автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Автоматизованное проектирование бортовых устройств электропитания радиотехнических систем с учетом тепловых и механических воздействии

ГОСКОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛА'.) НАУКИ 'И ШСПЕй ОКСЛи _ МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Для служебного пользования

Эка.аУЛ? УДК 621.396.6.001.24

Альберт Викторович САРАФАНОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАН!® БОРТОВЫХ УСТРОЙСТВ РЛЕКТРО ПИТАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ К МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Спеииатыгости: 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства, 05.12.13 - Устройства радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОССБА - 1991

Работа выполнена на кафедре "Радиотехнические устройства и системы" Московского института уликтронного машиностроения.

. Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Кофанов Ю.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сорокопуд В.А.

кандидат технических наук Воробьев Г.В.

Ведущая организация: НПО "СИСТЕМА"

Защиту состоится " 25" июня 1991г. в 14 часов на заседании специализированного Совета К 063.60.04 Московского института електронного машиностроения по адресу : 109028, г.Москва, Б.Вуэбвский пер., д. 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в биолиотеке

- Заверенные и скрепленные печать» otoueh на авторе J«par в двух экземплярах просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "Jty" мая 1991г.

Ученый секретарь' специализированного Совета,

к.т.н., доцент Н.Н.Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянное совершенствование бортовых радиотехнических систем /РТС/, направленное на улучшение их технических характеристик, расширение круга решаемых задач, высокая степень миниатюризации узлов и блоков, жесткие условия эксплуатации предъявляют все более высокие требования к показателям технического уровня входящих в их состав бортовых устройств электропитания /БУЭП/. Удовлетворение этих требований на стадии проектирования традиционными методами, основанными на интуиции и последующей отработке на макетах, приводит к удлиненным срокам и большой трудоемкости проектирования в основной из-за необходимости внесения множества изменений в схему и конструкцию по результатам макетирования и испытаний опытных образцов БУЭП. Это приводит к необходимости применения в процессе проектирования БУЭП средств автоматизации проектирования.

Попыткц разрешить указанную проблему путем применения существующих программных средств автоматизации проектирования не дали положительных результатов, так как они обладают рядом существенных недостатков применительно к БУЭП, реализованных на основе гибридно-интегральной технологии. К основным недостаткам следует отнести:

■ 1. Отсутствие моделей и программных средств по расчету тепловых режимов РЭС, позволяющих с достаточной точностью исследо-" вать тепловые процессы в БУШ с учетом особенностей их конструктивного построения и условий бхладцения в составе бортовых РТС. '

2. Отсутствие моделей и программных средств по расчету механических режимов РЭС, позволяющих исследовать конструкции БУЭП на вибрационные воздействия с учетом их тепловых режимов работы, окаэывакщих достаточно сильное влияние на механические характеристики БУЭП.

3. Принципы методического и информационного обеспечения существующих программных средств автоматизации проектирования ориентированы на их автономную эксплуатацию, что не позволяет учесть при математическом моделировании БУЭП взаимосвязь электрических, тепловых и механических процессов.

Указанные вше недостатки применяемых программных средств автоматизации не позволяют учитывать в процессе моделирования

БУЭП такие особенности, как: изменение электрических характеристик при совершенствовании конструкции БУЭП с точки зрения обеспечения тепловых и/или/ механических характеристик и наоборот; уход резонансных частот конструктивных, узлов БУЭП в низкочастотную область и изменение уровней виброперегрузок электрорадиоэлементов /ЭРЭ/ при воздействии температуры; изменение температур ЭРЭ при совершенствовании конструкции БУЭП с точки зрения обеспечения ее механических характеристик; изменение резонансных частот и уровней виброперегрузок ЭРЭ при изменении конструкции БУЭП с целью обеспечения тепловых характеристик и т.д.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача разработке методов и алгоритмов математического моделирования электрических» тепловых и механических процессов в БУЭП с учетом их взаи- . моевязи, а также разработка на их основе программных и методических средств для автоматизированного проектирования БУЭП.

Не ль работы. Целью работы является разработка метода математического моделирования БУЭП, позволяющего исследовать электрические процессы в схеме, тепловые и механические процессы в конструкции БУЭП с учетом их взаимосвязи, и на этой основе обеспечивать необходимый уровень надежности и повышать удельную мощность БУЭП путем управления этими процессами на ранних стадиях проектирования.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- исследование структурных, схемотехнических и конструктивных особенностей БУЭП, выявление механизма влияния тепловых и механических воздействий на технические характеристики и взаимосвязи физических процессов в БУЭП, изучение современного процесса проектирования БУЭП с целью органического включения в него вопросов математического моделирования;

- разработка метода учета взаимосвязи электрических, тепловых и механических процессов, протекающих в БУЭП;

- разработка алгоритма анализа тепловых режимов БУЭП совместно с анализом конструкций БУЭП на вибрационные воздействия;

- разработка программных комплексов для ЭВМ по анализу и обеспечению тепловых и механических характеристик БУЭП;

- разработка методического обеспечения автоматизированного .проектирования БУЭП; .

экспериментальная проверка и внедрение результатов работы.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач в работе использованы принципы системного подхода, топологического моделирования, структурного программирования, аппарата теории гра{юв, теории параметрической чувствительности, теории теплообмена, теории колебаний пластинчатых конструкций, теории вероятности и математической статистики, численные методы решения систем уравнений, экспериментальные методы исследований.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые ira защиту, состоят к следущем:.

