CC BY
13
НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ_
УДК 621.396.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РЭС
С. И. Верхман, И. Н. Пергун, С. Н. Цыбульский Омский государственный технический университет
Проведены исследования работоспособности элементов РЭС с применением программного комплекса COSMOS, который позволяет осуществлять анализ работоспособности изделия в заданных условиях эксплуатации - воздействие локальных источников тепла, линейных и вибрационных перегрузок . Анализ теплового режима проводился для блока вторичного электропитания радиоприемного комплекса 4-го поколения. Даны результаты расчета и вариант оптимизации конструкции источника и платы устройства. Результаты исследований позволили проанализировать тепловой режим источника питания и сравнить их с заданными условиями эксплуатации. Расчет напряженно-деформированного состояния платы синтезатора частот дает возможность определить ее работоспособность при заданных значениях линейных и вибрационных перегрузок.
Основой автоматизированных систем проектирования являются компьютерные модели, которые позволяют определить поведение конструкции и ее функциональных узлов в зависимости от внешних воздействующих факторов, описать геометрию деталей, провести тепловые и прочностные расчеты, автоматизировать создание технологической документации, используя типовые решения. Внедрение в конструкторскую деятельность подобных автоматизированных комплексов требует мощной аппаратной поддержки, с помощью которой возможно решение всего комплекса стоящих перед инженером-конструктором задач.
В данной статье приведены результаты исследования работоспособности элементов РЭС с применением программного комплекса COSMOS, который позволяет осуществлять анализ работоспособности изделия в заданных условиях эксплуатации - воздействие локальных источников тепла, линейных и вибрационных перегрузок.
Анализ теплового режима проводился для блока вторичного электропитания радиоприемного комплекса 4-го поколения. Температурный уровень работы блока 60 °С. Рассеиваемая мощность 6.7 Вт. При этом общая мощность источника питания 20 Вт. Была задана максимально допустимая температура перегрева каждого элемента. Для наиболее нагруженных элементов блока определены выделяющиеся на них мощности. Блок выполнен в виде функциональных узлов ТМП на подложках из материала 22ХС, которые устанавливались в герметичный корпус из дюралюминия (Д16). Необходимо было получить диаграмму температурного распределения блока, определить температуры перегрева электрорадиоэлементов и сравнить их с заданными. Результаты анализа открывали
возможность наметить мероприятия по обеспечению нормального теплового режима для каждого элемента и предусмотреть работы по минимизации массовых и габаритных показателей блока.
Объект исследования был представлен в виде тонкой пластины. Процесс распространения тепла для пространственно-временной модели описывается уравнением третьего порядка в частных производных с внутренними локальными источниками на поверхности пластины при граничных условиях третьего рода. (рис. 1).
I I I | 1 N Р, Вт
1 2 - 3 — 4
1,5,8-
ft 11.13-
15,17- 0.1
7 8 9 - 10 19
6 11 2 2
12 3,4 0.5
19 16 6,12 0.4
14 7 0.2
1? 16 1.5
17 18
Рис. 1. Топологический чертеж модели блока питания
НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Поставленная задача в данной математической интерпретации решается численным методом с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Коэффициент теплоотдачи зависит от температуры, и необходимо проведение итерационного процесса для вычисления данного параметра. ППП "COSMOS/M" позволяет делать расчет нестационарного теплового режима. В результате расчета получена диаграмма температурных полей на заданном временном интервале.
Новые схемотехнические решения, в том числе уменьшение числа элементов в электрической схеме источника питания, проведение перекомпоновки элементов на плате, применение другой элементной базы позволяют уменьшить габариты блока в 2.5 раза с обеспечением заданного теплового режима. При этом уменьшение габаритов источника приводит к увеличению теплового потока, который может быть уменьшен при оребрении корпуса.
Результаты расчета и оптимизированный вариант конструкции источника представлен в виде диаграммы температурного поля (рис.2).
"ЕМР.
28.109
Г.\! = 21rJ?Ç
ИГ = 651
№ = 26,37?
ПГ = J-fÇ
Рис. 2. Диаграмма температурного поля модернизированной конструкции источника
Современные конструкции радиоэлектронной аппаратуры работают в условиях сложных внешних механических воздействий. В связи с этим при проектировании таких конструкций возникает необходимость выполнения динамических расчетов с целью определения напряженно-деформированного состояния и диапазона допускаемых динамических перегрузок в заданных условиях эксплуатации.
