Методика определения базовых показателей технологичности конструкции изделия

В число отбираемых в качестве базовых должны включаться такие показа­тели, которые оказывают наибольшее влияние на технологичность конструкции блоков определенного назначения и условий применения. По номенклатуре по­казателей блоки различной аппаратуры можно условно разбить на четыре клас­са:

1 — радиотехнические,

2 — электронные,

3 — электромеханические и механи­ческие,

4 — соединительные, коммутационные и распределительные.

Идентификация оцениваемого по технологичности блока с тем или иным классом должна осуществляться на основе анализа принятых схемно- и конструктивно-технологических решений.

К классу электромеханических и механических изделий можно отнести, например, механизмы привода, отсчетные устройства, кодовые преобразователи и т.п. К классу электронных изделий относятся логические и аналоговые блоки, блоки оперативной памяти и индикаторные, генераторы сигналов, приемо-усилительные блоки и т. п. К классу радиотехнических изделий – вторичные источники питания, антенные изделия, а к классу коммутационно-распределительных изделий – коммутаторы, распределительные коробки.

Состав ба­зовых показателей, их ранжированная последовательность по значимости, ко­эффициенты значимости (j_i, а также их определения на различных стадиях раз­работки аппаратуры приведены в табл., в которой приняты следующие обоз­начения: + (показатель определяется), ~ (показатель определяется прибли­женно), — (показатель не определяется).

Наиболее часто используемым для оценки технологичности конст­рукции показателем является комплексный показатель, под которым по­нимается показатель технологичности конструкции, характеризующий несколько ее признаков.

Мы уже говорили, что метод определения комплексного показателя как средневзвешенной величины частных показателей наиболее прост, нагляден, удобен для механизации расчетных работ, поэтому широко распространен в промышленности. В этом случае комплексный показатель определяется на основе базовых пока­зателей по формуле

= (К₁j₁ + К₂j₂+…+ К_nj_n)/(j₁ +j₂+…+j_g),

где K_i — показатель, определяемый по таблице базовых показателей соответcтвующего класса блоков; j_i — функция, нормирующая весовую значимость по­казателя в зависимости, например, от его порядкового номера в таблице; i —порядковый номер показателя в ранжированной последовательности (место в таблице); G — общее число относительных частных показателей в таблице для данной стадии разработки изделия. Величина j_i принимается для каждого показателя соот­ветствующей строки таблицы независимо от полноты состава определяемых по­казателей на различных стадиях разработки.

Таблица 3.1.

Состав базовых показателей

Порядковый номер (i)	Показатель технологичности		Эскизный проект	Технический проект	Рабочая документация
Опыт-ного образца	Установочных серий	Серийного производства
	Электронные блоки
	Коэффициент использования ИС и МБС в блоке К исп.сх		~	~	+	+	+
	Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия К а.м		-	~	+	+	+
	Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ К м.п.ЭРЭ	0, 75	~	+	+	+	+
	Коэффициент механизации контроля и настройки К м.к.н.	0, 5	_	~	+	+	+
	Коэффициент повторяемости ЭРЭ К пов.ЭРЭ	0, 31	~	~	+	+	+
	Коэффициент применяемости ЭРЭ К п.ЭРЭ	0, 187	~	~	+	+	+
	Коэффициент прогрессивности формообразования деталей К ф	0, 11	_	_	+	+	+
	Радиотехнические блоки источников вторичного электропитания
	Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу К м.п.ЭРЭ		~	~	+	+	+
	Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия К а.м		_	~	+	+	+
	Коэффициент сложности сборки К сл.сб	0, 75	_	~	+	+	+
	Коэффициент механизации контроля и настройки К м.к.н.	0, 5	_	_	~	+	+
	Коэффициент прогрессивности формообразования деталей К ф	0, 31	_	_	~	+	+
	Коэффициент повторяемости ЭРЭ К пов.ЭРЭ	0, 187	_	_	+	+	+
	Коэффициент сложности обработки К сл. о	0.11	_	_	+	+	+
	Электромеханические и механические блоки РЭС
	Коэффициент точности обработки К ти		_	_	+	+	+
	Коэффициент прогрессивности формообразования деталей К ф		_	_	~	+	+
	Коэффициент сложности обработки К сл. о	0, 75	_	~	+	+	+
	Коэффициент повторяемости деталей и узлов К пов.д.у	0, 5	_	~	+	_	_
	Коэффициент сборности К сб	0, 31	_	~	+	_	+
	Коэффициент сложности сборки К сл.сб	0, 187	_	~	+	+	+
	Коэффициент использования материалов К и.м	0, 11	_	_	~	+	+
	Соединительные, коммутационные и распределительные блоки
	Коэффициент повторяемости материалов К пов.м		_	_	~	+	+
	Коэффициент сложности сборки К сл.сб		_	~	+	+	+
	Коэффициент точности обработки К ти	0, 75	_	_	~	+	+
	Коэффициент прогрессивности формообразования деталей К ф	0, 5	_	~	~	+	+
	Коэффициент использования материалов К и.м	0, 31	_	~	~	+	+