1. Разработан метод математического моделирования БУЭП, отличающийся от известных возможностью точного учета влияния тепловых процессов на механические, а также обеспечивать одновременно тепловые и механические характеристики /температуры и виброус-кор?ния ЭРЭ, температуры и виброускорения конструктивных элементов БУЭП/ с помощью . конструктивных параметров; возможностью получения функций параметрической чувствительности тепловых и механических характеристик БУЭП. к изменению, геометрических и. тепло-физикомеханических параметров конструкций БУЭП.

2. В рамках предложенного метода разработаны:

а/ топологические тепловые модели, отличающиеся or известных широким кругом охватывает« конструктивных вариантов построения БУЭП, а такде высокой степенью детализации процессов теплообмена в БУЭП;

б/ топологические механические модели конструкций БУЭП, отличительной чертой которых является зависимость их внутренних параметров от локальных перегревов конструкций.

3. lía основе разработанных тепловых и механических моделей БУЭП, а также алгоритма их совместного анализа созданы программные комплексы для ЭШ по анализу и обеспечении тепловых и механических характеристик БУЭП, которые обладают возможностью совместного функционирования, а также возможностью взаимодействия с программными средствами по анализу электрических характеристик и показателей надежности БУЭП, что позволяет использовать их в процессе автоматизированного проектирования БУЭП.

4. Разработана методика автоматизированного проектирования БУЭП с учетом их тепловых и механических характеристик, реализованная в рамках системы ЛССЖНА. Отличительной чертой методики является возможность отработки на ранних этапах проектирования

/оскнзном, технически:.!,/ схем и' конструкций БУЭП с учетом взакко-

- б -

связи протекающих в-них электрических, тепловых и механичеоких пропессов, а также исследовать показатели надежности БУЭП, и на этой основе проводить целенаправленные изменения с целью обеспечения ьыходных характеристик, улучшения показателей надежности и удельной мощности БУЭП.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в ней программные комплексы по анализу и обеспечению тепловых и механических характеристик БУЭП, а также методическое.обеспечение автоматизированного проектирования БУЭП позволяют:

- сократить сроки отыскания проектных решений в процессе автоматизированного проектирования БУЭП за счет уменьшения объема испытаний макетных и опытных образцов, снижения количества схемотехнических и конструктивных доработок, а также изменений • конструкторской документации;

- улучогить показатели безотказности и повысить удельную * мощность БУЭП за счет принятия обоснованных проектных реакций на основе детального исследования с учетом взаимосвязи-электричес-ких, тепловых' и механических процессов, протекающих в НУЗП.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в • диссертации метод, модели, алгоритмы, программные и методические средства автоматизированного проектирования БУЭП использовались при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ на кафедре "Радиотехнические устройства и системы" Московского института электронного машиностроения. Основные результаты работы внедрены в практику проектирования трех предприятий: ЦН/ЖГ, НПО "СИСТЕМА", ЦНИИ-22. На предприятии ИНИИАГ результаты работы использовались при разработке Руководящего технического материала РТМ-3, а на предприятии ЦНИИ-22 - при разработке Руководящего материала РМ В22.31.132-89.

Результаты диссертационной работы внедрены также в учебный процесс Московского института электронного машиностроения, Уральского политехнического института и Запорожского института им.В.Я.Чубаря, где использовались при изложении теоретического яатериала в лекционных курсах, при проведении лабораторных работ, а также в курсовом и дипломном проектировании студентами дневной и вечерней 1орг,', обучения специальности 23.03 "Конструирование и технология РЭС".

" Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на двух городских, одной

республиканской и пяти Всесоюзных симпозиумах, конференциях и семинарах, а также на научно-технических семинарах кафедры "Радиотехнические устройства и системы" Московского института электронного машиностроения.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований и разработок опубликованы в 9 печатных работах и трех отчетах по хоздоговорным темам, зарегистрированных во ВНИИ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя результаты экспериментальных.исследований влияния тепловых режимов работы конструкций КУоП на их механические характеристики, примеры расчета БУЭП РТС с применением разработанных в диссертации программных и методических средств, акты внедрения, а также программную документацию на созданные в рамках диссертации программные'комплексы для ЭВМ по анализу и обеспечению тепловых и механических характеристик БУЭП, оформленную в виде отдельной книги.

Консультации по вопросам автоматизированного анализа тепловых режимов БУЗП и информационного обеспечения автоматизированного проектирования проводились к.т.н. Галиулиным В.М.; по вопросам автоматизированного анализа механических характеристик БУЭП - доцентом,'к.т.н. Крикуном В.Н.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

В первой главе проведены исследования и анализ функциональных, схемотехнических, конструктивных и технологических особенностей БУЗП РТС; исследованы влияние тепловых и механических воздействий на технические показатели БУЕП, а также механизм взаимосвязи электрических, тепловых.и механических процессов, протекающих в схемах и конструкциях ЕУС-П; исследована структура и современная организация пронесся проектирования БУЗИ, особенности отработки их схем и конструкций, а таете проведен анализ приме- • ияеюлс при этом программное средств автоматизации проектирования.

Результаты проведенных исследований показывает, что схемы БУЕП строятся на применении импульсных принципов преобразования энергии, которые получили в настоящее время хнрекое распространение в связи с необходимость?: -удовлетворения не только требований к й'ш.цнональнад характеристикам ЕУ511,' но и требован/;1, по

обеспечении высоких'удельных мощностей к надежности, которые определяют технический уровень современных ЕУ311 РТС. В сьяаи с перечисленными требованиями при реализации БУШ широко применяется Х'ибридао-интеграль'ная технология. Результаты проведенных исследований позволяют представить возможные варианты конструктивного исполнения ¥аких БУЭП в виде компоновочных схем, представленных на рис.1.