Цель работы - исследование возможностей применения программного комплекса COSMOS/M для моделирования напряженно-деформированного состояния платы РЭА при воздействии механических нагрузок. В качестве объекта исследования принимается конструкция синтезатора частот магистрального радиоприемного устройства, которая представляет собой печатную плату с установленными на ней радиоэлементами. Габаритные размеры блока 280x140x30 мм. Плата изготовлена из фольжрованного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Основным элементом конструкции является печатная плата. Ее модель может быть представлена в виде тонкой пластины, математическая модель которой выражается уравнением в частных производных четвертого порядка для изогнутой поверхности с граничными условиями первого рода. Топологический эскиз представлен на рис. 3.
Необходимо определить работоспособность конструкции при воздействии линейных и вибрационных нагрузок. Рабочий диапазон частот 5 -500 Гц, ускорение 2 д. Результаты анализа позволяют наметить мероприятия по оптимизации конструкции с сохранением работоспособности в заданных пределах. Для расчетов блок представлен в виде прямоугольной пластины с установленными на ней моделями элементов, определяющих массу. К ним относятся катушки индуктивности, задающий генератор, гибридная интегральная схема (ГИС), транзистор. Блок подвергался нагрузкам в соответствии с условиями эксплуатации.
После ввода исходных данных производится расчет напряженно-деформированного состояния при воздействии статической нагрузки величиной 2 д. Полученные значения напряжений намного меньше критических для материала платы. Далее производится динамический расчет конструкции при воздействии вибраций в диапазоне 5 - 500 Гц амплитудой 20 д.
На первом этапе динамического анализа рассчитывались собственные частоты конструкции. В результате были получены три собственные частоты: f1=179 Гц, f2=253 Гц, f3=390 Гц. На втором этапе рассчитывалось напряженно-деформированное состояние. В результате было получено максимальное нормальное напряжение по оси X = 21 МПа. Анализ диаграммы напряженно-деформированного состояния позволяет предположить, что максимальные напряжения возникают вблизи защемления, но их значения далеки от критических (рис.4).
Результаты исследований позволили проанали-
НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
зировать тепловой режим источника питания с целью определения его соответствия заданным условиям эксплуатации при обеспечении минимальных массо-габаритных характеристик. Расчет напряженно-деформированного состояния платы синтезатора частот дал возможность определить ее работоспособность при заданных значениях линейных и вибрационных перегрузок. Таким образом, применение пакета прикладных программ COSMOS является актуальным при использовании систем автоматизированного проектирования и оптимизации конструкции РЭС.
ЛИТЕРАТУРА
1.Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. -П.: Энергия,1968 -360с.:ил.
2.Карпушин В. Б. Виброшумы радиоаппаратуры. -М.: Сов. радио,1977.-320 с.
3.Токарев М. Ф. Талицкий Е. Н., Фролов В. А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. В. А. Фролова. - М.: Радио и связь, 1984.-224 с.
26 декабря 1997 г.
! О
I ° ! ° : 0
| о
! о
I о
i о
О i !
3 L.J
1 .
1!
Рис. 3. Топологический эскиз платы: 1 - катушка индуктивности; 2 - опорный генератор; 3 - дроссель;4 - выпрямитель; 5 - гибридная микросхема; о - сосредоточенная масса; затемненные участки - защемление; — шарнир
1 1 131344
щ с 2Б2ЕЕ7
.......... •с 234051
ШМ < 5253Г5
1§Ш1 < 656?W
щщ < 7Q№£2
шщ < SU94BG
щт\ < 1Я5075О
iiiill < uszEm
•с ЦП«?
1 < l-mrai
ШШ1 < 1576125
ШШШ] \
Jggggl < iajaeis
ill
ш У гзта:=з
го: e.aeee
»г::: J
9 •T
Рис. 4. Диаграмма напряженно-деформированного состояния платы синтезатора частот
Верхман Сергей Израилович - кандидат технических наук, доцент кафедры "Конструирование приборов и радиоаппаратуры" Омского государственного технического университета; Пергун Игорь Николаевич - начальник вычислительного центра радиотехнического
факультета Омского государственного технического университета; Цыбульский Сергей Николаевич -ассистент кафедры КПРА Омского государственного технического университета.
