CC BY
142
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
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
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
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
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.
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: [email protected]
Карабан Вадим Михайлович
Канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник ТУСУРа
Тел.: 8-913-872-45-21
Эл. почта: [email protected]
Пономарев Сергей Васильевич
Канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией НИИ ПММ ТГУ
Тел.: 8-903-952-81-97
Эл. почта: [email protected]
Сунцов Сергей Борисович
Начальник отдела конструирования бортовой РЭА
ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск)
Тел.: 8-908-020-38-25
Эл. почта: [email protected]
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.