«I вариант

ПУ 3

воздуховод

теплоотво-дящее основание

/тос/

ГШ 1 ГШ 25 f 1 , 1

V 1 МСБ 2 — МСБ 30

п

г zrr~u

ДЭ 1 ЛЭ 30

Рис.1. Возможные варианты компоновочных

схем конструктивного построения БУЭП, I выполненных не основе гибридно-интегральной технологии: 1 ' ГИМ - гибридно-интегральный модуль; 11У - печатный узел; МСБ - микросборка; ЛЭ - дискретный элемент.

С точки зрения условий эксплуатации йУЭЛ, ¡сак составная часть бортовых РТС, подвержена яееткпм тепловым и механическим воздействшш /темпе^-тура охрунашеЯ «лчздн -С0...тоК°С, уровень вибрационного воздействия до 25$ 'н диапазоне частот от 1 до 2500 Гц/, приводящим к снижена*« КПД /до 10;?/ и отказам. Наполненный в рамках работы анализ отказов на основе статистики, собранной на ряде предприятий, показал, что при совместном действии тепловых и механических нагрузок наблэдается до 22? отказов БУЭП.

С целью выявления причин ухуцаешш технических хахактерис-тик БУЭП в работе были проведены исследования, показавшие, что высокая температура в сильной степени определяет электрические режимы работы ЗРЭ в цепях БУЭП я является причиной увеличения потерь в этих ЭРЭ и ухода их характеристик, ведущих, в свою очередь, к дополнительным' тепловыделения;.«, в зтих ЗРЭ, снижению КПД устройства, отклонен'.!?) выходных характеристик Б1'ЗП за поля допусков или к прекращению ^ункшюнирован^я К £'Л из-за перегорания ЭРЭ.'

желнй тепловой режим конструкций БУЭП приводит также к ухудшено их механических характеристик. Так, результаты эксперкмента->ных исследований, проведенных в работе, показали, что локаль-к перегревы участков печатных плат /на 40.,.50°С/ приводят к шжению их резонансных частот в среднем на 20...25% с одновре-энным увеличением коэффициентов передачи вибрации на 30...35$, то в ряде случаев является причиной превышения допустимых меха-ичеекпх нагрузок ЭРЭ.

Исследование процесса схемотехнического и конструкторского роектированкя БУЗИ позволило сделать вывод о том, что традици-шше методики проектирования БУЭП не позволяют учитывать на анних стадиях проектирования до изготовления пакетных и опытных |бра'зцов перечисленные выше особенности физических процессов, [ротекающих в БУЭП. При этом в основе таких методик в болызинст->е случаев лежат экспериментальные методы, основанные на отработ-:е макетных и опытных образцов БУЭП, Применение•известных прогр&м-яшх средств' /ПС/-автоматизации при этом, хотя и позволяет в отдельных случаях .сократить вроет по отработке БУЭП, но обеспечить .три этом высокие удельные мощности и надежность БУЭП не дает возможности. Это связано с тем, что существующие ПС обладают рядЬм существенных недостатков. Так модели, входящие в состав математического обеспечения ПС, применяемых для анализа тепловых режимов БУЭП /"ТЕПЛО", "ТЕР!.!", "АСОНИКА-Т", "ПРАМ-9", "НЕАТСАV », " HEAT 2-i>SOlVEft », "VTSVLA THERMAL« " и ряд других/, не учитывают особенности конструктивного.построения БУЭП /ркс.1/, схемно-конструктивные особенности БУЭП с-точки зрения протекания в них тепловых процессов /проведенные в рамках работы экспериментальные исследования показали, что наличке узлов управления и силовой части приводит к больной неизотермичпости корпусов ПК /20...25°С/, на основе которых реализуются.многоканальные БУЭП /вариант компоновки ш на рис.1// и особенности охлаждения конструктивных узлов и конструкций БУЭП /установка печатных узлов в газонаполненные ГН.1, установка ГШ и TOC на теплостоки, охлаждение корпусов с различной мощностью посредством их установки на воздуховоды и т.д./. Неучет указанных особенностей приводит к значительным погрешностям /30...35-/ при моделирования тепловых режимов БУЭП. ß сеою очередь ПС, применяемые для ко'ле-лированая механических режимов БУЭП /"p'AHA", "FЖ", "АССМ7»-КА-Т', "REPLAT " и ряд других-не позволяют при моделировании динамических характеристик конструктивных узлов и конструкций

БУЭП учитывать их т'епловой режим работы, который, как отмечалось ранее, существенно'' влияет на механические характеристики конструктивных узлов БУЭП. К общим недостаткам ПС, применяемых для моделирования тепловых и механических характеристик БУЭП, следует отнести то, что в большинство ПС не предусмотрена возможность автоматического построения моделей на основе информации о геометрических, теплофизических и физикомеханических параметрах объекта моделирования, что требует разработки тепловых и механических моделей вручную. Разработанные таким образом модели являются "жесткими" по своей структуре и не позволяют быстро и эффективно варьировать их структурой и параметрами в процессе отработки конструкции путем математического моделирования,.что в значительной степени снижает их практическую ценность. Кроме того, к общим недостатка!.; большинства ПС относится и то, что принципы их алгоритмического и информационного обеспечения ориентированы на автономное использование ПС в процессе моделирования, что не позволяет взаимодействовать им между собой, а также функционировать совместно с ПС по анализу электронных схем и показателей надежности БУЭП с целью построения эффективных алгоритмов математического моделирования БУЭП, учитывающих взаимное влияние электрических, тепловых и механических процессов, протекающих в БУЭП.