Для оценки уровня технологичности конструкции полученный комплексный показатель, характеризующий технологичность изделия, сравнивается с нормативным (или базовым), который либо задается в нормативной документации либо определяется в соответствии с приведенной выше методикой.

При известном нормативном коэффициенте технологичности оценка уровня технологичности разрабатываемого изделия выражается отношением величины рассчитанного комплексного показателя технологичности к нормативному. Это отношение должно удовлетворять условию

 

К / К_н ≥ 1.

 

3.4. Методы обеспечения технологичности конструкции РЭС

 

К основным конструкторским методам обеспечения технологич­ности относятся:

1) использование наиболее простой и отработан­ной в производстве конструкторской иерархии (базовой конструк­ции);

2) выбор размеров и формы компонентов, деталей и узлов конструкции с учетом экономически целесообразных для заданных условий производства способов формообразования, при этом учитывается, что прогрессивные способы формообразования, используемые в массовом и серийном производстве, позволяют уменьшить материалоемкость изделий за счет уменьшения толщи­ны элементов конструкции и сокращения отходов;

3) уменьшение числа уровней разукрупнения конструкцийРЭС и выбор их формы и размеров с учетом унифицированной оснастки и стандартного оборудования;

4) уменьшение номенклатуры исполь­зуемых материалов и полуфабрикатов;

5) уменьшение применения дефицитных или токсичных материалов, драгоценных металлов;

6) обоснованный выбор квалитета точности, шероховатости по­верхности, установочных и технологических баз;

7) конструктивная и функциональная взаимозаменяемость узлов, минимизация числа подстроечных и регулировочных элементов (особенно с механичес­кой подстройкой);

8) контролепригодность и инструментальная доступность элементов, деталей и узлов (в том числе подстроеч­ных), особенно при автоматизированном и механизированном изготовлении.

 

 

Практическое занятие №4

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЭС

 

4.1. Тепловые модели блоков

Модуль РЭА второго уровня и выше, например блок, представ­ляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источ­ников теплоты. Точное аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточ­ности исходных данных: мощности источников теплоты, теплофизических свойств материалов, размеров границ. Поэтому при рас­чете теплового режима блоков РЭА используют приближенные методы анализа и расчета.

Целью расчета является определение температур нагретой зоны и среды вблизи поверхности ЭРЭ, необ­ходимых для оценки надежности. Рекомендуется проводить рас­чет для наиболее критичного элемента, т. е. элемента, допустимая положительная температура которого имеет наименьшее значение среди всех элементов, входящих в состав устройства и образую­щих нагретую зону.

Рис.4.1. Тепловые модели блоков РЭА в виде параллелепипедов с горизонталь­но (а) и вертикально (б) ориентированными шасси и в виде цилиндра (в)

Расчет стационарного теплового режима блока при естествен­ном конвективном теплообмене. Конструкция РЭА заменяется ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представ­ляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t _н.з и рассеиваемую тепловую мощность Р _н.з. На рис. 1 представлены тепловые модели блоков РЭА. За размеры нагретой зоны принимаются размеры шасси l ₁ и l ₂ и высота l ₃, ко­торая определяется по формуле l₃ = d_ш + h_з1 + h_з2, где d_ш — толщина шасси; h_з1 и h_з2 — части высоты нагретой зоны, расположенные со стороны шасси в 1-м и 2-м отсеках, на которые шасси делит блок РЭА. Размеры h_з1 и h_з2 определяются по фор­муле

где j =1, 2 — номер отсека блока; Vi — объем i -й детали в j - м от­секе; n_j — число деталей в j -м отсеке.

Большая часть РЭА имеет блоки разъемной, кассетной или книжной конструкции с плотной компоновкой. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня и величины воздушных зазоров между ними различают три группы конструкций по характеру теп­лообмена в них. Отличительные особенности этих групп при­ведены в табл. 1.

Таблица 4.1.

