автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств

На правах рукописи

ШАЛУМОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ СОЗДАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ МОДЕЛЕЙ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ

Специальность 05.13.12- «Системы автоматизации проектирования»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2009

0034632*79

003463279

Работа выполнена на кафедре информационных технологий Владимирского филиа," Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Увайсов С.У.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Семин В.Г.

кандидат технических наук Желгов Р.Л.

Ведущее предприятие: ОАО «НПП «Волна» (г. Москва)

Защита состоится « 26 » 2009 г. в часов на заседании диссертащ

онного Совета Д217.047.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научн< исследовательский экспериментальный институт автомобильной электроники и электрообор дования» (ФГУП НИИ АЭ) по адресу: ¡05187, г. Москва, ул. Кирпичная, д. 39-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИ АЭ по адресу: 105187, Москва, ул. Кирпичная, д. 39.

Автореферат диссертации разослан «_ Тй » метш 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д217.047.01

кандидат технических наук шоса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. В настоящее время при проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) обязательными требованиями технических заданий на разработку являются требования к обеспечению жестких тепловых режимов работы.

Современные РЭС характеризуются не только сложными алгоритмами работы, но и сложной физической реализацией. С точки зрения теплового анализа картина представляется следующей: с одной стороны плотность монтажа и мощности растут, а с другой - повышается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации становится все сложнее и сложнее обеспечить заданные тепловые режимы работы РЭС.

В настоящее время существует большое количество современных программных продуктов, позволяющих проводить тепловые расчеты конструкций любой сложности.

Проведенный в рамках диссертации анализ программных средств, применяемых для тепловых расчетов, проводимых при проектировании РЭС, показал, что в настоящее время рынок наполнен достаточно большим количеством зарубежных программных продуктов: BETAsoñ, COSMOS, NeiNastran, ANSYS, MENTOR GRAPHICS, FLOTHERM и др.

При проведении тепловых расчетов с помощью зарубежных программных комплексов возникает ряд проблем, например, сложность их освоения: отсутствие методического обеспечения, отсутствие документации на русском языке, отсутствие сопровождения и обучения представителями фирмы-разработчика; невозможность изменения параметров модели без переработки всей конструкции, отсутствие баз данных отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ), несоответствие ГОСТам (для расчета РЭС). Кроме того, при моделировании тепловых процессов в сложных конструкциях трудоемким является ввод исходных данных для расчета. Также из-за универсальности программных средств затруднительно осуществить в минимальные сроки предварительные расчеты и получить необходимые для принятия решения результаты.

Среди отечественных программных продуктов можно выделить подсистему АСОНИКА-Т системы АСОПИКА, программные продукты Пилот, Триана. Система АСОНИКА специально разрабатывалась для нужд отечественной промышленности. В ней отсутствуют все выше перечисленные недостатки. Это первая российская автоматизированная система моделирования, которая рекомендуется специальными руководящими документами Министерства обороны РФ для замены натурных испытаний РЭС моделированием на ранних этапах проектирования. Система АСОНИКА внедрена более чем на 60 отечественных предприятиях промышленности, разрабатывающих РЭС военного и народнохозяйственного назначения, а также на ряде предприятий стран СНГ. Но в системе АСОНИКА, а также в выше приведенных отечественных программных продуктах практически отсутствуют средства автоматизированного создания параметрических моделей тепловых процессов (МТП) несущих конструкций РЭС. Создан лишь препроцессор для построения МТП печатных узлов (ПУ). Однако реально существует стандартизированный ряд типовых конструкций РЭС - шкафы, блоки этажерочного и кассетного типов, блоки цилиндрического типа и др., для которых могли бы быть созданы автоматы для построения МТП. При этом тепловые модели должны не просто строиться автоматически, но быть параметрическими, то есть автоматически перестраиваться при изменении отдельных параметров конструкции, задаваемых пользователем.

Над созданием систем моделирования тепловых процессов в РЭС работали многие отечественные специалисты. Анализу тепловых процессов в РЭС посвящены работы Дульиева Г.Н.. Вермишева Ю.Х., Норенкова И.П., Кофанова Ю.Н., Лисицина A.B., Шалумова A.C., Сарафано-ва А.В и других авторов. По в данных работах специально не рассматривались вопросы автоматизации синтеза параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций.

Анализ показал, что в настоящее время существующие программные комплексы не предоставляют в достаточной мере средств автоматического построения параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций РЭС.

,.У \

Таким образом, на сегодняшний день актуальна разработка программного и методического обеспечения, позволяющего повысить эффективность - сократить время и снизить трудоемкость - при моделировании тепловых процессов в конструкциях РЭС на ранних этапах проектирования за счет автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования теплонагруженных конструкций РЭС за счет автоматизации создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Проведение исследований моделей тепловых процессов основных типовых конструкций РЭС - блока кассетного типа (БКТ), блока этажерочного типа (БЭТ), блока цилиндрического типа (БЦТ), блока этажерочного типа сложного (БЭТС), шкафов - с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических тепловых моделей. Отбор минимального набора входных данных для организации диалогового ввода моделей типовых конструкций.

2. Разработка концепции построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М.

3. Разработка алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа.

4. Разработка структуры автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.

5. Разработка программных модулей «БКТ», «БЭТ», «БЦТ», «БЭТС», «ШКАФ» для ввода исходных данных и автоматического построения моделей тепловых моделей с учетом параметризации.

6. Разработка методики проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей.

7. Организация вычислительных экспериментов по проверке разработанных алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа. Анализ временных затрат в сравнении с ручным построением моделей.

8. Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории тепло- и массообмена, объектно-ориентированного программирования.

Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов, отличающийся от существующих наличием графических средств автоматизации создания МТП типовых конструкций.

2. Разработаны алгоритмы автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа, позволяющие значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность возникновения ошибки.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.

4. Разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающаяся от существующих возможностью су-

щественно повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по тепловым характеристикам.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданной методики и программных средств автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций РЭС позволяет повысить эффективность проектирования теплонагружен-ных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по тепловым характеристикам.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НПП «Волна» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании БЭТС ОАО «РКК «Энергия».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, 2008 г.), Восьмом Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (Нижний Новгород, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2006 г.), IX, X, XI, XII, XIII Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, МИЭМ, 1997 г., 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2000 г.), III Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах - XXI век» (Ковров, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 104-й годовщине Дня радио «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, КГТУ, 1999 г.), Всероссийском совещании-семинаре «Высокие технологии в региональной информатике» (Воронеж, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1998 г.), LIII Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, 1998 г.), Российской научно-технической конференции «Проблемы повышения надежности и эффективности в машино- и приборостроении» (Ковров, 1997 г.), Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Системы управления - конверсия - проблемы» (Ковров, 1996 г.)

Публикации.