Таким образом, наличие перечисленных выше недостатков у существующих подходов в проектировании БУЭП приводит к тому, что при отработке конструкции на механические воздействия конструктор пытается обеспечить удовлетворительный механический режим работы варьированием конструкционных параметров, которые, в свою очередь, могут привести к ухудшению теплового режима работы и, как следствие, к изменению электрических характеристик БУЗП. При отработке конструкции на тепловые воздействия ситуация повторяется в.противополохном направлении. В силу конструкторско-техно-логических особенностей для БУЗП характерно наличие большого числа конструкционных параметров, влияющих на разнородные физические процессы совершенно противоположно, что приводит к необходимости проделывать большое количество итерационных циклов при отработке конструкции. В конечном итоге такой подход, не учитывающий взаимосвязь физических процессов, протекающих в БУЭП, приводит к необоснованным схемотехническим и конструктивным изменениям, ведущим, в конечном итоге, к ухудшению выходных характеристик, отказам и к снижению удельных мощностей БУЭП.

С учетом проведенных исследований в главе представлена по-

становка основных задач диссертационной работы, дан подробный перечень вопросов, решаемых в рамках основных задач. .

Во второй главе, вначале, на основе проведенного в первой главе анализа проблем, возникающих при проектировании БУЭП и обусловленных взаимосвязью протекающих в них электрических, тепловых и механических процессов, определены основные требования к методу математического моделирования БУШ. Далее с учетом сформулированных требований и в соответствии с принципами системного подхода разработан метод математического моделирования ЛММ/ БУЭП. МММ позволяет учитывать взаимосвязь электрических, тепловых и механических процессов и их влияние на надежность БУЭП и отличается от существующих методов учетом взаимосвязи тепловых и механических процессов, протекающих в БУЭП. При этом сущность МЛ заключается в совместном исследовании моделей электрических, тепловых и механических процессов, а также моделей надежности БУЭП /как это показано на рис.2/, при котором взаимосвязь между процессами осугдбствляется через переменные внутренние параметра одних моделей, зависящие от внутренних переменных величин других моделей. Взаимное влияние электрических и тепловых процессов учитывается путем итерационного анализа, при котором осуществля-

мод £~ль над/гхности буэ/7

\У -

%ч

Кэн

%РЭ

Г» 1

1| 11»

¡К [ни

ТО/70/1ОГИЯ

¿ХГМ6/ н параме'гуэА/ ЭРЗ

%

ЛК

£ ч II Рэрэ

Тэрэ 1Г * "О

II

с7*"3

ЬяТ Ь<р

"тиГ

Расче/п

II

О-эрэ

£ * 5 £

и

1"

1$ ||

II

I*

I

I

Г^—I

ГТФЯЛ

■ 'не. 2. Схема взаимодействия математических моделей.

ется передача мощностей тепловыделений ЭРЭ /Рэрэ /. полученных в результате анализа электрической модели БУЗП, в тепловую модель БУЭП, а также передача температур ЭРЭ /7?/у/, полученных при анализе тепловой модели, в электрическую модель для корректироки в ней температурозависимых параметров ЭРЭ и получения новых значений мощностей тепловыделений ЭРЭ и т.д. Особенностью метода является учет влияния теплового режима на резонансные частоты конструкции и уровни виброускорений ЭРЭ за счет

передачи температурных полей конструкции БУЭП /%-/, полученных в результате анализа тепловой модели, в механическую модель БУЭП для корректировки ее температурозависимых физикомеханических параметров /модуля упругости, логарифмического декремента затухания колебаний/, оказывающих достаточно сильное влияние на динамические характеристики конструкции БУЭП. Учет возможных изменений 7^/у при изменении конструкции БУЭП с точки зрения обеспечения ее механических характеристик и наоборот обеспечивается за счет наличия в тепловой и механической моделях общих конструктивных параметров БУЗП /линейные размеры теплостоков, конструктивных элементов и узлов, координаты размещения ЭРЭ и т.д./, а также за счет получения функций чувствительности 73/у и к изменению геометрических,и тепло-физикомеханических параметров" /ГМОД/ БУЗП и функций чувствительности /32Г / обобщенных показателей - коэффициентов тепломеханической нагрузки ЭРЭ о / ■ к изменению общих конструктивных параметров // БУЭП, оказывающих одновременное влияние на .тепловые и механические процессы, протекающие в конструкции БУЭП и 'определяющие его габаритные размеры. При этом в !,Ш была введена связь "принятие решения", позволяющая на основе получаемых функций чувствительности целенаправленно осуществлять корректировку ГТМШ БУЭП с целью одновременного удовлетворения тепловых и механических характеристик БУЭП.

Полученные в результате моделирования электрических и тепловых процессов в_БУЭП токи через р-п переходы полупроводниковых приборов / 1п /, функции чувствительности выходных характеристик БУЭП к изменению параметров ЭРЭ /¿Л / и Тзрэ используются в модели надежности БУЭП для исследования стабильности выходных характеристик БУЭП, а значения коэффициентов электрической нагрузки ЭРЭ /Кэ* /, и {¿зрз - для показателей безотказ-

ности БУЭП.

Для реализации учитывая недостатки математического

обеспечения ПС в области анализа тепловых и механических режимов БУЭП, в главе осуществлялась разработка тепловых и механических моделей БУЭП. Для этого вначале были исследованы особенности протекания тепловых и механических процессов в БУЭП, как в классе исследуемых объектов, и на основе этого определены пути формализации процессов для разработки расчетных тепловых и механических моделей БУЭП. Затем на основе анализа применяемых для математического моделирования РЭС моделей /аналитических, структурных, топологических/ обоснована необходимость разработки тепловых и механических моделей в унифицированном топологическом виде /в виде ненаправленных графов/, что позволяет в наглядной форме отражать связь моделей о конструкцией БУЭП, а также легко выражать различные граничный услоьня в тепловых и механических моделях при помощи соответствующих элементов градов в явном виде через геометрические параметры конструкции БУЭП, теплофизические параметры окружающей среды и параметры механических воздействий.