Классификация конструкций в зависимости от характера теплообмена

Группа конструк-ции	Виды теплообмена между модулями 1-го уровня	Виды теплообмена между нагретой зоной и корпусом
I	Излучение, теплопроводность	Конвекция, излучение, теплопроводность
II	Конвекция, излучение, теплопроводность	Излучение, конвекция, теплопроводность
III	Излучение, теплопроводность	Излучение, теплопроводность

Выбор той или иной группы осуществляется эмпирически исходя из опыта разработок и здравого смысла. Наи­более общим случаем является вторая группа конструкций.

Тепловая модель блока РЭА плотной компоновки приведена на рис. 2.

 

Рис. 4.2. Тепловая модель блока РЭА Рис. 4.3. Зависимость перегрева корпуса

плотнои компоновки: 1— корпус; 2 —нагретая зона; блока от удельной поверхностной мощности

3 — модуль1-го уровня; 4 — радиоэлемент

(микросборка, микросхема, ЭРЭ)

 

4.2. Методика расчета теплового режима РЭС

 

Расчет теплового режима блока можно условно разделить на три этапа:

1) определение температуры корпуса t_k,;

2) определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_н.з;

3) определение температуры поверхности радиоэлемента (микросхемы, ЭРЭ).

Для выполнения первых двух этапов расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные:

- размеры корпуса— ширина L₁, глубина L₂, высота L₃ ;

- размеры нагретой зоны l₁ x l₂ x l₃ ;

- величины воздушных зазоров между нагретой зоной и нижней поверхностями корпуса h _н , нагретой зоной и верхней поверх­ностью корпуса h _в ;

- площадь перфорационных отверстий S _п;

- мощ­ность, рассеиваемая блоком Р ₀;

- мощность радио­элементов, расположенных непосредственно на корпусе Р _к;

- базо­вая температура to, т. е. температура окружающей среды;

- теплофизические параметры воздуха и материалов конструкции блока.

Этап 1. Определение температуры корпуса.

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q _к:

, (1)

где — площадь внешней поверхности корпуса блока, .

2. По графику на рис. 3 задаемся перегревом корпуса блока в первом приближении .

11. Рассчитываем температуру корпуса блока

. (2)

На этом 1-й этап расчета теплового режима блока РЭА окончен.

 

4.3. Методика расчета теплоустойчивости блоков РЭС в

форме параллелепипеда

 

Расчет теплового режима РЭС для пяти типов блоков - в перфорированном корпусе, герметичном простом, оребренном, с внутреннем перемешиванием воздуха и наружным обдувом.

Методика расчета

1. Поверхность корпуса блока

где - длина, ширина и высота блока, мм.

2. Коэффициент заполнения блока

где - объемы блока и нагретой зоны, мм ³.

3. Поверхность нагретой зоны

4. Удельная мощность корпуса блока

где - мощность рассеивания блока, Вт.

5. Удельная мощность оребренного корпуса

где - площадь ребер блока, мм ².

6. Удельная мощность нагретой зоны

7. Удельная мощность критичного элемента

где - мощность рассеиваемая критичным элементом, Вт; - площадь поверхности критичного элемента, см ².

8. Перегрев корпуса, ^о С

9. Перегрев оребренного корпуса, ^о С

10. Перегрев нагретой зоны, ^о С

11. Коэффициент учета внешнего давления

12. Коэффициент учета внутреннего давления

где Н₁, Н ₂ - внешнее и внутреннее давление воздуха, кПа.

 

13. Коэффициент учета перемешивания воздуха

где - производительность вентиллятора в блоке, г/с; - объем воздуха в блоке, мм³.

14. Коэффициент учета обдува блока

где - скорость наружного обдува, м/с.

15. Коэффициент перфорации корпуса блока

где -относительная площадь перфорационных отверстий от всей площади корпуса блока.

16. Перегрев между нагретой зоной и корпусом блока, ^о С

17. Перегрев корпуса с учетом давления, ^о С для типов блоков:

- герметичный простой и с перемешиванием воздуха

- с наружным обдувом

- оребренный

- перфорированный

18. Перегрев нагретой зоны с учетом давления для типов блоков:

- герметичный простой с наружным обдувом и оребренный

- с перемешиванием воздуха

- перфорированный

19. Средний перегрев воздуха в блоке для типов блоков:

- герметичный простой

- с перемешиванием воздуха, наружным обдувом и оребренный

- перфорированный

20. Перегрев корпуса критичного элемента, ^о С

21. Температуры корпуса, нагретой зоны, воздуха и элемента

где - температура внешней среды, ^о С.