По материалам диссертационных исследований опубликовано 25 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 учебное пособие для вузов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируется современное состояние проблемы и ставится задача исследования.

В данной главе проводится анализ современного состояния существующих методов моделирования тепловых процессов и программных средств и обосновывается необходимость и целесообразность разработки методик и программных средств автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций РЭС на базе подсистемы АСОНИКА-Т и на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М, а также использования метода электротепловой аналогии (ЭТА). Сформулированы основные задачи исследования

Во второй главе на основе методов математического моделирования тепловых процессов конструкций РЭС, применяемых в подсистеме АСОНИКА-Т, и на основе графических интерфейсов ввода конструкции подсистемы АСОНИКА-М разрабатывается метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов.

Для практической реализации данного метода разрабатываются алгоритмы автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа.

Метод электротепловой аналогии - это один из методов, позволяющих с достаточной точностью исследовать тепловые поля в конструкции РЭС с учетом особенностей их конструктивного построения и условий охлаждения. Метод ЭТА позволяет представить тепловые процессы, протекающие в конструкциях РЭС, в виде эквивалентной электрической цепи, которая в дальнейшем анализируется при помощи хорошо отработанного в настоящее время математического аппарата по численному анализу электрических цепей. Математически такой прием можно представить заменой дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих тепловые процессы в конструкциях, уравнениями в конечных разностях.

Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа в применении к твердым изотропным телам при решении стационарной задачи в декартовой системе координат имеет вид:

ЛУ2Т + я,=0, (1)

где Л - коэффициент теплопроводности материала изотропного твердого тела; дг - удельная

мощность внутренних источников энергии; Т - температура; V - оператор Лапласа.

В диссертации конечно-разностное уравнение, описывающее теплообмен в элементарном тела, приведено к следующему виду:

к-5)-°; • & -т2Ь\°Лг;-п)-аЛто -г<)1+

где <Х,,(Х,.,<7- имеют физический смысл и размерность (Вт/К) тепловых проводимостей между соседними элементарными объемами твердого тела по осям ОХ, О У и ОХ соответственно:

^ _ А-Дх-Аг _ Я- Дс-Ду

о=- о =- о. =-.

Ас & • ' Ь •

где Дх, Ду, Дг - размеры параллелепипедов, на которые условно разбивается твердое тело; Т, -температура соседних элементарных объемов.

Конечно-разностное уравнение (1), описывающее теплообмен в элементарном объеме твердого тела, имеет аналогом уравнение, записанное на основе 1 -го закона Кирхгофа для суммы токов 0-го узла электрической цепи, представленной на рис. 1.

В данной главе также рассматриваются граничные условия первого, второго, третьего и четвертого родов. Для границы твердого тела и окружающей среды могут быть заданы граничные условия различных родов. В диссертации конечно-разностное уравнение, описывающее теплообмен в элементарном объеме твердого тела, например, с учетом граничных условий второго рода, приведено к следующему виду:

V \Т-Т0)-ах -(Т0 -Т2\+\ау -{Т3 -Г0)-<ту-{Т0-ф

где (у = а • Ду • Аг - тепловая проводимость от поверхности твердого тела в окружающую среду.

Рис.1. Фрагмент электрической схемы, моделирующей процессы теплопередачи в элементарном объеме У0

Таким образом, процессы теплопередачи в твердом теле с граничными условиями любого рода можно смоделировать эквивалентной электрической схемой.

Используя модели элементарных объемов твердого тела и используя заданные граничные условия, можно распространить метод ЭТА на описание процессов теплопередачи во всем РЭС и перейти к его МТП. При этом наблюдается следующая аналогия: потенциал узла эквивалентной электрической схемы аналогичен температуре соответствующей этому узлу части РЭС; электрические проводимости - тепловым проводимостям; сила тока - тепловому потоку; источник тока, направленный в узел электрической схемы, - мощности тепловыделений соответствующей этому узлу части РЭС; источник тока, направленный из узла электрической схемы, -мощности теплопоглощений в соответствующей этому узлу части РЭС; источник напряжения -заданной температуре соответствующей части РЭС.

В соответствии с таким подходом конструкция РЭС разбивается на элементарные объемы такого размера, что с достаточной точностью можно их считать изотермичными. Представление конструкции РЭС совокупностью тепловых проводимостей между всеми объемами, через которые проходит тепловой поток, приводит к электрической цепи большой размерности, которая может быть проанализирована методами, применяемыми при анализе на ЭВМ электрических схем.

В диссертации при решении нестационарных задач в электрическую эквивалентную цепь вводятся конденсаторы, которые моделируют теплоемкости соответствующих условно изотермичных объемов конструкции РЭС. Наличие конденсаторов в схеме можно пояснить уравнением (1), в которое вводится соответствующая компонента, т. е.

ЯУ2Г + - С р^- = о ат

где С'р - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг'К); р - плотность материала, кг/м3; т- время для нестационарного режима.

Конечно-разностное уравнение для нестационарных задач выглядит следующим образом:

к ■ & -Т0)-сгАто -Г2)]+[<т, .{Тъ -Т0)-ау.{Т0 -Г4)|+

+[<* -{Т5 -Т0)-а: -(Г0 -гЛ-сАа =0

ат

где Со -теплоемкость объема У0; <Зо=Чо ' Дх ■ Ду • Дг - тепловая мощность, рассеиваемая в элементарном объеме Уо.

Для анализа моделей тепловых процессов используется топологическая форма представления МТП. Под топологической моделью тепловых процессов понимается модель, предстая-ленная в виде ненаправленного графа. Вершины (узлы) такого графа в МТП моделируют соответствующие конструктивные элементы и узлы конструкции РЭС (представляются в виде условно нагретых зон). Ветви (ребра) графа отражают в МТП тепловые потоки. Переменными узлов МТП являются расчетные значения температур (ТО, переменными ветвей будут тепловые потоки (Ч'у), а параметрами ветвей - тепловые проводимости (Ху).

В отличие от других видов моделей, топологические модели тепловых процессов позволяют в простой форме задавать граничные условия различных родов и их комбинаций по объемам и поверхностям конструкции РЭС при помощи соответствующих компонентов графа (ветвей, источников заданной температуры и (или) источников с заданной тепловой мощностью). К достоинствам топологических моделей следует отнести: возможность довольно простого перехода, в случае необходимости, к другим унифицированным видам математических моделей РЭС; возможность применения единых методов формирования и решения математических моделей, включая аппарат теории чувствительности.

В главе 2 разработана концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе подсистемы АСОНИКА-Т и на безе графических интерфейсов подсистемы АСОИИКА-М. Рассмотрим две подсистемы в системе АСОНИКА: АСОНИКА-Т (подсистема анализа тепловых процессов) и АСОНИКА-М (подсистема анализа механических процессов).

