

Керамика марки DuPont Green Tape 951_

Параметр Значение

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) 3

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) 989

ТКЛР, °С-1 5,8 • 10"7

Плотность, кг/см3 3100

Модуль Юнга, ГПа 152

Коэффициент Пуассона 0,22

Предел прочности, МПа Растяжение - 185, изгиб - 320, сжатие - 1800

Таблица 3

Серебряные пасты 6141, 6142D, 6148, 6453, 6778, CF_

Параметр Значение

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) 390

Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) 234

ТКЛР, °С-1 1,69 • 10"6

Плотность, кг/см3 10500

Модуль Юнга, ГПа 76

Коэффициент Пуассона 0,38

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Предел прочности, МПа Растяжение - 140

Таблица 4 Серебряно-платиновые пасты Q170P, QS 171, QT-80

Параметр Значение

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 235

Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) 184

ТКЛР, °С-1 2,87 • 10"6

Плотность, кг/см3 16000

Модуль Юнга, ГПа 209

Коэффициент Пуассона 0,39

Предел прочности, МПа Растяжение - 185, изгиб - 320, сжатие - 1800

Результаты проведенного теплового и механического моделирования конструкции модуля на основе НТК представлены на рис. 2-4.

Оценка адекватности и достоверности скорректированной тепловой модели осуществляется путем сравнения результатов численных расчетов со значениями температур, полученными в ходе экспериментального исследования.

Экспериментальные данные и соответствующие им расчетные значения занесены в табл. 5.

234

ЭЛЕКТРОНИКА,, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис. 2. Результат теплового моделирования модуля КП НТК

Рис. 3. Детальный вид деформации конструкции модуля КП НТК

Рис. 4. Детальный вид напряжения конструкции модуля КП НТК

Таблица 5 Сводная таблица результатов температур модуля КП НТК, рассчитанных и измеренных

Элемент конст- Рассчитанные Измеренные значе-

рукции значения, °С ния, °С

Вытянуть 1-21 38,9 39,7

Вытянуть 1-22 38,1 39,4

Вытянуть 1-10 38,7 39,5

Вытянуть 1-13 38,3 39,4

Вытянуть 1-1 37,9 39,5

Из данных представленной табл. 5 видно, что рассогласование расчетных и экспериментальных результатов ведется в широких пределах (до 0,4 °С).

Данное обстоятельство можно отнести к неточностям вводимых исходных данных и параметров характеристик материалов, их изменением в процессе технологической обработки.

Заключение. Предложенный подход и реализованные математические модели позволяют на этапе проектирования проводить оценочные тепловые и механические расчеты подобных конструкций модулей КП НТК для бортовой РЭА и направлены на выявление проблемных мест для принятия дополнительных конструктивных решений.

Однако применение подобных моделей на практике сопряжено с проведением значительных исследований по уточнению имеющихся и выявлению недостающих значений функций и констант тепловых и механических характеристик применяемых материалов.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Работа выполнена в порядке реализации постановления № 218 Правительства РФ и договора № 2148 от 05.07.2010 г. ТГУ с ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева.

Алексеев Валерий Павлович

Канд. техн. наук, доцент каф. конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУРа

Тел.: 8-913-812-23-81

Эл. почта: 106@vtomske.ru

Карабан Вадим Михайлович

Канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник ТУСУРа

Тел.: 8-913-872-45-21

Эл. почта: karaban_vm@mail.ru

Пономарев Сергей Васильевич

Канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией НИИ ПММ ТГУ

Тел.: 8-903-952-81-97

Эл. почта: psv@niipmm.tsu.ru

Сунцов Сергей Борисович

Начальник отдела конструирования бортовой РЭА

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск)

Тел.: 8-908-020-38-25

Эл. почта: sbsun@iss-reshetnev.ru

Alekseev V.P., Karaban V.M., Ponomarev S.V., Syncov S.B.

Numerical simulation of stress-strain states of a low temperature jointly-burning ceramics module caused by thermal modes of onboard electronic equipment. Part 2. Numerical simulation

A technique for numerical simulation of stress-strain states, which result from the thermal loads impacts, is developed. The technique is intended for reliable forecast of durability of the low temperature jointly-burning ceramics module at early stages of its creation.

Keywords: numerical simulation, thermal modes, stress-strain state, low-temperature ceramics module, ANSYS workbench,onboard electronic equipment.