 

 

Практическое занятие № 5

УСТОЙЧИВОСТЬ РЭС К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИИ

 

5.1. Классификация механических воздействий

Основными источниками внешних динамических воздействий на авиационное приборное оборудование (АПО) являются ЛА, на которых она установлена и, окружающая среда. Возбуж­дение динамических воздействий от ЛА называют кинематическим, а от внутренних устройств ЛА - силовым. Силовые воздействия наиболее часто является следствием работы силовых установок энергоснабжения, устройств кондиционирования, гидравлических систем, подачи топлива и др., т.е. электромеханических устройств с возвратно-поступатель­ными движущимися массами или неуравновешенными вращающимися роторами

К механическим воздействиям относятся: линейные перегрузки, виб­рации, удары.

При передаче от источника к АПОи ее элементам внешние механи­ческие воздействия трансформируются - изменяется амплитудно-частот­ные характеристики колебаний, амплитуда и длительность ударных им­пульсов; возникают переходные колебательные процессы, сопровождающие воздействие длительных линейных нагрузок.

Перегрузкой называют отношение деиствующего ускорения к уско­рение свободного падения. Линейные перегрузки, за исключением крат­ковременных, не могут быть устранены или ослаблены. Поэтому работо­способность конструкций обеспечивается за счет повышения (жесткости и прочности элементов, что, как правило, ведет к увеличению массы конструкций АПО.

Под вибрацией AПO понимают механические колебания ее элементов или конструкции в целом. Вибрация может быть периодической или слу­чайной. В свою очередь периодическая вибрация подразделяется на гар­моническую и полигармоническую, а случайная - на стационарную, нестационарную, узкополосную и широкополосную.

Вибрацию принято характеризовать виброперемещением, виброскоростью и виброускорением. Виброперемещение при гармонической вибрации определяется как

, (1)

где Z - амплитуда виброперемещения; w - частота вибраций.

Виброскорость и виброускорение находят в результате дифферен­цирования (1):

Виброускорение при гармонической вибрации опережает по фазе виброперемещение на угол p, виброскорость на угол p/2.

Амплитуды виброперемещения Z, виброскорости w Z., вибро­ускорения w2 Z и угловая частота колебании являются основными характеристиками гармонической вибрации. Однако кроме них гармони­ческую вибрацию можно характеризовать вибрационной перегрузкой

(2)

Если в (2) амплитуда виброперемнещения выраженав мм, а уско­рение силы тяжести в мм/с2, то соотношение для вибрационной перегруз­ки можно записать в виде

где f - частота вибраций.

Полигармоническая или сложная периодическая вибрация может быть представлена в виде суммы гармонических составляющих.

Для случайной вибрации характерно то, что ее параметры (амплитуда виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случай­но. Она может быть стационарной и нестационарной. В случае стацио­нарной случайной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математические ожидания виброскорости и виброускорения постоянны. В случае нестационарных вибраций статистические характеристики не постоянны.

2. Характеристики ударных воздействий

Кроме вибрации, конструкция может подвергаться ударным воздей­ствиям, возникавшим при эксплуатации, транспортировке, монтаже и т.д. При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени t, ускорения достигают больших значений и мо­гут привести к повреждениям элементов. Интенсивность ударного воз­действия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса

Форма ударного импульса определяется зависимостью ударного уско­рения от времени (рис.1). При анализе ударных воздействий реальную форму ударного импульса заменяют более простой, например прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной.

Рис. 5.1. Формы ударных импульсов: 1 - полусинусоидальная; 2 - четвертьсину соидальная; 3 - прямоугольная; 4 - треугольная; 5 - трапецевидная

 

За амплитуду ударного импульса принимают максимальное ускорение при ударе. Длительностью удара t называет интервал времени, в течение которого действует ударный импульс.

Последствием удара являются возникающие в элементах конструкции затухающие колебания. Поэтомуна практике возникает необходимость в защите конструкций АПО одновременно от ударов и вибраций, так как в реальных условиях эксплуатации конструкции часто подвергаются комплексный механическим воздействиям, что должно найти отражение при конструировании средств защиты.

Элементы конструкции АПО характеризуются своими механическими резонансными частотами, меняющимися в широких пределах в зависимости от массы и жесткости закрепления составных частей.

Во всех случаях нельзя допускать образования резонансных частот в поле нагрузок механической колебательной системы - это касается монтажных плат, панелей, кожухов, монтажных проводов и других частей конструкции АПО.

Под полем нагрузок, понимаются механические нагрузки системы, вызванные колебаниями различных частот и амллитуд в процессе испытаний, монтажа, транспортировки и эксплуатации.