Подсистема АСОМИКА-Т предназначена для проведения расчетов нетиповых конструкций РЭС на все виды теплового воздействия. Главную часть при работе с данной подсистемой занимает процесс построения топологической МТП исследуемой конструкции.

Для нетиповых (нестандартных) конструкций используется ручное построение МТП. При этом возможно появление ошибок, которые в последующем будет сложно отыскать и исправить. Особенно это актуально при построении сложных моделей, состоящих из большого количества узлов и ветвей.

В подсистеме АСОНИКА-Т реализовано расчетное ядро, позволяющее проводить расчет тепловых характеристик нетиповых конструкций РЭС на все виды тепловых воздействий.

Подсистема АСОНИКА-М предназначена для расчета механических характеристик. Она содержит графический интерфейс, позволяющий вводить следующие типовые конструкции РЭС - БКТ, БЭТ, Б ЦТ, БЭТС, шкаф.

Физические модели всех конструкций являются параметрическими, т.е. пользователю предоставляется возможность ввода произвольного количества структурных элементов модели. Для каждого вида типовой конструкции задаются свои параметры.

Современные условия характеризуются все более жесткой конкуренцией на внутреннем и международном рынке, повышением сложности и наукоемкое™ продукции и ставят перед промышленниками и предпринимателями страны такие проблемы, как критичность времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи; снижение всех видов затрат, связанных с созданием и сопровождением изделия; повышение качества процессов проектирования и производства. Так как разрабатываемое изделие должно удовлетворять комплексным требованиям по многим воздействиям одновременно, разработчиков интересует не расчет на какое-либо одно воздействие, а комплексный расчет на все виды воздействий. Поэтому именно комплексный подход (в данном случае совмещение ввода данных для тепловых и механических расчетов) наиболее актуален. Рационально задавать параметры конструкции один раз в рамках графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М. а затем в соответствии с принципами и

стандартами СЛЬЭ-технологий передавать эти параметры в расчетное ядро подсистемы АСО-НИКА-Т.

Режим работы блоков РЭС может быть стационарный (не зависящий от времени) и нестационарный (тепловые процессы зависят от времени), поэтому при построении МТП необходимо учесть оба варианта.

В г лаве 2 создан общий алгоритм построения МТП блока РЭС, а также представлены разработанные алгоритмы построения МТП типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа для всех возможных условий охлаждения. В качестве примера приведем алгоритм построения МТП блока этажерочного типа сложной конструкции для естественного охлаждения. Внутри БЭТС может находиться произвольное количество этажерок. Каждая этажерка в общем виде содержит произвольное количество ПУ. Количество этажерок, а также варианты их размещения в блоке произвольны. На стенках блока также могут быть произвольно расположенные внутренние и внешние элементы. Внутренние элементы могут быть как тепловыделяющими (например, трансформаторы), так и не тепловыделяющими. Внешние элементы могут быть тепловыделяющими, не тепловыделяющими или радиаторами. На рис.2, приведен пример блока РЭС этажерочного типа сложной конструкции.

У .....

Рис.2. Блок РЭС этажерочного типа сложной конструкции

Рассмотрим алгоритм построения МТП конструкции типа БЭТС для естественного охлаждения, созданный с учетом принятых в диссертации идеализаций и видов тепловых взаимодействий. Схема данного алгоритма представлена на рис.3.

Блок 1. Построение МТП корпуса БЭ'ГС. Стенки блока взаимодействуют посредством естественной конвекции и излучения с окружающей средой; стенки блока, имеющие общее ребро, взаимодействуют друг с другом посредством кондукции (теплопроводности).

Блок 2. В узел, моделирующий окружающую среду, включен источник постоянной температуры.

Блок 3. Начало цикла по количеству этажерок. Блок 4. Начало цикла по количеству ПУ в каждой этажерке.

Блок 5. Опредеггяются мощности тепловыделения для каждого ПУ внутри этажерки. Блок 6. Учет теплопроводности между ПУ внутри каждой этажерки через шпильки. Блок 7. Каждый ПУ внутри этажерки конвекцией и излучением взаимодействует с верхним и нижним промежуточными воздушными узлами, моделирующими воздушные прослойки.

Блок 8. Этажерки посредством конвекции и излучения через промежуточные воздушные прослойки взаимодействуют с граничащими с ними гранями корпуса или с соседними этажерками.

Блок 9. Этажерки посредством теплопроводности через шпильки взаимодействуют с граничащими с ними гранями корпуса или с соседними этажерками. Например, верхние этажерки

своими верхними платами осуществляют теплообмен с верхней гранью корпуса (при наличш крепления к верхней грани корпуса), нижние этажерки своими нижними платами - с нижне) гранью корпуса (при наличии крепления к нижней грани корпуса), ближайшие по вертикал! этажерки (при наличие общих шпилек) осуществляют теплообмен путем теплопроводное 11 между нижним ПУ верхней этажерки и верхним ГГУ нижней этажерки.

Рис.3. Схема алгоритма автоматического построения МТП конструкции типа БЭТС при условии естественного охлаждения (начало алгоритма)

Рис.3. Схема алгоритма автоматического построения МТП конструкции типа БЭТС при условии естественного охлаждения (окончание алгоритма)

Блок 10. Начало цикла по количеству внутренних элементов.

Блок 11. В узел, моделирующий внутренний элемент, включается источник мощности тепловыделения (если внутренний элемент является тепловыделяющим).

Блок 12. Внутренний элемент взаимодействует со стенкой корпуса, на которой он размещен, посредством контактного теплообмена (если внутренний элемент является тепловыделяющим).

Блок 13. Внутренний элемент взаимодействует с воздухом окружающей среды посредством конвективно-кондуктивно-лучистой теплопередачи с развитой (оребреннон) поверхности (если внутренний элемент является тепловыделяющим).

Блок 14. Проверка наличия теплоотводящего основания блока. В случае его наличия выполняются блоки 15 и 16.

Блок 15. В узел, моделирующий теплоотводящее основание, включается источник постоянной температуры.

Блок 16. Нижнее основание блока посредством контактного теплообмена взаимодействует с теплоотводящим основанием.

На основе предложенной концепции и алгоритмов разработан метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов (рис.4).

На первом этапе проводится анализ типовой конструкции. Цель данного анализа - определить исходные данные для параметрической МТП. Для этого вручную строится МТП конструкции и определяются все данные, необходимые для создания МТП. На этом же этапе проводится и анализ возможных граничных условий: определяются параметры окружающей среды.

