БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ.

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО- СТРОИТЕЛЬНЫЙ.

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ПО курсу КТОП

Рациональный выбор несущих конструкций

Вариант 7

Выполнил студент гр. УИТ-43

Колесников И. А.

Принял

Штукина И.В.

2005

Цель работы: Овладеть методикой расчета и выбора рациональной формы конструкции блока и рациональных профилей несущих конструкций электронной аппаратуры.

Исходные данные:

Состав изделия

-Модуль первого уровня

А1=140Х140Х15 количество 2

А2=100Х100Х15 количество 1

-Органы управления

Кнопка Ø 18Х30 количество 2

Переключатель 49Х56Х20 количество 1

-Органы коммутации

Разъем 29Х19Х21 количество 2

Трансформатор 60Х40Х50 количество 1

1.Выбор предварительного варианта компоновки. При разработке конструкции устройства следует учитывать следующие требования: объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ.

Проанализируем два варианта компоновки проектируемого устройства. Варианты различаются размерами и расположением модулей.

Вычислим объемы входящих элементов.

А1: V=140Х140Х15=294000 мм³

А2: V=100Х100Х15=150000 мм³

Кнопка: V=мм³

Переключатель: V=49Х56Х20=54880 мм³

Разъем: V=29Х19Х21=11571 мм³

Трансформатор: V=60Х40Х50=120000 мм³

Первый вариант компоновки приведен на рисунке 1. Его габариты 140x140x100. Второй вариант - на рисунке 2. Его габариты 140x175x140.

2

1

3

4

5

6

р

6

исунок 1.

1

2

3

4

5

рисунок 2.

На рисунках:

1. Трансформатор

2. А2

3. Переключатель

4. Кнопка

5. Разъем

6. А1

Объем, занимаемый аппаратурой:

Vап=294000*2+150000+7634.07*2+54880+11571*2+120000=951290.14/0.6=

=1585483.5 мм³

Объем блока:

V1=140Х140Х100=1960000 мм³

V2=140Х175Х140=3430000 мм³

Коэффициент заполнения объема:

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1.

Коэффициент приведенных площадей:

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

где d₁ - диаметр шара , мм.

Vш=Vблока→

Коэффициент приведенных площадей:

.

Приведенная площадь наружной поверхности:

мм^-1.

Коэффициент приведенных площадей:

где - приведенная площадь шара, мм²

Приведенная площадь шара:

где d₂ - диаметр шара , мм.

Vш=Vблока→

Коэффициент приведенных площадей:

, следовательно, второй блок оптимальный по площади наружной поверхности, но тем не менее выбор второго блока менее предпочтителен исходя из коэффициента заполнения объема. Таким образом, выбираем первый вариант компоновки блока.

2.Рациональный выбор профилей несущих конструкций.

Для выбора наиболее экономичных по площади профилей обычно применяется отношение момента сопротивления W к площади сечения профиля F, то есть W/F, при этом, чем больше отношение, тем профиль более экономичен.

Однако, такое отношение не позволяет сопоставлять сечения, имеющие различные формы и размеры, так как является размерным (мм) и зависит от размеров элементов профиля. Для определения рациональных характеристик профилей несущих конструкций, работающих на изгиб, используют следующие формулы:

При расчете на прочность

При расчете на жесткость

Где: Gпр и Gж-рациональные характеристики профилей

J-момент инерции сечения.

Величины Gпр и Gж, рассчитанные по формулам, дают возможность сопоставлять различные сечения независимо от формы и габаритов.

Выбираем профиль который будет обеспечивать жесткость несущей конструкции.

Предполагаем два вида профиля:

Сплошной круглый и прямоугольник

h

b

d

По таблице выбираем значения Gж

Gж. Кр=3.6 Gж. Прямоугольник=4.88

Таким образом, для обеспечения одной и той же жесткости круглый профиль будет иметь в 0.73 раза большую площадь сечения, а следовательно, и массу, поэтому выберем прямоугольный профиль.

3. Выбор оптимального по площади варианта каркаса.

При разработке новой электронной аппаратуры конструктор рассматривает несколько вариантов несущих конструкций как самого блока, так и отдельных его элементов.

Для выбора оптимального по площади (массе) варианта каркаса пользуются выражением

Так как несущие конструкции блока обычно рассчитывают на жесткость.

