ГОУВПО "Воронежский государственный технический

университет"

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

МЕТОДЫ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ РЭС ПРИ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

МЕТОДИЧЕСКое УКАЗАНИе

к лабораторной работе

по дисциплине “Автоматизированные системы диагностики и контроля испытаний видеотелевизионных систем ” для студентов очной формы обучения специальности 210201

“Проектирование и технология радиоэлектронных средств”

Воронеж 2010

Составители: доц. Никитин Л.Н., аспирант Лозовой И.А.

УДК 621.396.6

Методическое указание к лабораторной работе по дисциплине “Автоматизированные системы диагностики и контроля испытаний видеотелевизионных систем ” для студентов очной формы обучения специальности 210201“Проектирование и технология радиоэлектронных средств”/ ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет; сост. Л.Н. Никитин, И.А. Лозовой. Воронеж, 2010. 28 с.

В лабораторных работах приводятся краткие теоретические сведения по основным методикам комплексного анализа тепловых характеристик радиоэлектронных средств.

Предназначены для студентов специальности 210201 “Проектирование и технология радиоэлектронных средств” по дисциплине “ Автоматизированные системы диагностики и контроля испытаний видеотелевизионых систем”. Методические указания снабжены рекомендуемой литературой.

Табл. 4. Ил.2. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент Скоробогатов В. С.

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ГОУВПО "Воронежский государственный

технический университет", 2010

Лабораторная работа

МЕТОДЫ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ РЭС ПРИ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

1 Общие указания

Цель работы: в процессе выполнения лабораторной работы студент должен выполнить следующие виды деятельности:

1)уяснить методику и структуру расчёта, необходимого для автоматизированного испытания РЭА на воздействие тепла;

2) согласно данным индивидуального задания провести термальный анализ с использованием системы автоматизированного проектирования Сгео Elements/Pro 5.0.

3) согласно данным индивидуального задания провести расчёт термальных напряжений с использованием системы автоматизированного проектирования Сгео Elements/Pro 5.0.

Испытания являются одним из важнейших этапов жизненного цикла продукта. Проведение испытаний позволяет определить пригодность применения материалов и сырья для изготовления продукции, проконтролировать качество получаемого материала, а также определить возможность использования технологических приемов и методов при изготовлении изделий. Одним из важнейших видов испытаний на внешние факторы является испытание на тепловые воздействия, позволяющие провести проверку параметров и сохранности внешнего вида изделий в условиях воздействия повышенной температуры при эксплуатации. Среди различных методов испытаний одним из перспективных является метод математического моделирования, позволяющий провести относительно быстро оценку работоспособности устройства, снизить затраты на его конструирование и получить высокую достоверность результатов испытаний.

2 Задание к работе и методические указания по их выполнению

2.1 Задание первое

Уяснить методику и структуру расчёта, необходимого для автоматизированного испытания РЭА на воздействие тепла.

Для выполнения домашнего задания следует проработать содержание настоящего материала.

Температурные воздействия окружающей среды являются одним из основных климатических факторов, обуславливающих нестабильность и деградацию параметров РЭС. Существенное влияние температуры на стабильность параметров РЭС обусловлено температурной зависимостью электрофизических параметров материалов. Определенную опасность для РЭС представляют резкие колебания температуры окружающей среды вследствие наличия в конструкции сопряженных материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР).

Тепловое проектирование - проектирование конструкции, которое позволяет обеспечить требования к нормальному тепловому режиму аппаратуры. Задачи теплового проектирования РЭА решаются поэтапно в соответствии с иерархическими уровнями конструирования. На каждом этапе параметры конструкции и системы охлаждения выбирают, исходя из требований к характерным температурам модулей (конструктивных единиц) данного уровня. При разработке конструкции и системы охлаждения исходными данными являются требования к допустимым средним температурам блоков и температурам теплоносителей на входе в блоки. Эти допустимые температуры, в свою очередь, определяются при анализе теплового режима блоков и плат на основе требований к допустимым температурам корпусов элементов. Допустимые температуры корпусов элементов находят при анализе температурных полей ИС и МСБ.

Тепловое проектирование на каждом этапе включает решение следующих основных задач: 1) выбор базовой конструкции и схемы системы охлаждения; 2) выбор параметров конструкции и системы охлаждения; 3) расчет температурных полей на данном уровне и проверка выполнения требований к допустимым температурам; 4) оптимизацию параметров конструкции и системы охлаждения.