Анализ типовой ко струкции н-

Анализ граничных условий

БД материалов

Г

Коэффициент черноты

Коэффициент теплопроводности

Удельная теплоемкость

Интеграция с расчетным ядром подсистемы АСОНИКА-Т

Определение параметров модели. Типизация данных

Анализ параметров ЗБ-модели в АСОНИКА-М и добавление визуальных компонентов для ввода параметров, необходимых для построения МТП, в графические интерфейсы

< >•

Программная реализация интерфейса

Верификация МТП

Создание алгоритмов автоматического построения параметрической МТП типовой конструкции

ти г

Интеграция с подсистемой АСО-НИКА-ТМ

Оценка эффективности применения модели

Рис.4. Метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов

которые потребуется включить в МТП. Результатом данного анализа являются параметры МТП. Проводится типизация параметров для организации диалогового ввода. Рассматриваются геометрические параметры конструкции, тешгофизические параметры материалов конструкции и параметры среды.

Необходимо проанализировать параметры типовых ЗО-моделей, с которыми позволяет работать подсистема АСОНИКА-М, и добавить в графические интерфейсы возможность ввода параметров, необходимых для построения МТП. Для этого интерфейс подсистемы АСОНИКА-М дополнен визуальными компонентами, позволяющими ввести данные о значениях параметров, необходимых для теплового расчета, таких как наличие или отсутствие среды (вакуум), способы охлаждения в среде (естественное, принудительное, перфорация), для принудительного охлаждения и перфорации - скорость обдува, коэффициент заполнения канала. Предусмотрена возможность выбора наличия или отсутствия теплоотводящей поверхности, в случае ее наличия задается температура теплоотводящей поверхности. Вводится значение давления и температуры окружающей среды. Предусмотрена возможность задания мощности источника тепловыделения для каждой кассеты. Предусмотрена возможность ввода некоторых дополнительных геометрических параметров конструкции.

Для автоматизации ввода теплофизических параметров материалов конструкции в структуре метода предусмотрено наличие информациошюго обеспечения, а именно базы данных материалов, которая специально дополнена теплофизическими данными. Пользователю предоставляется возможность выбора материала, а все теплофизическне параметры выбранного материала счнтываются программными средствами и используются для построения МТП автоматически.

Следующие этапы работы - создание алгоритма автоматического построения параметрической МТП типовой конструкции и его программная реализация. На этом этапе необходима интеграция программного модуля с подсистемой АСОНИКА-ТМ, т.к. результаты теплового расчета типовой конструкции являются граничными условиями для расчета печатных узлов и в качестве входных данных передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ.

Также необходима интеграция программного модуля с расчетным ядром подсистемы АСОНИКА-Т. Для реализации данного этапа за основу взяты методы и методики моделирования тепловых процессов, принятые в подсистеме АСОНИКА-Т, а также математические модели тепловых процессов, используемые в расчетном ядре подсистемы АСОНИКА-Т. Заключительные этапы работы - верификация МТП при различных комбинациях варьируемых параметров и оценка эффективности параметрической модели.

В третьей главе представлены структура, входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М. Каждая из подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-М представляет собой комплекс программ для ЭВМ, предназначенный для функционирования как в составе системы АСОНИКА, так и в автономном режиме, как самостоятельная подсистема. Предусмотрена также возможность использования подсистемы в комплексе с другими системами схемотехнического проектирования. В диссертационной работе предлагается подход комплексного использования подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-М. На рис.5, приедена структурная схема подсистемы АСОНИКА-Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М.

В подсистеме АСОНИКА-М существовали интерфейсы ввода геометрических и физико-механических параметров конструкций БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафов. Для реализации комплексного расчета данные интерфейсы доработаны, в них добавлена возможность ввода тепловых параметров конструкций РЭС приведенных выше типов. Подсистема АСОНИКА-М дополнена модулями автоматического построения МТП конструкций указанных выше типов, созданных на базе графического интерфейса подсистемы АСОНИКА-М.

Из подсистемы АСОНИКА-Т для комплексного расчета используются расчетный модуль, в котором заложены математические модели всех видов тепловых взаимодействий элементов конструкции, и модуль вывода результатов расчета.

Интерфейсы ввода

Ввод параметров БКТ

Ввод параметров БЭТ

Ввод параметров БЦТ

Ввод параметров БЭТС

Ввод парамегров шкафа

-Щ

Файлы с геометрическими и тепловыми параметрами конструкции

АСОНИКА-М

Модули автоматического построения МТП типовых конструкций

Построение МТП БКТ

Построение МТП БЭТ

Построение МТП БЦТ

Построение МТП БЭТС

Построение МТП шкафа

-а

Файл, содержащий МТП типовых конструкций

База данных материалов, содержащая физико-механические и тепло-физические параметры

Подсистема АСОНИКА-Т

Расчетный модуль

вваымия

Файл с результатами расчетов

Модуль вывода результатов расчета

Рис.5. Структурная схема подсистемы АСОНИКА-Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М

Используя параметрические данные о конструкциях РЭС, введенные с помощью графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М, расчетное ядро подсистемы АСОНИКА-Т, а также разработанные алгоритмы создания МТП, получена возможность проводить стационарный и нестационарный расчеты тепловых процессов конструкций РЭС.

В качестве выходных данных по результатам расчета пользователь получает информацию о температурах в узлах модели в табличном виде и в виде текстового файла. При проведении нестационарного расчета пользователь также в табличном виде получает информацию о температуре узлов модели в каждый период времени, а также график зависимости температуры в узлах модели от времени. Следует отметить, что пользователь !по желанию может вывести график зависимости как во всех узлах модели, так и в конкретном, интересующем его узле.

В четвертой главе разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей. Алгоритм методики представлен в диссертации.

Проектирование начинается с получения технического задания (ТЗ) на разработку, которое содержит наряду с другими требованиями и требования по тепловым режимам и условиям эксплуатации конструкции. После получения ТЗ проводится анализ конструкции: определяется, является ли конструкция типовой. Если конструкция нетиповая, то МТП блока РЭС строится вручную в подсистеме АСОНИКА-Т. Если конструкция РЭС типовая, то конструктор определяет ее тип: БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, или шкаф. Далее делается выбор: строить модель теплового процесса аа базе параметрических моделей подсистемы АСОНИКА-Т или на базе параметрических моделей подсистемы АСОНИКА-Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М. Если необходим только тепловой расчет, то целесообразно строить модель теплового процесса на базе параметрических моделей подсистемы АСОНИКА-Т. Если геометрические и механические параметры конструкции уже заданы в графическом интерфейсе подсистемы АСОНИКА-М с целью проведения анализа конструкции на механические воздействия или если предполагается провести анализ конструкции на механические воздействия, то необходимо использовать графические интерфейсы подсистемы АСОНИКА-М.

Далее осуществляется автоматическое построение МТП конструкции РЭС и расчет стационарного или нестационарного теплового процесса в конструкции РЭС. Затем следует проверка, есть ли ЭРИ на корпусе. В случае положительного ответа проверяется условие соответствия температуры ЭРИ допустимым значениям. В случае несоответствия вносятся изменения в конструкцию блока РЭС, вносятся изменения в геометрические и тенлофизические параметры конструкции в зависимости от варианта построения МТП, автоматически перестраивается МТП и повторяется расчет.