В результате механических воздействий в элементах конструкции АПО могут происходить обратимые и необратимые изменения.

Обратимые изиенения характерны для электрорадиокомпонентов АПО и приводят к нагружению устойчивости и ухудшению качества функциони­рования аппаратуры. В зависимости от физики протекающих в конструк­ции процессов факторы, вызывающие обратимые изменения, можно объединить в следующие группы:

- деформации в активных и пассивных компонентах, приводящие к изме­нениюих параметров;

- нарушения электрических контактов в разъемах и неразъемных сое­динениях, вызывавшееизменение омического сопротивления контактов;

- изменение параметров электрических, магнитных и электромагнитных полей, которое может привести к нарушению условий электромагнитной совместимости в конструкции.

Необратимые изменения свойственны конструктивным элементам АПО, связаны с нарушением условий прочности и проявляется в механических разрушениях элементов, в наибольшей степени разрушениям подвержены элементы, предварительно нагруженные при сборке и электромонтаже (болты, винты, заклепки, сварные швы с остаточными термическими напряжениями, объемные проводники с излишним натяжением и т.п.).

К необратимым изменениям, происходящим в конструктивных эле­ментах ЭПА при механических воздействиях, относятся усталостные разрушения.

Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений. Механизм этого процесса связан со структурной неоднородностью материала (от­дельные зерна неодинаковы по форме и размерам, по-разному ориентиро­ваны в пространстве, имеют включения, структурные дефекты). В резуль­тате этой неоднородности в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах (кристаллах) при переменных напряжениях возникает сдвиги, гра­ницы которых со временем расширяются, переходят на другие зерна и, охватывая все более широкую область, развиваются в усталостную тре­щину. Усталостная прочность материалов зависит от величины и харак­тера изменения напряжений, от числа циклов нагружения.

Конструкции АПО, работающие в условиях механических воздействий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости. Под прочностью (вибро- и ударопрочностью) к воздействию механических факторов под­разумевается способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределах норм, установленных стандартами, после воздействия механических факторов.

Под устойчивостью (вибро- и ударопрочностью) к воздействию ме­ханических факторов понизит способность конструкции выполнять за­данные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установ­ленных стандартами, во время воздействия механических факторов.

 

5.2. Модели механических систем РЭС при расчете показателей ударо- и вибропрочности конструкций

 

Конструкция прибора, входящего в приборное оборудование лета­тельного аппарата, предоставляет собой сложную механическую систему, состоящую из бесконечно большого числа материальных точек. Поэтому при исследовании динамических процессов, протекающих в конструкциях в условиях механических воздействий, неизбежен переход от реальных систем к упрощенным абстрактным моделям на основе приближении и до­пущений. Для решения практических задач анализа динамических процес­сов в конструкциях приборного оборудования реальная механическая система заменяется моделью с ограниченным числом степеней свободы, которое определяется структурой конструкции и требуемой точности результатов.

Применяется два основных вида моделей механических систем: с сосредоточенными массами и связями (упругими и демпфирующими) и с распределенными параметрами.

Так, например, конструкция, совершающая под действием внешней силы колебания вдоль одной координаты, может быть представлена рас­четной моделью с одной степенью свободы и сосредоточенными парамет­рами: массой m, упругой связью с коэффициентом жесткости k и демпфирующей связью с коэффициентом вязкого сопротивления b (рис. 2, а). В то же время, если сосредоточенная масса совершает слож­ные пространственные колебания, то такую конструкцию обычно пред­ставляют расчетной моделью с 12 степенями свободы (рис.2, б).

Рис. 5.2. Модели механических систем: а - расчетная модель с одной степенью свободы; б - расчетная модель с n степенями свободы; в - модель колебательной системы с кинематическим возбуждением

 

Исходя из определения вибропрочности и анализа динамических процессов, протекающих в элементах конструкций приборов при вибра­циях, можно определить следующие условия обеспечения вибропрочности:

- отсутствие в конструкции механических резонансов;

- ограничение амплитуды виброперемещения и виброскорости значения­ми, исключающими опасные напряжения и усталостные явления в эле­ментах конструкции;

- допустимые значения виброперегрузок в диапазоне частот внешних воздействий должны превышать величины, определенные техническим заданием на разработку конструкции прибора.

Первое условие выполняется, если частота свободных колебаний элементов конструкции лежит за пределами диапазона частот внешних воздействий. Ввиду того, что частота свободных колебании , где k - жесткость элемента конструкции; m - масса, то для снижения массы конструкции приемлемым является решение: , где - верхняя граница диапазона частот внешних воздействий.