Введение к работе
Актуальность работы
Одним из недостатков существующих электронных приборов (ЭП) является их чувствительность к повышенным температурам Обычно они перестают нормально работать при повышении температуры до 85 - 150С, поэтому необходимо обеспечивать их тепловой режим в условиях интенсивных термических воздействий, возникающих, как правило, при аварии, сопровождающейся пожаром, температура воздуха при котором может достигать П00С Нормальная работа ЭП в таких условиях в течение ограниченного времени возможна при применении тепловой защиты, которая состоит из нескольких оболочек теплозащитных материалов, включающих теплоизоляционные материалы (ТИМ) и теплопоглощающие или теплоаккумулирующие материалы, которые поглощают теплоту при фазовом переходе или химическом превращении
Постоянное ужесточение требований к характеристикам тепловой защиты ЭП, особенно к ее размерам, массе и времени работы, приводит к необходимости разработки новых или модернизации существующих конструкций Здесь перспективным является применение вспучивающихся материалов (ВМ) в качестве одной из оболочек тепловой защиты ВМ при нормальных условиях работы мало отличаются от обычных лакокрасочных материалов, имея толщину порядка нескольких миллиметров, однако они увеличиваются в объеме в десятки раз при воздействии интенсивного теплового потока, образуя толстый слой с низкой теплопроводностью
Применение расчетов и компьютерного моделирования при разработке конструкций тепловой защиты позволяет существенно сократить затраты как материальных ресурсов так и времени, но для этого необходимо наличие ее адекватных математических моделей Однако существующие математические модели ВМ разрабатывались не для многослойной конструкции, рассматривая максимум две оболочки - покрытие и подложку Сложности также создает возможное наличие фазовых переходов или химических превращений не только в ВМ, но и в остальных оболочках тепловой защиты В силу этого задача создания математических моделей для многослойной тепловой защиты с ВМ, а также методов расчета температурных полей в такой тепловой защите, является актуальной
Связь ЭП с внешними устройствами обычно осуществляется посредством электрических проводов, заканчивающихся электрическими соединителями (ЭС), размеры которых могут быть сравнимы с размерами ЭП Однако в литературе практически не рассматривается влияние ЭС на температурные поля тепловой защиты, поэтому задача создания расчетных методик для учета ЭС как тепловых связей (ТС) также является актуальной
Цель работы состоит в разработке методов расчета и математических моделей, применимых при создании многослойной тепловой защиты с ВМ для ЭП, работающего в условиях интенсивных термических воздействий
Основные задачи исследования
-
Анализ существующих методов, конструкций и математических моделей как тепловой защиты в целом, так и отдельных ее материалов,
-
Разработка тепловой и математической модели многослойной тепловой защиты со вспучивающимися материалами,
-
Создание и экспериментальная проверка методики расчета тепловых потоков через ЭС при рассмотрении их в качестве ТС,
-
Экспериментальная проверка математической модели многослойной тепловой защиты со вспучивающимися материалами,
5. Разработка методов расчета температурных полей в тепловой защите электронного прибора при наличии ВМ в ее оболочках
Методы исследования
Указанная цель и задачи исследования достигаются применением целостного подхода и таких методов исследования как анализ существующего научного и научно-технического материала, физическое, математическое и компьютерное моделирование, проведение экспериментальных исследований
Научная новизна работы
1 Разработана тепловая и математическая модели многослойной
тепловой защиты, отличительными особенностями которых является
учет тепловых эффектов при фазовых переходах и химических превращениях во всех ее оболочках при одновременном рассмотрении вспучивающегося материала как оболочки с зависящей от температуры плотностью и объемом,
использование трехмерных моделей в декартовой, цилиндрической или сферической системе координат, включая трехмерные модели для вспучивающегося материала,
численная реализация, не требующая решения интегро-дифференциальных уравнений,
-
Разработана тепловая и математическая модели разъемного соединения с контактом по боковой поверхности, учитьшающая наличие контактного термического сопротивления в области контакта, а также разность температур на торцевых поверхностях деталей разъемного соединения,
-
Разработана методика расчета теплового сопротивления электрического соединителя,
-
Предложен метод выбора параметров многослойной тепловой защиты, содержащей вспучивающийся материал, для защиты электронного прибора при интенсивных термических воздействиях
Практическая ценность результатов работы
1 Результаты работы были использованы на НПО «Прибор» для обоснования выбора конструкций тепловой защиты совмещенных защищенных бортовых накопителей информации (СЗБН), а также для
компьютерного моделирования испытаний тепловой защиты с ВМ на аварийные тепловые воздействия, что подтверждается актом внедрения,
-
Разработанные математические модели могут быть применены при разработке как тепловой защиты ЭП, работающих в условиях интенсивных термических воздействий, в частности, защищенных бортовых накопителей информации или защищенных регистраторов данных рейса судна, так и при разработке тепловой защиты строительных конструкций, сейфов, контейнеров для хранения взрывчатых веществ,
-
Рассмотрение ЭС как ТС позволяет оценивать их влияние на тепловой режим ЭП, работающего как при интенсивных термических воздействиях, так и при нормальных условиях, что может быть использовано при проектировании ЭП
Достоверность результатов работы достигается применением адекватных методов моделирования и экспериментальной проверкой полученных математических моделей и методик расчета.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель многослойной тепловой защиты электронного прибора со вспучивающимся материалом и материалами, поглощающими теплоту в процессе фазового перехода и химического превращения,
-
Математическая модель разъемного соединения с контактом по боковой поверхности при наличии контактного теплового сопротивления в области контакта и перепада температур между торцевыми поверхностями деталей разъемного соединения,
-
Методика расчета теплового сопротивления электрического соединителя,
-
Метод выбора параметров многослойной тепловой защиты электронного прибора при интенсивных термических воздействиях при использовании вспучивающегося материала в качестве одной из ее оболочек
Апробация результатов работы
Основные результаты работы были представлены на 11-ти научных конференциях V Балтийской конференции по теплообмену (Санкт-Петербург, 2007), IV Межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2007), Щ Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007), XXXVI Научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007), Ш Межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2006), П Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006), XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005), П Межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2005),
XXXIV Научной и учебно-методической конференции СПбТУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005), П Всероссийской конференции по проблемам термометрии «Температура-2004» (Обнинск, 2004), ХХХШ научной и учебно-методической конференции СПОТУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004)
Публикации
По результатам исследований опубликовано 10 работ, среди которых 5 работ - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 работы написаны без соавторов Также получен патент на полезную модель
Структура и объем работы
Диссертационная работа общим объемом 152 страницы состоит из введения, списка обозначений и сокращений, пяти глав основной части, заключения, списка литературы из 139 наименований и шести приложений Основной текст занимает 124 страницы и содержит 29 рисунков и 11 таблиц