Возможны следующие изменения в конструкции блока РЭС: 1) изменение геометрических параметров блока (размеры, толщины); 2) изменение теплофизических параметров материала блока (коэффициента черноты - либо изменяется материал^ либо применяется краска; коэффициента теплопроводности; коэффициента смазки; для нестационарного режима меняется удельная теплоемкость, т.е. время переходного процесса); 3) введение радиатора; 4) изменение типа и параметров радиатора; 5) использование теплоотводящего основания; 6) использование вентилятора; 7) изменение параметров вентилятора и др. '

Если ли на корпусе ЭРИ отсутствуют или температуры ЭРИ на корпусе соответствуют допустимым значениям, то рассчитываются тепловые режимы ЭРИ в АСОНИКА-ТМ. Проверяется условие соответствия температуры ЭРИ допустимым значениям. В случае несоответствия вносятся изменения в конструкцию ПУ и повторяется расчет тепловых режимов ЭРИ в АСОНИКА-ТМ.

Возможны следующие изменения в конструкции ПУ: 1) изменение геометрических размеров ПУ; 2) изменение материала ПУ (например, применение трехслойной конструкции, внутри которой находится металлический слой); 3) изменение теплофизических параметров ПУ (например, изменение коэффициента смазки для микросхем пли мощных транзисторов); 4) введение локальных радиаторов и вентиляторов и др.

В случае несоответствия температуры ЭРИ допустимым значениям также вносятся изменения в конструкцию блока РЭС и делается возврат к вводу геометрических параметров и параметров материалов в АСОНИКА-Т или в АСОНИКА-ТМ и повторяется расчет тепловых режимов ЭРИ в АСОНИКА-ТМ. Если результаты расчета удовлетворяют требованиям ТЗ, то формируется отчет со значениями температур в узлах модели и работа заканчивается.

Для проверки разработанного метода проведена серия вычислительных экспериментов. Цели вычислительных экспериментов: 1) проверка правильности построения моделей; 2) оценка времени на подготовку и ввод каждой модели.

Для примера в таблице 1 приедены результаты вычислительного эксперимента для тепловой модели БЦТ.

1 Таблица 1

№ п/п Количество ПУ

Наименование этапа работы 2 5 10

Затраченное время, мин

1 Построение МТП конструкции 7 12 22

2 Определение параметров ветвей МТП 15 15 15

3 Ввод МТП 25 40 70

4 Проведение теплового расчета 1 1 1

5 Анализ результатов расчета 5 5 5

ИТОГОВОЕ ВРЕМЯ, мин 53 73 113

Для сравнения итоговое время на подготовку МТП с использованием разработанных в диссертации метода и алгоритмов составляет в среднем 10 минут, причем количество ПУ слабо влияет на время подготовки МТП. Таким образом, временные затраты на построение МТП сокращаются в десятки раз, что в итоге значительно повышает эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные научные, теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов, отличающийся от существующих наличием графических средств автоматизации создания МТП типовых конструкций.

2. Разработаны алгоритмы автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа, позволяющие значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность возникновения ошибки.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.

4. Разработаны программные модули «БКТ», «БЭТ», «БЦТ», «БЭТС», «ШКАФ» для ввода исходных данных и автоматического построения моделей тепловых моделей с учетом параметризации. :

5. Разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований ИТД по тепловым характеристикам. '

6. Осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шалумова H.A. Автоматизация построения тепловых моделей // Качество. Инновации. Образование. - 2008. - № 9. - С.46-51.

2. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Интегрированная САПР радиоэлектронной аппаратуры// Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. - 2001. - № 6. - С.49 - 52. ;

3. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Проектирование высоконадежной радиотехнической аппаратуры на базе автоматизированной системы АСОНИКА '// Радиопромышленность. - 2008. -№ 2. - CI23-127.

4. Шалумов A.C., Манохин А.И., Шалумова H.A. Моделирование тепловых процессов в технических объектах с помощью автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Т: Учебное пособие. - Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2004. - 180с.

5. Шалумова H.A. Программный модуль для расчета теплового режима блока этажерочной конструкции сложного типа // «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» / Материалы седьмой всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - С.56-58.

6. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Методология компьютерного проектирования электронных компонентов с учетом тепловых и механических воздействий на основе системы АСОНИКА// «Пассивные электро1шые компоненты - 2008» /; Труды международной научно-технической конференции. - Н.Новгород: ЭРКОН, 2008. - С Л 99-206.

7. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Методология принятия решения по обеспечению стойкости радиоэлектронных средств к внешним воздействующим факторам на основе автоматизированной системы АСОНИКА// «Интеллектуальные системы» / Труды Восьмого Международного симпозиума / под ред. К.А. Пупкова. - М.: РУСАКИ, 2008. - С.61-64.

8. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Графические интерфейсы для моделирования тепловых процессов в типовых блоках радиоэлектронных средств // «Информационные системы и технологии» / Материалы Международной научно-технической конференции. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, 2008. - С. 175176. ,

9. Шалумова H.A., Шалумов A.C. Измерение выходных характеристик радиотехнических устройств с учетом влияния разбросов параметров // «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ IX Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов; под ред.В.Н.Азарова. - М.: МГИЭМ, 1997. -Т.2,с.377-378.

10. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Анализ влияния разброса теплофизических и физико-механических параметров материалов конструкций на надежность электронных приборов// «Проблемы повышения надежности и эффективности в машино- и приборостроении»: Тез.докл./ Материалы Российской научно-технической конференции. - Ковров, 1997. - С.81-82.

11. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Информационно-измерительная система контроля тепловых и механических полей в конструкциях блоков электронной аппаратуры // «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ X Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов; под ред.В.Н.Азарова. -М.: МГИЭМ, 1998. - Т.2,с.357-359. :

12. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Комплексное моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях шкафов РЭС: Тез.докл./ L1II Научная сессия, посвященная Дню радио.-М„ 1998.-С.41-42.

13. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Метод комплексного моделирования тепловых и механических процессов // «Управление в технических системах»: Материалы международной научно-технической конференции. - Ковров, 1998. - С.290-292.

14. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Автоматизированное проектирование радиоэлектронных средств как составная часть новейших информационных CALS-технологий// «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ XII Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов; под ред.В.Н.Азарова. - М: МГИЭМ, 2000. - С.198-199.

15. Данилов М.М., Шалумов A.C., Шалумова H.A. Оптимальное проектирование конструкций РЭС, установленных на виброизоляторах // «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий»: Тез.докл./ Международная научно-техническая конференция и Российская научная школа молодых ученых и специалистов. - 4.4. -М.; Сочи, 2000,-С.124-125. \

16. Шалумова H.A., Шалумов A.C. Методика расчета тепловых процессов в РЭС с применением автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Т// «Управление в технических системах - XXI век»: Сборник научных трудов 111 Международной научно-технической конференции. -Ковров, 2000.-С.153-155.