На начальном этапе проектирования для выбора базовых конструкций и их основных параметров используются методики, использующие ограниченную информацию о рассеиваемых мощностях, допустимых температурах, условиях эксплуатации и ограничениях на габариты. При тепловом проектировании блоков возникают задачи выбора базовой схемы системы охлаждения и основных параметров конструкции в условиях, когда отсутствует информация о распределении мощностей по отдельным платам и их размещении в блоке. Исходными данными для решения этой задачи являются суммарная мощность Р_∑ выделяемая в блоке, максимальная температура среды Тср, размеры ячеек на печатных платах lх, ly

Кроме того, задаются некоторые ограничения: например, предельно допустимые габариты блока Lx, Ly, Lz или ограничения на расходы воздуха при принудительной вентиляции, или требования герметичности корпуса и т д.

Для установки связи между перегревами нагретой зоны блоков и удельным тепловым потоком на единицу площади наружной поверхности нагретой зоны используют вероятностные зависимости. Такие зависимости построены для блоков в герметичном корпусе c естественным воздушным охлаждением и с внутренним перемешиванием воздуха и для блоков в перфорированном корпусе c естественной и c принудительной вентиляцией. На основе этих зависимостей проводится выбор той или иной базовой схемы системы охлаждения блока.

На основе моделей блоков получают более детальные зависимости, которые связывают мощность, максимальный из средних перегревов плат и основные параметры конструкции блока. Выбор основных и не основных параметров должен быть проведён на основе предварительного математического моделирования.

Для построения искомых зависимостей при каждой фиксированной совокупности значений основных параметров выполняется многократный расчет Tmax для L случайных наборов значений не основных параметров. Совокупность полученных случайны значений {Tmax,L} подвергается статистической обработке и находятся оценки математического ожидания и дисперсии. Эти оценки определяют наиболее вероятный тепловой режим при заданных основных параметрах и возможные отклонения температуры из-за различия в не основных параметрах.

Для обобщения результатов вводится параметр , равный отношению перегрева центральной платы к мощности, приходящейся на единицу площади ячейки (1)

= (Т_max-Т_ср) l_х l_y/P. (1)

Введение в качестве искомой характеристики теплового режима параметра позволяет перевести мощность P и температуру среды Тср в группу не основных параметров, сократив тем самым число основных параметров.

После выбора базовой конструкции решение задач компоновки модулей, корректировки конструктивных и режимных параметров проводится в режиме диалога на ЭВМ путем сочетания неформальных процедур перебора и анализа вариантов с формальными процедурами оптимизации. Математическим обеспечением этого этапа проектирования являются пакеты прикладных программ, которые реализуют методики расчета теплового режима на различных конструктивных уровнях аппаратуры. Информационное обеспечение включает базы данных по свойствам материалов, параметрам типовых конструктивных элементов, характеристикам «тепловой элементной базы» (радиаторы, вентиляторы, теплообменники, тепловые трубы и т. д.).

Опыт решения реальных задач проектирования показывает, что определяющую роль играет неформальный перебор и анализ вариантов конструкций, проводимый человеком. При этом задача автоматизированной подсистемы теплового проектирования - дать пользователю инструмент для оперативного расчета температурных полей c требуемой степенью детализации, позволяющий быстро и удобно вносить коррекции в описание исследуемой конструкции. Однако при решении отдельных задач весьма эффективным является применение формальных процедур оптимизации.

При размещении элементов в электронном устройстве необходимо совместно учитывать коммутационные и тепловые требования. Во многих случаях коммутационные требования при размещении состоят в минимизации длин связей (электрических соединений) между элементами.

Процесс переноса тепловой энергии в пространстве с неоднородные полем температуры называется теплообменом. Теплообмен вычисляются тремя способами:

- конвекция;

- теплопроводность;

- тепловое излучение.

Температурным полем называется совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени. Температура поля - это скалярная величина. Если температура является функцией только пространственных координат, процесс теплообмена стационарный и температурное поле стационарное. Если температура изменяется, то процесс теплообмена и температурное поле нестационарны. Если соединить точки теплотехнического объекта, имеющие одинаковую температуру, получим поверхность, называемую изотермической.

Уравнение теплопроводности может быть получено на основе закона сохранения энергии и для тепловой системы он будет следующий: изменение во времени количества тепловой энергии в элементарном объеме равно сумме притока (стока) энергии через его поверхность с учетом выделения энергии в том же объеме в единицу времени внутренними источниками (2)

, (2)

где Q - количество тепловой энергии в единице объема;

q - вектор плотности теплового потока;

- количество энергии, выделяемой в единицу времени.