1Для разработки топологических моделей тепловых процессов Д!ТП/ и моделей механических процессов ДВД/ в работе был использован подход, основанный на переходе от дифференциальных уравнений в частных производных, описывавших тегиовне и вибрационные процессы в БУЭП, методом конечно-разностной аппроксимации к топологическим моделям, и от них к системам алгебраических уравнений, что позволило применить единые подходы к формированию и исследованию математических моделей, включая аппарат теории чувствительности.

Исходя из требований [,Ш БУЭП, касающихся необходимости анализировать физические процессы в БУЗП на различных стадиях проработки проекта, а таюсе для упрощения процесса совместного анализа тепловых и механических характеристик БУЭП за счет использования моделей различных уровней детализации, в главе были решены следуяаае задачи: осуществлена декомпозиция БУЭП с точки зрения протекания в них тепловых и механических процессов ка типовые конструктшшиъ узлы /КУ/; произведен синтез топологических моделей, детально оии-сываших тепловые и механические процессы в типовых КУ; произведен синтез топологических тепловых и механических макромоделей КУ; произведен синтез топологических МТП к ;.1?Л1 конструкций ПУЭП на основе синтезированных макромоделей КУ.

Отличительной чертой разработанных .МТП БУЭП является учет различных условий теплообмена, докатано задаваемых /в общем случае/ л виде набора.комбинаций но различным объемам ч поверхностям конструкций БУЭП /кондуктпвное охлаждение участков 1СУ или конструкции НУЭП в целом посредством введения тешюстоков и тешгоотводадих шш.

интенсификация процессов теплоотдачи на отдельных участках КУ БУЭП /ТОС, ГШ/ за счет введенм развитых зон с различными типами к параметрами оребрения; теплопередача между отдельными участками КУ через газовые прослойки и путем контактного теплообмена и т.д./, что позволило отразить особенности конструктивного построения БУЭП и характерные для них условия охлаждения в составе РТС, и на основе этого более точно рассчитывать тепловые характеристики БУЭП. Так в частности, для решения задачи по обеспечению заданных перегревов корпусов ГШ с различной мощностью тепловыделения /5...40 Вт/ посредством их установки на воздуховоды /рис.1/ в работе была,синтезирована МТП, позволяющая определять перегревы поверхностей воздуховодов в различных точках за счет учета в МТП градиента температур воздушных потоков в каналах воздуховодов. Дня этого в процессе синтеза МТП было предложено вычислять локальные коэффициенты теплоотдачи /о( / в каналах воздуховодов в районе каждого установочного места ГШ: ¿щ ^(^пс) ■> ^¿(Яе^,I¿)} // = ¿ . где £ - номер ветви топологической МТП, отражающей конвекцию в воздушный канал; С - номер участка канала относительно входа в воздуховод; / - расстояние от установочного места ГЙМ до входа в воздуховод; ¿о - размер участка /в напрвленйи движения воздуха/, на кото- . рые "разбивается" воздуховод; Ке. - критерий Рейнольдса; А/е/ - критерий Нуссельта для каналов.

Отличительной особенностью ММП БУЭП является учет в них влияния теплового режима на резонансные частоты КУ, а также уровни виброперегрузок ЭРЭ. В процессе решений данной задачи, основываясь на экспериментальных исследованиях, проведенных в 1-й главе, в работе было предложено учитывать зависимость логарифмического декремента затухания колебаний /ЛДЗК/от температуры, как параметра, в сильной степени влияющего на точность воспроизведения динамических характеристик конструкций БУЭП. При этом, ввиду большой неравномерности температурных полей КУ БУЭП /20-35°С/, было предложено учитывать температурную зависимость ЛДЗК локально по плоскостям 'СУ БУЭП:

Лг^Ащ -с^+Клтг), . л/

где ¿' - номер участка конструкции БУЭП /номер узла топологической

БУЭП/;71- температура участка конструкции БУЭП /расчетное значение температуры для I -го узла топологической МТП БУЭП/; Кл -ког-}ф:х.ге'!Т аппроксимации известных зависп"остей _/[

нелинейная зависимость ЛДЗК от величины механического нал-ряжеаляб»' /Ао - рквченке Л^К пр:?^-» О и Т =0°С; с1 - коэффициент *мглрс,ксг"шт заг::пг.мос7н лроддсненЕаа в работах

Кожевникова A.M.

Учитывая достаточно сильное влияние температуры на модули упругости /£ / конструкционных материалов БУЭГ1 /значение £ для стеклопластиков изменяется почти на порядок при тепловых нагрузках в составе БУЭП/, а также учитывая возникающие в конструкционных материалах температурные напряжения, в работе было предложено вычислять значение Csi при расчете Лр^С на основе закона Гука и гипотезы Сорокина Е.С., а также с учетом /1/, как:

dt = (£а -КЕ Tc)(1+;A0äi U^A Тс)) (¿['do л 7?), /2/

где £ - значение модуля упругости при 71 =0°С;

Ке - коэффициент аппроксимации известных зависимостей

J - мнимая единица; £ - деформация в материале;

о(0 - коэффициент объемного расширения конструкционного ; материала.