17. Данилов М.М.,Шалумова H.A.,Шалумов A.C. Метод оптимального проектирования конструкций РЭС,установленных на виброизоляторах //Сборник научных трудов Красноярского государственного технического университета. - Красноярск: КГТУ, 2000. - С.264-267.

18. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Автоматизация формирования карт рабочих режимов электрорадиоизделий в интегрированной САПР электроники// «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ XIII Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов;под ред.В.Н.Азарова.-М.:МГИЭМ, 2001.-С.313.

19. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Математическое моделирование механических процессов в стоечных конструкциях электронной аппаратуры и оптимизация их параметров // «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине»: Тез.докл./ Всероссийское совещание-семинар. - 4.2. - Воронеж,1996. - С.82.

20. Шалумов A.C., Шалумова H.A., Воркуев С.И. Обеспечение стойкости электронных блоков на виброизоляторах в составе следящих систем к механическим воздействиям // «Системы управления - конверсия 4 проблемы»: Материалы международной научно-технической конференции. - Ковров, 1996. - С.76-77.

21. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Метод исследования механических моделей конструкций радиоэлектронных средств при решении задачи оптимального проектирования // Информатика-машиностроение. - 1998. Вып.2. - С.6-11.

22. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Разработка алгоритмов и программ автоматического построения моделей механических процессов конструкций РЭС // «Высокие технологии в региональной информатике»: Тез.докл./ Всероссийское совещание-семинар. - 4.2. - Воро-неж,1998. - С.160. j

23. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Автоматизация допускового анализа механических характеристик типовых конструкций радиоэлектронных средств // «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий»: Тез.докл./ Международная научно-техническая конференция. - 4.1. - М.; Сочи,1998. - С.6-7.

24. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Макромодели механических процессов в типовых конструкциях РЭС и методы формализации их синтеза // «Современные проблемы радиоэлектроники»: Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 104-й годовщине Дня радио. - Красноярск: КГТУ, 1999. -С.240-243. |

25. Шалумов A.C., Шалумова H.A. Автоинтерактивный расчет механических характеристик радиоэлектронных конструкций на ранних этапах проектирования // «Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ XI Научно-техническая конференция^ участием зарубежных специалистов; под ред.В.Н.Азарова. -М.: МГИЭМ, 1999. - С.100-101.,

Подписано к печати 19.01.2009 г. Отпечатано в ФГУ «Типография УВД по Владимирской области» г. Владимир, ул. Б. Нижегородская, 88-Д Заказ № 150 Тираж ЮОУсл.печ.л. -1.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВАХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ современных методов моделирования и программных средств, используемых для тепловых расчетов, проводимых при проектировании РЭС.

1.2. Задачи проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых воздействий

1.3. Основные задачи исследования.

1.4. Выводы к первой главе.

ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЯХ РЭС.

2.1. Математическое обеспечение автоматизированного анализа тепловых характеристик РЭС.

2.1.1. Электротепловая аналогия.

2.1.2. Граничные условия. 2.1.3. Топологическая форма представления моделей тепловых процессов

2.2. Концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М.

2.3. Тепловая модель БКТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели.

2.3.1. Алгоритм построения Mill типовой кассетной конструкции при условии естественного охлаждения.

2.3.2. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции при эксплуатации в условиях вакуума.

2.3.3. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции с перфорацией.

2.3.4. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции с принудительным охлаждением.

2.4. Тепловая модель БЭТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели.

2.4.1. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции при условии естественного охлаждения.

2.4.2. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции при эксплуатации в условиях вакуума.

2.4.3. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции с перфорацией.

2.4.4. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции с принудительным охлаждением.

2.5. Тепловая модель БЭТС: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели.

2.5.1. Алгоритм построения МТП БЭТС при условии естественного охлаждения.

2.5.2. Алгоритм построения МТП БЭТС в условиях вакуума.

2^5.3. Алгоритм построения МТП БЭТС с перфорацией.

2.5.4. Алгоритм построения МТП МТП БЭТС с принудительным охлаждением

2.6. Тепловая модель БЦТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели.

2.7. Тепловая модель шкафа: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели.

2.7.1. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа при условии естественного охлаждения.

2.7.2. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа при эксплуатации в условиях вакуума.

2.7.3. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа с перфорацией

2.7.4. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа с принудительным охлаждением.•.

2.8. Метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов.

2.9. Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА КОНСТРУКЦИЙ РЭС НА ТЕПЛОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АСОНИКА-Т НА БАЗЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.

3.1. Структура, входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА - Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М.

3.2. Структура, входные и выходные данные модулей БКТ, БЭТ, БЦТ.

3.3. Структура, входные и выходные данные модуля БЭТС.

3.4. Алгоритмы графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов РЭС.

3.5. Выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЭС С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.

4.1. Методика проектирования типовых конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей.

4.2. Методика испытаний для проверки правильности и идентификации параметров тепловых моделей.

4.2.1. Проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции.

4.2.2. Проверка правильности построения МТП радиатора.

4.3. Вычислительные эксперименты.

4.3.1. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БКТ.

4.3.2. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЭТ.

4.3.3. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЦТ.

4.3.4. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЭТС.

4.3.5. Вычислительный эксперимент для тепловой модели шкафа

4.4. Внедрение результатов диссертационной работы.

4.5. Выводы к четвертой главе.

В настоящее время при проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) обязательными требованиями технических заданий на разработку являются требования к обеспечению жестких тепловых режимов работы.

Современные РЭС характеризуются не только сложными алгоритмами работы, но и сложной физической реализацией. С точки зрения теплового анализа картина представляется следующей: с одной стороны плотность монтажа и мощности растут, а с другой - повышается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации становится все сложнее и сложнее обеспечить заданные тепловые режимы работы РЭС.

В настоящее время существует большое количество современных программных продуктов, позволяющих проводить тепловые расчеты конструкций любой сложности.

Проведенный в рамках диссертации анализ программных средств, применяемых для тепловых расчетов, проводимых при проектировании РЭС, показал, что в настоящее время рынок наполнен достаточно большим количеством зарубежных программных продуктов: BETAsoft, COSMOS, NeiNastran, ANSYS, MENTOR GRAPHICS, FLOTHERM и др.

При проведении тепловых расчетов с помощью зарубежных программных комплексов возникает ряд проблем, например, сложность их освоения: отсутствие методического обеспечения, отсутствие документации на русском языке, отсутствие сопровождения и обучения представителями фирмы-разработчика; невозможность изменения параметров модели без переработки всей конструкции, отсутствие баз данных отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ), несоответствие ГОСТам (для расчета РЭС). Кроме того, при моделировании тепловых процессов в сложных конструкциях трудоемким является ввод исходных данных для расчета. Также из-за универсальности программных средств затруднительно осуществить в минимальные сроки предварительные расчеты и получить необходимые для принятия решения результаты.