Данная величина характеризует мощность внутренних источников теплоты. Изменение количества тепловой энергии в единице объема пропорционально изменению температуры (3)

, (3)

где С - удельная теплоемкость материала;

р – плотность материала.

Плотность теплового потока в соответствии с законом Фурье пропорциональна градиенту температуры (4)

, (4)

где - коэффициент теплопроводности.

Следовательно

. (5)

Для однородного изотропного тела , выражение дивергенции градиента температуры можно записать в следующем виде (6)

. (6)

Для одномерного случая, когда теплопередача осуществляется

только в одном направлении, можно записать (7)

, (7)

где .

Для решения последнего уравнения должна быть задана функция и краевые условия. Кроме этого, необходимо описание геометрии объекта и свойств объекта и среды. Для многих объектов можно принимать равным нулю. K таким объектам можно отнести твердые тела, стенки теплообменников, барабаны различных фрикционных муфт и т. д. B этом случае для материала, обладающего изотропными свойствами (8)

. (8)

При описании граничных условий в зависимости от наличия информации о теплообмене на граничной поверхности принимаются различные допущения. B простейшем случае задают граничные условия 1-го рода. То есть задается распределение температуры на граничной поверхности как функция координат и времени (9)

. (9)

Граничные условия 2-го рода описывают распределение производных температуры по пространственным координатам (10)

. (10)

В этом случае - модуль вектора градиента температур

Граничные условия 2-го рода характеризуют распределение плотности теплового потока на граничной поверхности.

При отсутствии теплового потока теплообмен с окружающей средой не осуществляется, то есть граничная поверхность объекта теплоизолирована и в этом случае граничное условие = 0.

Граничные условия 3-го рода позволяют конкретизировать характеристики теплообмена с внешней средой, при этом задается распределение плотности теплового потока на граничной поверхности.

При конвективном теплообмене плотность теплового потока на граничной поверхности пропорциональна разности температуры окружающей среды и температуры граничной поверхности. B этом случае

. (11)

Последнее уравнение выражает закон Ньютона и данное уравнение можно записать для баланса тепловых потоков в следующем виде (12)

. (12)

Данное уравнение выражает граничные условия 3-го рода при конвективном теплообмене. Граничные условия 1-го и 2-го рода являются частными случаями данного уравнения.

Если и или и , то и равны. Следовательно переходим к граничному условию 1-го рода.

Если , получим граничное условие 2-го рода.

При лучистом теплообмене между твердым телом и внешней средой плотность теплового потока определяется по закону Стефана-Больцмана (13)

, (13)

где, - степень черноты поверхности; - постоянная Стефана-Больцмана.

На основе предыдущих уравнений можно получить уравнение граничных условий для одномерного теплотехнического объекта. Уравнения 1-го рода будут выглядеть следующим образом (14)

, (14)

где, - температура на границах (левой и правой).

Уравнения 2-го рода (15)

(15)

Граничные условия 3-го рода (16)

(16)

Отметим, что на левой и правой граничных поверхностях могут быть различные виды теплообмена.

Многие объекты выполняются многослойными. Обычно один из слоев обеспечивает несущую способность, другие выполняют роль теплоизолирующих или фрикционных элементов. B многослойных объектах наряду с теплопроводностью имеет место теплообмен, и математическая модель такого объекта должна включать условия теплообмена.

При анализе температурных полей все части объекта необходимо рассматривать совместно. Для каждой части записывается свое уравнение теплопроводности, краевыми условиями будут условия сопряженности, которые выражают равенство температур и равенство тепловых потоков на поверхностях соприкасающихся частей. Эти уравнения будут являться граничными условиями 4-го рода.

Если внешние воздействия на объект, характеризуемые функциями краевых условий, непостоянны, процесс теплопередачи будет нестационарным, поэтому, кроме краевых условий, нужно задавать начальные условия.

Совокупность уравнений теплопроводности и граничных условий составляет математическую модель теплового объекта на микроуровне. Результатом решения данного уравнения является температурное поле объекта.

2.2 Задание второе.

Управляющий модуль состоит из печатной монтажной платы (PCB) с центральным процессором и несколькими интегральными схемами и несколькими дополнительными компонентами, такими, как разъем питания переменного тока, трансформатор, маленького вертикального радиатора для регулятора напряжения. Много электрических компонентов не включено в модель – только те, что поглощают или выделяют значительное количество тепла, важного для анализа.

Упражнение 1: Задание материалов

Задача 1.

1. Запустите приложение Creo Elements/Pro 5.0.

2. Файл → Открыть → Тип «Все файлы(*)» выбираем файл Чертеж1.dxfc и нажимаем «Открыть».