На основе выражений /1/ и /2/ в работе были получены рас-счетнне соотношения для вычисления параметров ветвей сиитезиро-ванных топологических '.МП БУЭП.

Далее в главе 2, основываясь иа разработанных МТП и ШП БУЭП, был создан алгоритм совместного расчета тепловых и механических /при воздействии гармонической вибрации/ характеристик БУЭП.

Для исследования чувствительности температур и виброускорений ЭРЭ к изменению ГРМП БУЭП использовался метод сопряженной модели. При этом на его основе в главе 2 были получены следующие соотношения для вычисления относительных функций, параметрической чувствительности температур и виброускорений ЭРЭ БУЭП: ГЭРЭ_ . Прэ аэрэ а&э fr«

ТЭРЭ V ъ т*

где Д т — (Д т ■ ¿у - абсолютная ФПЧ >э/>э к изменению Т fi't ß

общего геометрического или теплофизического параметра ПУОП;

К - узел в МТП, моделирующий ЭРЭ; N - количество ветвей в топологической МТП БУЭП; - тепловая провод, -ость /г- -Й ветви .МТП;

аЭрЭ_ /f mM )

"j" ~ ' ' Оß." J - абсолютная :ПТ1 Clj,РЭ

к изменению общего геометрического или физикокеханическохх) пара-

метра БУЭП; / - количество ветвей в топологической ММП БУЭП; м - номер узла в ЬШ, имеющего максимальное виброускорение в группе узлов, моделирупаих участки конструкции БУЭП, в которых крепится соответствующий ЭРЭ /максимальное виброускорение выбирается с точки зрения наихудшего случая/; Э?^ - параметр £ -й ветви ММП, отображающий вязкоупругие свойства конструкции.

где Кно ~ обобщенный коэффициент тепломеханической нагрузки соответствующего ЭРЭ; Т}% - допустимые значения температуры и виброускорений на ЭРЭ; - общий геометрический параметр конструкции БУЭП /оказывающий одновременное влияние на Тэрэ и .

Следует отметить, что совместная оценка представленных выше ФПЧ позволяет сделать вывод о степени влияния на 75рэ и ¿2*>/>э ■ изменений каждого из всей совокупности параметров, характеризующих. конструкцию БУЭП с точки зрения протекания в ней тепловых и механических процессов, и выбрать из них те, вариация которых позволяет одновременно обеспечивать теплйвне и механические характеристики, а также повышать удельную мощность БУЭП.

В заключении 2 главы был разработан алгоритм математического моделирования БУЭП, отражающий последовательность выполнения этапов метода, представленного на рис.2. '„

В третьей главе разрабатываются программные комплексы /ПК/ для ЭШ по анализу и обеспечению тепловых и механических характеристик БУЭП, в основу математического, алгоритмического и информационного обеспечения которых были положены разработанные во 2-й г^аве МММ, модели и алгоритмы.

На основе анализа требований к ПК, ©формулированных с точки зрения системного подхода к автоматизации ранних стадий проектирования РЭС, исходя из особенностей созданного во 2-й главе в главе были разработаны структурные схемы и алгоритмы функциони рования ПК, а также выполнена их программная реализация.

Разработанная версия ПК обладает следушими возможностями: '1. Используя описательную информацию /эскиз конструкции БУЭП, описанный на формализованном языке ПК, теплофизические и физикомехакпческке параметры конструкции, условия охлаждения конструкции БУЭП и условия ее крепления, а также параметры вибрационных воздействий/, ПК ь автоматическом режиме /без участия кскгтруктора/ формируют - тепловые и механические мо-

цели определенного вида ¡конструктивного исполнения БУЗП /рис.1/ за счет входящих в состав ПК специальных модулей, реализукиих функции автоматического построения разработанных во 2-й главе MTÍ! и ,',?,! П БУЗП. При г.том Г1К позволяют проводить исследование тепловых характеристик /ТХ/ различных конструкций и конструктивных узлов БУРИ до уровня отдельного ЗРЭ в установившемся тепловом режиме при задании различшх условий охлаждения БУЗП в составе РТС; позволяют исследовать динамические характеристики различных 'конструкций и конструктивных узлов БУЗП до уровня отдельного ЗГЗ о учетом лскялышх температур материалов несущих конструкций БУЙ) при воздействии гармонической вибрации в заданном частотцом диапазоне, при различных уровнях вибрационных- воздействий в места), крапления конструкции БУЗП; получать ФПЧ температур и виороуско-роний ЗРЗ к изменению геометрических и тешю-^изикомоханичееках пирлметроь конструкции БУЗП.

2. ПК в процессе ¡ушшионгфовавия взаимодействуют с.еяду сг-сой / цял учета в пропессе исследования динамических характеристик конструкций БУЗИ их тепловых режмоя/, а также с ПС по анализу электронных схем и показателей надежности БУЗИ. При ото«

гч-и мОорцадиеЯ между разработанными ПК осуществляется через ыюдиий напор гшших /ЬНД 1/, в который записываются рассчитанные 1:л по анализу и обеспечении ТХ №211, температурные поля ;сонструк~ цки и вмел---четкие считывактея оттуда ПК по анализу я обеспечению механических характеристик /МХ/ БУЭ11. Обмен информацией в процессе•функционирования ПК с другими ПС производится такие на основе управлявшей нн{ормации через специально созданные внешне наборы данных /ВЯЛ 2...ЬНД 4/, а тленно: , ,

- осуществляется считывание мощностей ЗРЭ, рассчитанных при помоги ¡1С по анатазу электронных схем БУЗП из ВИД 3 ПК по анализу и обеспечению ТХ БУЗП и в дальнейшем, после работы указанного ПК, ь ВИД 3 записываются рассчитанные температуры ЭРЭ для их передачи в НС по анализу электронных схем БУЗП;

- осуществляется запись рассчитанных температур ЗРЭ л

ВИД '1 и сис|оускорений ЗРЭ в ВИД 2, для их дат нойшей передачи в ПС по анализу показателей надежности БУЗП.

