Требования к конструкциям приборной аппаратуры и показатели качества конструкции

Лекция 2 1.4. Требования к конструкциям приборной аппаратуры и показатели качества конструкции Основными требованиями, предъявляемыми к конструкциям ПА независимо от его назначения, являются высокое качество функциональных показателей, надежность, помехозащищённость, прочность, жесткость, технологичность, экономичность, серийнопригодность, низкие значения материалоемкости и потребляемых ресурсов. Конструкции, отвечающие этим требованиям, должны обладать минимальными: массой m, объемом V, потребляемой мощностью Р, частотой отказов , стоимостью C и сроком разработки T, должны быть вибро- и ударопрочны, работать в нормальном тепловом режиме и иметь достаточно высокий процент выхода годных изделий при изготовлении [2, 21]. Показатели, характеризующие эти качества, могут быть разбиты не следующие группы: абсолютные (в абсолютных величинах), комплексный (обобщенный, безразмерный), удельные (в удельных величинах) и относительные (нормированные, безразмерные). К абсолютным показателям относятся m, V, P, , C, T. Условно эти показатели можно назвать материальными показателями, показывающими, из чего и как сделано устройство. Энергоинформационные параметры в этом случае являются функциональными показателями, характеризующими, для чего и что может делать устройство. Из этих двух групп можно получить более общие показатели качества, такие как комплексный и удельные коэффициенты качества. Комплексный показатель качества представляет собой сумму нормированных частных показателей со своими весовыми коэффициентами, или коэффициентами значимости этого параметра для суммарного качества конструкции: , где , ,, , ,- нормированные значения параметров относительно заданных по ТЗ, либо отношения этих параметров для разных сравниваемых вариантов конструкции; , , , , , - коэффициенты значимости частных параметров, определяемых методом экспертных оценок; обычно их значения выбирают в пределах от 0 до 1. Приведенное выражение показывает, что чем меньше каждый из материальных параметров, тем выше качество конструкции при одних и тех же функциональных параметрах. К удельным показателям качества конструкции относятся: удельные коэффициенты конструкций; плотность компоновки элементов конструкции на площади или в объеме; удельная мощность рассеяния на площади или в объеме (теплонапряженность конструкции, удельная масса конструкции, величина истечения газа из объема конструкции, степень герметичности) [2]. По удельным коэффициентам оценивается прогресс развития новых конструкций по сравнению с предыдущими аналогами и прототипами. Они определяются по формуле , где - материальные, а - функциональные показатели, и для каждого из типов ПА или их блоков имеют конкретную размерность. Так, для блоков питания, если в качестве основного параметра взять массу (m), то удельный коэффициент качества конструкции , кг/Вт, где Р - выходная мощность блока питания. Аналогично можно рассчитать удельные коэффициенты для других материальных параметров и получить для сравнения вариантов конструкции (аналогов) их величины, выраженные, например, в , , , кг/град и т.п. Плотность компоновки элементов конструкции на площади и в объеме оценивается следующими выражениями и соответственно, где N - количество деталей, компонентов; S и V - занимаемые ими площадь или объем соответственно. Оценка плотности компоновки на площади необходима при конструировании функциональных узлов электронной ПА. Плотность компоновки в объеме оценивается при конструировании любых видов ПА: механической, электромеханической и электронной - узлов, блоков и конструкций высших уровней (шкафов, стоек). Плотность компоновки является главным показателем интеграции конструкции того или иного уровня. Однако при высоком уровне интеграции приходится вводить дополнительные элементы конструкции для выполнения других требований (теплоотвода, обеспечения жесткости конструкции и т.п.). Иначе говоря, при переходе с одного уровня компоновки на другой происходит потеря (дезинтеграция) полезного объема. Коэффициент дезинтеграции определяется отношением суммарного объема к полезному объему , где - объем изделия (например, блока); - число основных деталей конструкции, предназначенных для реализации целевой функции изделия; - объем конструкции части изделия, реализующей основную функцию изделия (полезный объем). Удельная мощность рассеяния определяет тепловую напряженность в объеме конструктива и рассчитывается как , где для цифровых регулярных структур. Для блоков электронной ПА цифрового типа с корпусированными компонентами допустимая тепловая напряженность составляет 20-30 в условиях естественной конвекции и при перегреве корпуса относительно среды не более чем на 40°С, а для блоков четвертого поколения (на бескорпусных микросборках) и пятого поколения (многоуровневые многокристальные конструкции на крупноформатных монтажных основаниях [27]) - порядка 40 и более. Удельная масса конструкции определяется как отношение , где m - интегральная оценка использованной суммарной массы материалов; V - объем, занимаемый массой конструктивных элементов. В связи с тем, что конструкция любого изделия представляет собой совокупность различных по своему назначению элементов и компонентов, объединенных общими связями, целесообразно определить распределение ресурса масс и объемов в