Компьютерные технологии в аэрокосмической технике

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Московский Государственный Технический Университет Имени Н. Э. БАУМАНА»

(МГТУ им Н.Э. Баумана)

Факультет «Аэрокосмический»

Кафедра «Компьютерные системы и сети»

РАСЧЕТНО-ПОЯНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА курсового проекта Компьютерные технологии в аэрокосмической технике Руководитель, к. ф-м. н., _____________ Щеглов Г. А.

Исполнитель, студ., гр. АК5−81____Володченко А.В.

1. Введение

2. Расчет собственных частот платы устройства

2.1 Геометрическая модель платы

2.2 Нахождение собственных частот платы, закреплённой по варианту № 1

2.3 Нахождение собственных частот платы, закреплённой по варианту № 2

3. Моделирование теплообмена

3.1 Геометрическая модель корпуса устройства

3.2 Исследование теплообмена с использованием граничного условия

3.3 Исследование теплообмена с использованием вентилятора Заключение Список использованных источников информации цифровое устройство плата теплообмен solidworks

1. Введение

Курсовой проект выполняется на основании учебного плана кафедры ИУ6. Его целью является самостоятельное проектирование и последующее твердотельное моделирование студентом платы и корпуса цифрового устройства ограниченной сложности, ознакомление его с основными этапами, методами и приемами моделирования в системе SolidWorks.

В данном курсовом проекте с руководителем было согласовано задание, спроектировать корпус электронного устройства, и провести его условное моделирование с помощью модулей SolidWorks Simulation и SolidWorks Flow Simulation, для получения результатов теплообмена внутри корпуса, а также провести частотный анализ платы устройства.

2. Расчет собственных частот платы

2.1 Геометрическая модель платы

Для расчета собственных частот платы используется следующая условная модель:

Рис. 1.1

На рисунке 1.2 показано расположение элементов на печатной плате устройства:

1 — печатная плата;

2 — разъём;

3 — электролитические конденсаторы;

4 — микросхемы;

5 — микросхемы памяти.

Рис. 1.2

Рассмотрим два варианта закрепления платы:

Вариант № 1 — плата закреплена за отверстие А.

Вариант № 2 — плата закреплена за отверстия А, Б, В и Г.

Свойства материала

Для микросхем и конденсаторов был задан материал алюминий ([SW]aluminiy).

Для платы был задан материал текстолит ([SW]textolit).

Для разъема был задан материал пластмасса ([SW]plastmassa).

2.2 Нахождение собственных частот платы, закреплённой по варианту № 1

Для частотного анализа печатной платы устройства с электронными компонентами на ней используются следующие материалы составных частей модели:

А.) В виде ограничителей были выбрано отверстие В (рис. 1.2) в зафиксированном состоянии. Для проведения моделирования была построена стандартная сетка на твёрдом теле с размером элемента 3,2 мм, и использовалась решающая программа «Direct sparse».

В результате исследования были получены 5 собственных частот:

На рисунках 2.1 — 2.5 отображены изменения в геометрии платы, на соответствующих частотах.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Рис. 2.5

2.3 Нахождение собственных частот платы, закреплённой по варианту № 2

Для нахождения собственных частот полностью закреплённой печатной платы зафиксированы 4 точки крепления. Материалы элементов остались прежними. В результате исследования были получены собственные частоты.

На рисунках 2.6 — 2.10 отображены изменения в геометрии платы, на соответствующих частотах.

Рис. 2.6

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Рис. 2.9

Рис. 2.10

3. Моделирование теплообмена

3.1 Геометрическая модель корпуса устройства

Для моделирования теплообмена внутри корпуса электронного устройства используется следующая условная модель:

Рис. 3.1

На рисунке 3.1 показано расположение элементов, составляющих корпус устройства:

1 — основание;

2 — крышка;

3, 4 — отверстия, для задания граничных условий;

Для задания граничных условий входа воздушного потока создана грань на верхней стороне корпуса крышки (Рисунок 3.2).

Рис. 3.2

Для задания граничных условий выхода воздушного потока созданы грани на боковой стороне корпуса крышки (Рисунок 3.3).

Рис. 3.3

Для моделирования теплообмена в SolidWorks, создадим упражнение с помощью модуля Flow Simulation и используем следующую установку параметров:

Типа анализа — внутренний;

Условие нагрева в твёрдых телах — присутствует;

Гравитация по оси Z — 9,81 ;

Газ (по умолчанию) — воздух;

Тип течения — ламинарное и турбулентное;

Свойства материалов указаны в пункте 2.2;

Температурные условия на границе твёрдых тел — адиабатические;

Шероховатость твёрдых тел — 10 мкм;

Начальная температура среды и твёрдых тел — 293.2 K.

В качестве нагревательных элементов используются конденсаторы, микросхемы и микросхемы памяти.

3.2 Исследование теплообмена с использованием граничного условия

Тип граничного условия — связь с внешней средой;

Температура вне корпуса — 293.2 K.

Давление — 101 325 Па.

Произведя расчёт данной модели, были получены следующие термодинамические характеристики:

Температура потока наивысшая в области микросхем памяти — 330−336 К.

Тепловые потоки воздуха представлены на рисунка 3.4 и 3.5.

Рис. 3.4

Рис. 3.5

Температура элементов представлена на рисунке 3.6. Наибольшая температура на микросхеме питания, наиболее отдаленной от выходных отверстий — 340 К.

Рис. 3.6.

3.3 Исследование теплообмена с использованием вентилятора

В предыдущем пункте использовался входной поток с неизменным давлением. А чтобы максимально приблизить наше моделирование к действительности, заменим входной поток над конденсатором — реально существующим вентилятором. Возьмём осевой вентилятор из 400 серии номер 412 из базы данных SolidWorks. Произведя расчёт данной модели, были получены следующие термодинамические характеристики:

Максимальная температура потока — 305 К.

Наибольшая температура: на конденсаторах — 305 К.

Температура потока воздуха представлена на рисунках 3.7 и 3.8.

Рис. 3.7.

Рис 3.8.

Изменение температуры элементов схемы представлено на рисунке 3.9.

Рис 3.9.

По полученным результатам можно определить, что температура элементов в корпусе без активного охлаждения весьма высока, что значительно снижает ресурс элементов и увеличивает вероятность отказа. Использование вентилятора позволяет распределять потоки воздуха внутри корпуса более равномерно, улучшая тем самым снижая максимальную температуру элементов.

Заключение

В результате выполнения работы были созданы трёхмерные модели электронного устройства (платы) и его корпуса. С использованием модулей симуляции программного пакета SolidWorks были найдены собственные частоты платы для двух вариантов закрепления её в корпусе. По полученным результатам можно сделать вывод, что более надёжным вариантом закрепления платы является вариант № 2, когда крепление платы производится в четырех местах.

Также было произведено моделирование теплового обмена внутри корпуса этого устройства. По полученному распределению температуры внутри корпуса можно сделать вывод, что использование вентилятора позволяет добиться более эффективного охлаждения элементов, и, как следствие, более стабильной работы.

Список использованных источников

информации

1. Щеглов Г. А. Автоматизированное проектирование элементов конструкции аэрокосмических систем (методические указания к лабораторным работам). Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005 г.

2. Справка SolidWorks 2009.

3. NIKA GmbH, Fluid Flow Analysis for Engineers. Tutorial, 2007 г.

4. Мюррей Д. SolidWorks: Пер. с англ. М: Лори, 2001 г. 450с.

5. COSMOSFlowWorks2007 Tutorial.