Выбираем каркас прямоугольной формы отношением сторон B/H=1:2

И со значением жесткости блока Gбл=0.691

ознакомится с расчетом электрических параметров печатных плат.

Исходные данные для расчета:

-удельное сопротивление ρ=0.0175мкОм/м;

-ψ=0.066

1.Сопротивления печатных проводников.

Омическое сопротивление печатного проводника из однородного материала:

Для b=2.105мм:

Где: ρ-удельное электрическое сопротивление проводника, мкОм/м;

l-длина проводника, мм;

b-ширина проводника, мм;

h-толщина проводника, мкм;

Для b=0.134мм:

При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока распределение переменного тока в печатных проводниках происходит неравномерно за счет наличия поверхностного эффекта.

Количественно явление поверхностного эффекта характеризуется эффективной глубиной проникновения тока (dэфф).

Для немагнитных проводников:

Где: f-частота,Гц;

Ψ=0.5-коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия.

2.Допустимая токовая нагрузка.

Увеличение плотности компоновки навесных ЭРЭ на ПП приводит к увеличению энергоемкости печатных узлов и к увеличению токовой нагрузки на печатные проводники, что увеличивает тепловыделения проводников. Оно обязательно должно приниматься во внимание при расчете теплового баланса РЭА. Величину токовой нагрузки одиночных проводников из медной фольги с постоянной шириной b и сечением S можно ориентировочно определить по графику.

Из графика определим для сечения проводника шириной b=2.105мм, толщиной 50 мкм будет равно 0.1мм, а плотность тока при t=10⁰C равна 4.8А/мм; при t=20⁰С 6.3А/мм; при t=30⁰ 8А/мм;

При b=0.134мм, равно 0.006 мм, а плотность тока при t=10⁰C равна 0.6 А/мм; при t=20⁰С 0.8 А/мм; при t=30⁰ 1 А/мм;

3. Емкость и индуктивность между печатными проводниками.

Емкость (пФ) между печатными проводниками, а также индуктивность (мкГн) служат источниками помех, оказывающими существенное влияние на работу аппаратуры. Значения емкости (С), индуктивности (L) и взаимоиндуктивности (М) проводников в значительной степени зависят от взаимного расположения проводников на печатной плате.

Емкость между проводниками при их параллельном взаимном расположении:

При b1=b2=b: для обычных проводников

;

где E_r =8.85 пФ/м – диэлектрическая проницаемость среды;

l =27.5 мм – длина участка на котором проводники параллельны;

а=2.5 мм – расстояние между проводниками;

b=0.134 мм – ширина проводника;

h=0.05 мм – толщина фольги.

.

Для проводников питания:

l =17.5 мм – длина участка на котором проводники параллельны;

а=110 мм – расстояние между проводниками;

b=2.105 мм – ширина проводника;

Так как значение емкости было посчитано при максимальном значении длине проводников на участке, котором они параллельны то при других вариантах значение емкости меньше полученного.

Индуктивность:

Значение индуктивности было получено, при максимальной длине проводника на участке где они параллельны.

При

L=L1+L2-2M

Где: L1 и L2- собственная индуктивность проводников (мкГн) шириной b1и b2, определяются по:

;

;

.

М-взаимоиндуктивность проводников рассчитывается при условии

;

где b₁ = 0.134 мм – ширина первого проводника;

b₂ = 2.105 мм – ширина второго проводника;

а = 1.4 мм – расстояние между проводниками.

Данное условие не выполняется, следовательно, взаимоиндуктивность не влияет на проводники.

Посчитаем емкость при проводниках, которые расположены и сверху и снизу ПП параллельно друг другу.

Емкость при b1≥3*b2

+

Проводники расположены на одной прямой с малым зазором между их совпадающими концами:

Проводники расположены на значительном расстоянии:

Проводники расположены параллельно на одной стороне ПП, различной длины:

Вычислим более точно емкость по формуле:

Где: ε=0.5*(1+)-действующая диэлектрическая проницаемость среды;

К- поправочный коэффициент, определяется по графику, и зависит от параметров проводящего рисунка платы (а/b).

При b=0.134мм К=0.005

При b=2.105мм К=0.005

Расчет электрических параметров печатной платы для разрабатываемого устройства показывают что, влияние паразитной емкости индуктивности и взаимной индуктивности будет несущественным, так как устройство работает на низких частотах и значения всех полученных параметров между печатными проводниками невелики.