конструкции ПА. Разделим все детали, сборочные единицы и компоненты конструкции на три основные группы, а именно: полезные (функциональные, схемные) элементы и компоненты - группа N , несущие конструкции - группа Н, элементы монтажа - группа М (рис.1.4). В соответствии с этим делением для любого конструктива ПА можно использовать уравнение, отражающее распределение ресурса масс и объемов в конструктиве любого уровня: , где , , - удельные массы соответствующих групп элементов и компонентов; , , - объемы соответствующих групп элементов и компонентов; ; - объем незаполненных элементами и компонентами конструкции воздушных промежутков. Используя уравнение распределения ресурса масс и объемов, можно на этапах разработки конструкции более правильно путем расчетов выбрать вид материала несущей конструкции, вид монтажа, компоновочной схемы и др. Степень герметичности конструкции D определяется величиной истечения газа из объема конструкции: , где - объем газа в блоке, дм3; - перепад внутреннего и внешнего давления (избыточное давление) в блоке, Па; - срок службы или хранения, с. К относительным показателям относятся коэффициенты дезинтеграции объема и массы, показатель функционального разукрупнения, величина перегрузки конструкции при вибрациях и ударах, а также многие параметры технологичности конструкции, такие как коэффициенты унификации и стандартизации, коэффициент повторяемости материалов и изделий ПА, коэффициент автоматизации и механизации и др.[2, 6, 7]. Показатель функционального разукрупнения конструкции (R) представляет собой отношение количества элементов N в конструктиве к количеству выводов М из него: . Перегрузка действующих на конструкцию вибраций или ударов определяется как отношение возникающего от их действия ускорения масс элементов конструкции к ускорению свободного падения: , где - ускорение при вибрации (или ударе). Вибро- и ударопрочность конструкции определяются допустимыми перегрузками при вибрациях и ударах, которые может выдержать конструкция без разрушения связей между элементами. Для того чтобы эти свойства были обеспечены, необходимо, чтобы реально возникающие в тех или иных условиях эксплуатации перегрузки не превышали предельно допустимые для конкретной конструкции. 1.5. Требования к конструкции, определяемые назначением приборной аппаратуры 1.5.1. Общий перечень требований по назначению Эта группа требований устанавливает первичную задачу, для реализации которой собственно и выполняется разработка. Общий перечень таких требований затрагивает широкий круг вопросов и в ТЗ включается в подразделы 1,2 и 9 ("Состав изделия и требования к конструктивному устройству", "Показатели назначения", "Условия эксплуатации"). Общий перечень состоит из девяти групп: 1.Приборное функциональное назначение (системы управления силовыми установками, системы управления полетом). 2. Значение параметра, определяющего конструктивные решения (механические параметры поступательных и вращательных перемещений, силовые характеристики систем, передаточные функции, давление, температура, напряжение, ток, частота и др.). 3. Класс, к которому относится объект установки: наземный (для стационарных и подвижных объектов); морской (авианесущие корабли); бортовой (авиационное, ракетное оборудование и оборудование космических объектов). 4. Климатическое исполнение (девять основных климатических исполнений и возможные комбинации). 5. Категория размещения на объекте (пять укрупненных и шесть дополнительных категорий). 6. Массогабаритные характеристики (масса, габаритные и присоединительные размеры). 7. Закрепление на объекте (жесткое, быстросменное, на амортизаторах и др.). 8. Коммуникационные сети на объекте (сети питания, сети высокочастотных кабелей, вентиляционные сети и др.). 9. Электромагнитная защита на объекте (влияние других приборов и радиоэлектронного оборудования, экранирование, устранение наводок, защита от собственных помех). Большинство требований названных девяти подгрупп зависит от особенностей конкретного ТЗ на разработку. Помимо отмеченных классификационных признаков необходимо выде­лить признаки, определяемые объектом установки. Объект установки задает специальное функциональное назначение для ПА данной категории, класса или группы. Категория характеризует ПА по продолжительности работы. Различают четыре категории ПА: многократного, однократного, непрерывного и общего применения. Приборная аппаратура категории многократного применения рассчитана на выполнение своих функций несколько раз по мере необходимости, однократного - один раз за период эксплуатации. Аппаратура непрерывного применения предназначена для непрерывной работы все время, за исключением плановых и вынужденных перерывов в работе. Авиационная ПА общего применения работает в смешанном режиме, как, например, некоторые штурманские приборы, некоторые блоки САУ и др. Классы подразделяют ПА по трем глобальным зонам использования (суша, океан, воздушное и космическое пространство) и перечислены в третьей группе общего перечня по назначению. Внутри классов будем различать специализированные группы в зависимости от детализации объекта установки. Классообразующий признак группы - комплексный: назначение и тактика использования, условия совместимости с объектом, требования к уровню показателей надежности, к защите от внешних воздействий и т.д. Рис.1.4. Составляющие элементы конструкции изделия