3. ПК могут Функционировать в составе интегрированных САИг. В диссертации рассмотрена работа ПК в составе системы АСОШЯА, разработанной в МИЗМ на кафедре РТУиО и кменпей в своем составе проблемные подсистемы, аозволяпцие анализировать электронные

схемы и показатели надежности БУЭП. Функционирование ПК в составе системы АСОНИКА осуществляется за счет информационной связи с ней /посредством специально созданных в ПК блоков сопряжения/ через_входящую в ее состав БАЗУ'ДАННЫХ /БД/. При этом ПК выдают вся необходимую информацию через сопрягающие блоки для реализации сле.дующих функций:

- осуществление операций выборки из справочника БД геометрических, теплофизических и физикомеханических параметров ЭРЭ, а также теплофизических и физикомеханических параметров конструкционных материалов БУЗИ;

- осуществление обмена информацией через временную часть

БД между ПК по анализу ТХ БУЭП и подсистемой по анализу электронных схем БУЭП для организации итерационных электротепловых расчетов;

- осуществление передачи данных через временную часть БД между разработанными ПК;

- осуществление передачи данных через временную часть БД результатов иерархического анализа ТХ и МХ ЦУЭП, а также передачи результатов анализа ТХ и МХ БУЭП.в подсистему анализа и обеспечения показателей надежности;

" - осуществление записи в проектную часть БД результатов анализа ТХ и (Я БУЭП на длительное хранение.

4. Затраты машинного времени при работе ПК определяются типом ЭВМ, видом выполняемого расчета, размерностью решаемой задачи и составляют от десятков секунд до 1,5 час.

Перечисленные выше возможности разработанных ПК позволяют учесть особенности комплексного исследования физических процессов в БУЭП, являющегося основой предложенного во 2-й главе метода математического моделирования БУЭП.

Для практического использования ПК при автоматизированном проектировании БУЭП, а также для сопровождения ПК в процессе эксплуатации в главе 3 в соответствии .с ЕСПД разработана необходимая программная документация.

В четвертой главе на основе созданных но 2-й главе алгоритма математического моделирования БУЭП и в' 3-й главе- программных комплексов разработана инженерная методика автсматкзитоланного проектирования БУЭП с учетом их тепловых и мехгнкческих характе-ристкк.

Методика реалЕзоЕнталась в рамках системы АС0Р;:.<А и явилась сгстсрноЗ частью ее методического обеспечения.

При разработке методики использовались также возможности проблемных подсистем системы АСОНИКА по анализу электронных схем 'и показателей надежности и качества БУЭП, что позволило всесторонне, путем математического моделирования, отрабатывать на ранних этапах /эскизном, техническом/ схемотехнического и конструкторского проектирования БУЭП схемы и конструкции БУЭП с учетом взаимосвязи протекающих в схемах электрических, а в конструкции -тепловых и механических процессов, а также исследовать показатели надежности и качества БУЭП, и на этой основе проводить целенаправленные проектные изменения с целью обеспечения выходных характеристик, безотказности, удельной мощности БУЭП, и тем самим также значительно снижать число доработок опытных ооразцов БУЗЯ.

В главе приведены также результаты исследований по оценке точности расчетов с помощью разработанных тепловых и вибрационных моделей конструктивных узлов и конструкций БУЭП, алгоритмов расчета ТХ и МХ БУЭП, созданных программных средств. В ходе проведенных исследований осуществлялись экспериментальные измерения ТХ и МХ и проводился их расчет при помощи разработанных ПК, В таблице 1 приведены предельные значения погрешностей расчета тепловых 1! механических / $** / характеристик но сравнении с экспериментом.

Таблица 1 .

! конструкция или кон- ! ! & , /• •

! структивный узел ! С7**, !--------!

! БУсП I сЗ, л 1 резонансные !виброускоре- !

! ! ! частоты !ния !

|-------1---1----1----—1

! микросборки ! 8,1 ! - ! !

| печатные узлы ! 14,5 ! 8,4 ! 18,3

! гиоридно-интегральние! 15,8 ! 7,7 ! 17,4 ! модули ! 'I !

! теплоотводшдие ! ( основания ! 9,2 8,0

! воздуховоды с уста- ! 14,5

! новленными на них !

! гисфидно-интеграль- !

! нт.ш модулями !

Использование разработанных программных средств и методики

в диссертации проиллюстрировано на примере их применения при проектирован™ многоканального БУЭП радиотехнической системы епецназначения. ■ Применение методик!1, позволило обеспечить за счет выработанных на основе математического моделирования рекоменда-кий заданные в ТЗ выходные характеристики; тепловой и механический режимы работы БУЭП, а также повысить удельную мощность БУЭП /относительно первоначально предложенного варианта конструкции/ на 30$. Результаты моделирования в дальнейшем были подтверждены экспериментально на опытных образцах данного БУЭП.