3. «Импорт новой модели» нажимаем ОК.

4. Переход в структурный режим: Приложение → Механика.

5. В окне «Отличие единиц измерения» выбираем «Преобразовать».

6. В окне «Настроить модель Механика» выбираем тип «Тепловой». Жмём ОК.

Задача 2. Назначение свойств материала.

1. Нажимаем

2. Выделяем все элементы с помощью Ctrl.

3. В окне «Назначение материала» жмём «Больше». Необходимо выбрать Steel и нажать Ок.

Задача 3. Создание тепловой нагрузки.

1. Нажимаем «Показ расчетной модели»Переходим во вкладку «Нагрузка/Закрепления».

2. Снимаем галочки с пунктов «Заданные температуры», «Условия конвекции», «Условия симметрии» и нажимаем Ок.

Задача 4. Создание нагрузки на поверхность.

1. Нажимаем

2. В окне «Тепловая нагрузка» выбираем «Набор поверхностей» → «Добавить» выбираем по очереди два прямоугольных элемента в дереве модели (слева) формат PRT.

3. Задать «Значание Q» равное 1000 и нажать Ок.

4. Нажать

5. В окне «Тепловая нагрузка» выбираем «Набор поверхностей» → «Добавить» выбираем по очереди два цилиндрических элемента в дереве модели (слева) формат PRT.

6. Задать «Значание Q» равное 2000 и нажать Ок.

7. Нажать

8. В окне «Тепловая нагрузка» выбираем «Набор поверхностей» → «Добавить» выбираем основной элемент (плату) в дереве модели (слева) формат PRT.

9. Задать «Значание Q» равное 10000 и нажать Ок.

10. Необходимо включить показ скрытых элементов. Для этого следуем пути: Вид → Видимость → Показать все скрытые.

Задача 5. Создание температуры для имитации области печатной платы.

1. Нажимаем

2. Во вкладке «Нагрузка/Закрепления» ставим все галочки в правом окне и жмём Ок.

3. Нажимаем

4. В окне «Заданная температура» выбираем «Набор поверхностей» → «Добавить» выделяем четыре элемента платы формата PRT.

5. Указываем значение 25 и жмём Ок.

Задача 6. Получение результатов.

1. Нажимаем

2. В окне «Анализы и проработки» создаем новый анализ. (Файл → Новый стационарный тепловой анализ).

3. В окне «Определение стационарного теплового анализа» переходим в вкладку «Вывод» и ставим значение сетки отображения равное 7, жмём Ок.

4. Нажимаем

5.Закрываем окно диагностики.

6. Нажимаем для получения результата.

7. В окне «Определение окна результата» в вкладке «Величина» выбираем Тепловой градиент. В вкладке «Опции показа» ставим галочки «Сплошные оттенки цветов», «Показ кромок элементов», «Показ нагрузок», «Показ закреплений», «Анимация».

8. Нажимаем «Ок и показать»

Рисунок 1:Тепловой градиент величина (ГСК).

Библиографический список

1 Электронный каталог ГПНТБ России. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.ptc-russia.com

2 Электронный каталог ГПНТБ России. – Электрон. дан. – Режим доступа: http:// www.pro-technologies.ru

3 Костиков И.В., Черкасов Н.Н. Тепловые воздействия на радиоэлектронную аппаратуру /– М.: Радио и связь, 1989. – 211с.

4 Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры.- Л.: Энергия, 1971.- 248 с.

Контрольные вопросы

1. Какова основная суть теплового проектирования?

2. Назовите основные задачи, решаемые тепловым проектированием.

3. Назовите исходные данные, необходимые для проектирования тепловых блоков.

4. На основе какого закона может быть получено уравнение теплопроводности?

5. Опишите граничные условия первого рода.

6. Что характеризует граничные условия 2-го рода?

7. Зачем нужны граничные условия 3-го рода?

8. Какое уравнения выражает граничные условия 4-го рода при конвективном теплообмене?

Методические указания

к лабораторным работам

по дисциплине “ Автоматизированные системы диагностики и контроля испытаний видеотелевизионных систем ” для студентов очной формы обучения специальности 210201

“Проектирование и технология радиоэлектронных средств”

Составители:

Доц. Никитин Л. Н., Лозовой И.А.

В авторской редакции:

Остроумов И.В., Новиков П.С.

Подписано к изданию 13.07.06.

Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл.печ. 1,8. Уч.-изд. л. 1,6. Тираж 70 экз. “С”

Зак. №____

ГОУВПО "Воронежский государственный

технический университет"

394026 Воронеж, Московский просп., 14