Среди отечественных программных продуктов можно выделить подсистему АСОНИКА-Т системы АСОНИКА, программные продукты Пилот, Триана. Система АСОНИКА специально разрабатывалась для нужд отечественной промышленности. В ней отсутствуют все выше перечисленные недостатки. Это первая российская автоматизированная система моделирования, которая рекомендуется специальными руководящими документами Министерством обороны РФ для замены натурных испытаний РЭС моделированием на ранних этапах проектирования. Система АСОНИКА внедрена более чем на 60 отечественных предприятиях промышленности, разрабатывающих РЭС военного и народнохозяйственного назначения, а также на ряде предприятий стран СНГ. Но в системе АСОНИКА, а также в выше приведенных отечественных программных продуктах практически отсутствуют средства автоматизированного синтеза параметрических моделей тепловых процессов (МТП) несущих конструкций РЭС. Создан лишь препроцессор для построения МТП ПУ. Однако реально существует стандартизированный ряд типовых конструкций РЭС - шкафы, блоки этажерочного и кассетного типов, блоки цилиндрического типа и др., для которых могли бы быть созданы автоматы для построения МТП. При этом тепловые модели должны не просто строиться автоматически, но быть параметрическими, то есть автоматически перестраиваться при изменении отдельных параметров конструкции, задаваемых пользователем.

Над созданием систем моделирования тепловых процессов в РЭС работали многие отечественные специалисты. Анализу тепловых процессов в РЭС посвящены работы Дульнева Г.Н. [26-31], Вермишева Ю.Х. [32,33], Норенкова И.П. [34-39], Кофанова Ю.Н. [40-46], Шалумова А.С. [40,42,43,45,49-52], Сарафанова А.В. [41,44-46] и других авторов. Но в данных работах специально не рассматривались вопросы автоматизации синтеза параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций.

Анализ показал, что в настоящее время существующие программные комплексы не предоставляют в достаточной мере средств автоматизированного синтеза параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций РЭС.

Таким образом, на сегодняшний день актуальна разработка программного и методического обеспечения, позволяющего повысить эффективность - сократить время и снизить трудоемкость - при моделировании тепловых процессов в конструкциях РЭС на ранних этапах проектирования за счет автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования теплонагруженных конструкций РЭС за счет автоматизации создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Проведение исследований моделей тепловых процессов основных типовых конструкций РЭС - блока кассетного типа (БКТ), блока этажерочного типа (БЭТ), блока цилиндрического типа (БЦТ), блока этажерочного типа сложного (БЭТС), шкафов - с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических тепловых моделей. Отбор минимального набора входных данных для организации диалогового ввода моделей типовых конструкций.

2. Разработка концепции построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М.

3. Разработка алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа.

4. Разработка структуры автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.

5. Разработка программных модулей «БКТ», «БЭТ», «БЦТ», «БЭТС», «ШКАФ» для ввода исходных данных и автоматического построения моделей тепловых моделей с учетом параметризации.

6. Разработка методики проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей.

7. Организация вычислительных экспериментов по проверке разработанных алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа. Анализ временных затрат в сравнении с ручным построением моделей.

8. Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории тепло- и массообмена, объектно-ориентированного программирования.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

4.5. Выводы к четвертой главе

1. Разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по тепловым характеристикам.

2. Разработана методика испытаний для проверки правильности и идентификации параметров тепловых моделей. При этом проведена проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции, а также проверка правильности построения МТП радиатора.

3. Для проверки разработанного метода проведена серия вычислительных экспериментов. Цели вычислительных экспериментов: 1) проверка правильности построения моделей; 2) оценка времени на подготовку и ввод каждой модели. Представлены результаты вычислительных экспериментов. Временные затраты на построение МТП сокращаются в десятки раз, что в итоге значительно повышает эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС.

4. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования предприятий и в учебный процесс высших учебных заведений. На разработанное программное обеспечение получен аттестат Министерства обороны РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные, теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов, отличающийся от существующих наличием графических средств автоматизации создания МТП типовых конструкций.

2. Разработаны алгоритмы автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа, позволяющие значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность возникновения ошибки.

3. Разработана структура автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.

4. Разработаны программные модули «БКТ», «БЭТ», «БЦТ», «БЭТС», «ШКАФ» для ввода исходных данных и автоматического построения моделей тепловых моделей с учетом параметризации.

5. Разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по тепловым характеристикам.

6. Осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.

1. Шалумова НА. Автоматизация построения тепловых моделей // Качество. Инновации. Образование. 2008. - № 9. - С.46-51.

2. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Интегрированная САПР радиоэлектронной аппаратуры// Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. 2001. - № 6. - С.49 - 52.

3. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Проектирование высоконадежной радиотехнической аппаратуры на базе автоматизированной системы АСОНИКА // Радиопромышленность. 2008. - № 2. - С123-127.

4. Шалумов А.С., Манохин А.И., Шалумова Н.А. Моделирование тепловых процессов в технических объектах с помощью автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Т: Учебное пособие. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2004. - 180с.

5. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Комплексное моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях шкафов РЭС: Тез.докл./ LIII Научная сессия, посвященная Дню радио. М., 1998. - С.41-42.

6. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Метод комплексного моделирования тепловых и механических процессов // «Управление в технических системах»: Материалы международной научно-технической конференции. Ковров, 1998. -С.290-292.

7. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Автоматизированное проектирование радиоэлектронных средств как составная часть новейших информационных

8. CALS-технологий// «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»: Тез.докл./ XII Научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов; под ред.В .Н.Азарова. М.: МГИЭМ, 2000. - С.198-199.

9. Данилов М.М., Шалумова Н.А., Шалумов А.С. Метод оптимального проектирования конструкций РЭС, установленных на виброизоляторах// Сборник научных трудов Красноярского государственного технического университета. Красноярск: КГТУ, 2000. - С.264-267.

10. Шалумов А.С., Шалумова Н.А. Метод исследования механических моделей конструкций радиоэлектронных средств при решении задачи оптимального проектирования //Информатика-машиностроение. 1998. Вып.2. -С.6-11.

11. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов.- М: Радио и связь, 1990. 256с.

12. Дульнев Г.Н. Теория теплового режима некоторых конструкций радиоэлектронных устройств. В.сб. "Конвективный и лучистый теплообмен", изд. АН СССР, М., I960. - С. 31-46.

13. Дульнев Т.Н., Володин Ю.Г., Тарновский Н.Н. Инженерный метод расчета и определение конструкций теплоотводящих оребренных радиаторов для радиоэлектронных деталей и устройств. Вопросы радиоэлектроники, сер. ХП, 1961, вып.23 ГКР.

14. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э .М. Теплообмен в радиоэлектронной аппаратуре. Д.: Энергия, Ленинградское отд., 1968. - 360с.

15. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Д.: Энергия, Ленинградское отд., 1971. - 248с.

16. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Теплоотдача радиаторов в условиях естественной конвекции. ИФЖ, № 2, Изд. Белорусок. АН СССР, I960.-C.82-89.

17. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988 -278с.

18. Принципы создания интегрированных автоматизированных систем / Е.И. Бронин, Ю.Х. Вермишев, В.В. Машков, М.С. Суровев. М.: Радио и связь, 1987.- 189с.

19. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1994.-207с.

20. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1980. - 311с.

21. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1983. - 272с.

22. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.1. И.П. Норенков. Принципы построения и структура: Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1986. - 127с.

23. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.4. Математические модели технических объектов: Учеб. пособие для втузов/В.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова; под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 160с.

24. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.5. П.К.Кузьмик, В.Б.Маничев. Автоматизация функционального проектирования: Учеб. пособие для втузов; Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 144с.

25. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств/ Ю.Н. Кофанов, В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, А.В. Сарафанов. М.: Радио и связь, 2005. - 379с.

26. Шалумов А.С., Кофанов Ю.Н., Носков В.Н., Носков М.В., Соловкин Д.А. Реализация системного подхода при моделировании радиоэлектронных средств // Качество и ИЛИ (CALS) технологии. - 2006. - № 4. - С.25-37.

27. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры/ Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов, А.С. Шалумов А.С. М.: Радио и связь, 2000. - 389с.

28. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры/ Ю.Н. Кофанов, В.В. Жаднов, Н.В. Малютин, Е.И. Власов, О.В. Межевов, С.В. Работин, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов, М.В. Тюкачев. М.: Радио и связь, 2005. - 156с.

29. Русановский С.А., Шалумов А.С., Ваченко А.С. Методика синтеза и анализа проектных решений бортовых приборов и систем на основе человеко-машинных интерфейсов // Качество. Инновации. Образование. 2007. - № 8. -С.62-67.

30. Русановский С.А., Шалумов А.С. Математическое и программное обеспечение человеко-машинных интерфейсов для моделирования бортовых приборов и систем. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2007. - 168 с.

31. Шалумов А.С., Орлов А.В. Математические модели и методы анализа тепловых процессов: Учебное пособие. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2005. - 152с.

32. Большаков А.С. Структурный синтез конструкций и маршрутов изготовления РЭС на автоматизированных предприятиях в условиях рынка: Учеб. пособие. СПб, 1996. - 178 с.

33. Сарафанов А.В. Структурная организация подсистемы моделирования тепловых характеристик РЭС // Вестник Красноярского государственного189технического университета: Сборник научн. трудов. Вып. 4. Красноярск: КГТУ, 1996. С. 37-42.

34. Орлов А.В., Скворцов И.В., Шалумов А.С. Автоматизированный анализ тепловых процессов// Открытые системы. 2002. - № 2. - С.38-40.

35. Шалумов А.С., Орлов А.В. Математические модели и методы анализа тепловых процессов: Учебное пособие. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2003. - 152с.

36. Кофанов Ю.Н., Манохин А.И., Увайсов С.У. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств: Учеб. пособие М., 1998. - 139 с.

37. Орлов А.В., Фадеев О.А., Постникова В.А., Шалумов А.С. Проблемная ориентация автоматизированной системы ANSYS// Сборник научных трудов Красноярского государственного технического университета. Красноярск: КГТУ, 2000. - С.248-252.

38. Кофанов Ю., Потапов Ю., Сарафанов А. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры "АСОНИКА-Т" // СШР NEWS Инженерная электроника: Научн.-техн. журн. -М.: "CHIP NEWS", 2001. № 6 (59). С. 56-58.

39. Кофанов Ю.Н., Сарафанов А.В., Трегубов С.И. Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: Учебное пособие. Дополненное и переработанное- Москва: Радио и связь, 2001. 215 с.

40. Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988. 224 с.

41. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1991. - 360с.

42. Дамлер А., Грифорин Б. Испытания радиоэлектронной аппаратуры и материалов на воздействие климатических и механических условий. М.: Энергия, 1989.

43. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры / П.И. Овсищер, Ю.В. Голованов, В.П. Ковешников и др.; Под ред. П.И. Овсищера. М.: Радио и связь, 1988.-232 с.

44. Парфенов Е.М. Базовый принцип конструирования РЭА. М.: Радио и связь,1981.- 160с.

45. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике: Пер.с англ. М.: Мир, 1975.- 541с

46. Кренкель Т.Э., Коган А.Г., Тараторкин A.M. Персональные ЭВМ в инженерной практике. М.: Радио и связь, 1989. - 337с.

47. Мосин В.Н., Трайнев В.А. Управление процессом проектирования. -М.: Моск.рабочий, 1980. 128с.

48. Карберри П.Р. Персональные компьютеры в автоматизированном проектировании: Пер. с англ. М.: - Машиностроение, 1989. - 144с.

49. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб.для вузов. М.:Высш.шк.,1991. - 335с.

50. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: Наука, 1977. 832с.

51. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Энергия, 1972. - 316с.

52. Лыков А.В. Тепломассообмен (справочник). М.: Энергия, 1972.- 508с.

53. Маквецов Е.Н. Модели из кубиков. М.:Сов.радио, 1978. -192с.

54. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств / Под ред.З .М.Бенсопа, М.Радио и связь, 1981. -272с.

55. Оциск М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. - 640 с

56. Попов В.М. Обобщенные зависимости для определения термического контактного сопротивления. ИФЖ, 1977, № I, т.ЗЗ, с.97-100.

57. Роткоп JI.JI., Спокойный Ю.Д. Обеспечение тепловых режимов при конструирования РЭА. М.: Сов.радио, 1976, - 232с.

58. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев: Техника, 1977. - 768с.

59. Сигорский В.П., Петренко А.Л. Алгоритмы анализа электронных схем.- М.: Сов.радио, 1976 608с.

60. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров.- М.: Атомиздат, 1979. 216с.

61. Феломанис. Расчет тепловых потоков методом электротермических аналогий. Электроника, № 10, 1974, с.57-65.

62. Фукс Л.Г. Свободная конвекция в нагретой вертикальной щели Изв. ВУЗов, сер Энергетика, №3, 1961, с.64-66.

63. Чернышев А.А., Иванов В.И.„ Аксенов АЛ., Глушкова Д.Н. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники. М.Энергия, 1980.-216с.

64. Гради Буч Объектно-ориентированные методы анализа и проектирования на примере использования языка С++.-М. Питер 2002г.