Б главе приведены также результаты внедрения разработанных ь диссертации метода, моделей, алгоритмов, программных средств р. методики ь промышленность и высшие учебные заведения.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

,' ОСНОБШЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В соответствии с принципами системного подхода разработан метод математического моделирования БУЭП, позволяющий учитывать взаимосвязь протекающих в БУЭП электрических, тепловых

и механических процессов, отличающийся от известных методов возможностью точного учета влияния тепловых процессов на механические /уход резонансных частот, изменение уровней виброперс-грузо;; ЭРЭ/, а также способом одновременного обеспечения тепловых и механических характеристик, основанного не предложенном подходе к расчету функций чувствительности температур и вибро-■ ускорений к изменению геометрических и тенло-физикомеханических пярам-з^ров БУЭН.

2. В рамках предложенного метода:

- разработаны топологические тепловые модели конструктивных узлов и конструкций БУЭП, отличительной чертой которых является детальное описание в них процессов теплообмена, характ«разу«цих их конструктивное построение, условия установки и охлаждения ь составе бортовых РТС, что позволило с высоко!"'; точность» уас-счЕтивать температуры ЭРЭ и температурные полч конструкций БУЗИ;

- разработаны вибрационные модели шттруктивикх узлов и конструкций БУЗП, отличительной чертог которых явл-К'тея учет тгрл анализе динамических свойств БУЭП, твидома режимов, что, б своя очередь, позволяет выявитб взг-лнегкя нех.игкч'гоккх хчрак-тсгий?кк /¡.езоьаксных час гот п м:брс1кч руг. г. к з?;;,/ нрп тпппгьих

воздействиях;

- разработан алгоритм совместного анализа тепловых и механических характеристик БУЭП;

- получены расчетные соотношения для вычисления функций параметрической чувствительности, позволившие учесть в методе математического моделирования БУЭП взаимосвязь тепловых и механических процессов в БУЗП через общие конструктивные параметры;

• - разработан алгоритм математического моделирования БУЭП, отражающий этапы детального исследования с учетом взаимосвязи электрических, тепловых, механических и надежностных характеристик БУЭП.

3. На основе созданного метода, включающего в себя модели

и алгоритмы, разработаны программные комплексы по анализу и обеспечению тепловых и механических характеристик БУЭП с комплектом эксплуатационной документации, отличительной чертой, которых является возможность их функционирования совместно с программными средствами, применяемыми для расчета электрических характеристик и показателей надежности БУЗП, что позволяет организовывать процесс совместного исследования с учетом взаимосвлзанных физических процессов в БУЭП.

4. С применением созданных программных комплексов разработана и реализована в радаах системы АСОНИХА методика автоматизированного проектирования БУЭП, отличанцаяся от известных возможностью детальной отработки электрической схемы и конструкции БУЭП с учетом взаимосвязи электрических, тепловых и механических процессов на начальных этапах проектирования БУЭП.

5. Проведены исследования по проверке адекватности разработанных моделей, метода и алгоритмов, подтверждена их правомерность применения в практике проектирования.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования БУЗП на предприятиях и в учебный процесс ВУЗов,

а также использовались при выполнении научно - исследовательских работ, проводимых кафедрой "Радиотехнические устройства и системы" Московского института электронного машиностроения.

ПУБЛИ!Щ1К1 ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кофанов Ю.Н., Сарафанов A.B. Методика автоматизированного проектирования источников вторичного электропитания с учетом тепловых и механических характеристик // Конструирование и-технология радиоэлектронных средств: Межвуз.сб.нучн.тр./ НЭТИ.

Новосибирск, 1990, вып.1. С. 48-61.

2. Галиулин В.М., Кофанов D.H., Сарафанов A.B. Методика автоматизированного анализа тепловых режимов систем вторичного электропитания // Вопросы проектирования РЭА и производства электрорадиоизделий: Межвуз.сб.научн.тр./ МИРЗА. М., 1990.

С. 44-52.

3. Кофанов Ю.Н., Галиулин В.М., Сарафанов A.B. Использование функций чувствительности тепловых и механических характеристик при проектировании РЭА // Всесоюзн.совещ.молодых ученых и специалистов "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем". Тез докл. - М.: Радио и связь, 1987. С. 126.

4. Кофанов Ю.Н., Сарафанов A.B. Алгоритм автоматической обработки функций параметрической чувствительности тепловых и механических характеристик БУЭП // Микроминиатюризация РЭС и ЭВС: Межвуз.сб.научн.тр.ДШЭМ. М., 1991. С. 49-56.

5. Михайлов М.Ю., Сарафанов A.B., Тумковский С.Р. Исследование электрических, тепловых и механических режимов работы импульсного устройства электропитания // Всесоюзн.научно-технич. конференция "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры". Тез.докл. - Запорожье, 1990. С. 137.

6. Сарафанов A.B. Применение программы анализа и обеспечения механических характеристик РЭС в процессе проектирования ИВЭП в микросборочном исполнении. // Зональная конференция "Методы оценки и повышения надежности РЭС". Тез.докл. - Пенза, 1990. С.. 16-17.

7. Кофанов Ю.Н., Вощенников A.A., Галиулин В.М., Сарафанов A.B. Комплексный тепломеханический подход к автоматизированному проектированию,высоконадежных ИВЭП // Зональная конференция "Методы прогнозирования надежности проектируемых РЗА и ЭВА". Тез.докл. - Пенза, 1988. С. 69-70.

8. Галиулин В.М., Манохин А.И., Сарафанов A.B. Применение подсистемы АСОШЖА-Т при проектировании изделий электронной техники // Электронная техника. Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1990. - Вып.4 /81/. - С. 24-26.

9. РМ В22.31.132-89. Руководящий материал. "Аппаратура ра-. диоэлектронная. Методы расчета и оценки режимов работы электрорадиоизделий с помоцыо ЭВМ"// в/ч 67947, 1989. С. 109-118 /ДСП/.

Соискатель