автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Модели и методики обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования радиоэлектронных устройств

На правах рукописи

БОБЫЛКИН Игорь Сергеевич

МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2014

г I ПАЙ 2014

005548500

005548500

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Макаров Олег Юрьевич

Официальные оппоненты Павлов Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем»;

Андреков Игорь Константинович, кандидат технических наук, доцент, ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ведущий инженер

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государствен-

ный университет»

Защита состоится « 26 » июня 2014 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 в конференц-зале ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» www.vorstu.ru.

Автореферат разослан «//» мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета .

Питолин Владимир Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обязательной составной частью процесса конструкторского проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС) является тепловое проектирование, направленное на решение вопросов обеспечения нормального теплового режима и выполняемое на различных этапах разработки. Тепловой режим РЭС оценивается с помощью различных тепловых характеристик, базирующихся на анализе температурных полей конструкций. Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства. Такой традиционный подход характеризуется итерационностью, достаточно большими временными затратами, применение для моделирования соответствующих программных комплексов (Рго/ЕШГЫЕЕК, А^УБ и т. д.) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат. Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование - анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза, когда в качестве результата получаем значения параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования является переход к задачам оптимизации с использованием специальных тепловых критериев, направленных на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС. Поэтому наиболее эффективным является организация, построение и осуществление процесса оптимального многоэтапного теплового проектирования РЭС, охватывающего все этапы разработки конструкций, что требует создания и формирования комплекса методов и средств его реализации и поддержки.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется важностью и необходимостью разработки и практической реализации соответствующих моделей, алгоритмов и методик прогнозирования, оценки, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик, применимых на различных этапах проектирования конструкций РЭС.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», а также ГБ НИР 2010.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем» и ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка комплекса моделей и методик постановки и решения задач прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования конструкций РЭС.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- осуществить анализ задач, методов и средств моделирования и обеспечения тепловых режимов, решаемых в процессе теплового проектирования конструкций РЭС, и определить пути повышения его эффективности на базе прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик и основных положений конструктивно-теплового синтеза:

- разработать и обосновать структуру процесса оптимального теплового проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также математического обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС;

- разработать методику формирования и выбора тепловых критериев оптимальности и осуществить математическую постановку основных оптимизационных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС;

- сформировать комплекс соответствующих тепловых и математических моделей процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях, обеспечивающих решение задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик разных типов конструкций РЭС и на различных этапах проектирования;

- предложить методику формирования функциональных моделей систем охлаждения и процессов теплопередачи в конструкциях, применимых для основных конструктивных исполнений современных РЭС и позволяющих решать задачи оптимизации тепловых характеристик, в том числе и с применением известных методов математического программирования;

- разработать комплексные методики выбора основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения, а также прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС;

- осуществить создание и практическое применение методик и рекомендаций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового проектирования конструкций РЭС.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы теории теплопроводности и теплообмена, дискретной математики. математического моделирования, оптимизации и математического программирования.

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

структурная схема процесса оптимального теплового проектирования РЭС, включающая все основные задачи синтеза и оптимизации и необходимые для его реализации проектные процедуры, а также структура и состав математического обеспечения, отличающиеся возможностью решать задачи прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС;

методика выбора и применения тепловых критериев оптимальности, отличающаяся учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС и обеспечивающая математическую постановку основных задач оптимизации тепловых характеристик конструкций и 1гх систем охлаждения;

методика прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС, отличающаяся выбором ограниченного числа рекомендованных тепловых моделей конструкций, комплексным характером при выборе рационального типа системы охлаждения и базирующаяся на применении аналитических моделей температурных полей и процессов теплообмена;

функциональные модели систем теплоотвода в конструкциях РЭС и методика их построения, отличающиеся применением графов теплопередачи и специальных матриц теплообмена, учитывающих различные механизмы и пути распространения тепловых потоков, универсальностью и возможностью проводить оптимизацию структуры и параметров процесса отвода тепла в устройствах разного конструктивного исполнения путем анализа потенциальных тепловых проводимо-стей между выделенными частями (дуг графа);

оптимизационные модели, позволяющие осуществить постановку и решение ряда типовых задач оптимизации тепловых характеристик РЭС на базе различных критериев при проектировании систем охлаждения и выполнении компоновки конструкций с использованием известных методов математического программирования.

Практическая значимость работы. Применение разработанных методик, моделей и средств обеспечивает повышение эффективности теплового проектирования РЭС, позволяет решить ряд практически значимых задач поиска и принятия наиболее рациональных мер по обеспечению и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС различных типов, сократить сроки проектных работ.

Внедренне результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы в форме методик прогнозирования, обеспечения и оптимизация тепловых характеристик радиоэлектронных устройств внедрены на двух предприятиях: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж), что позволило сократить время конструкторского проектирования РЭС, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универаггет» по дисциплине «Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств» (курсовое проектирование и лабораторный практикум) направления подготовки магистров 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств», магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий» (Сочи, 2010-2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2013); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2011-2013); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2010-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно-методическая разработка. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: способы оценки тепловых режимов на этапе функционального проектирования РЭС [11]: оценка возможностей применения средств численного моделирования для решения задач на различных этапах конструкторского проектирования РЭС [4]; построение и выбор математического и методического обеспечения прогнозирования тепловых характеристик с учетом комплексного подхода к выбору способа охлаждения [3,9,10]; описание графовых моделей систем охлаждения специальными матрицами теплообмена и методика формирования структурно-функциональных моделей систем охлаждения [2]: формирование и выбор тепловых критериев оптимальности [5,6]; моделирование пропускной способности дуги графа теплообмена [7]; методическое обеспечение для решения ряда задач оптимального теплового проектирования конструкций РЭС[1].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 86 наименований, и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 115 страницах, содержит 35 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные и практические результаты, дана краткая характеристика содержанию работы.

В первой главе проведен анализ построения, особенностей реализации процесса теплового проектирования РЭС, применяемых методов, моделей, средств автоматизации. Рассмотрены задачи обеспечения, прогнозирования и оптимизации тепловых режимов в процессе разработки конструкций, используемые при этом тепловые характеристики, га которых в качестве основных выбраны: зависимость перегревов от мощности тепловыделения 9-/(Р); их координатное распределение:S=/(.т); 3=/(x,y);S=f(x,y,z); зависимость от коэффициента теплоотдачи Э=/(а), средний перегрев &сг.

Определено базовое математическое обеспечение, которое может быть использовано для решения задач оптимального теплового проектирования РЭС (математические модели температурных полей и теплообменных процессов, методики моделирования и анализа и т.д.). Рассмотрена возможность применения для решения данного класса задач современных специализированных программных комплексов.

Предложены следующие основные направления повышения эффективности процесса теплового проектирования РЭС, направленные на решение задач обеспечения нормального теплового режима как задач прогнозирования и оптимизации на различных этапах разработки конструкций: изменение структуры процесса теплового проектирования РЭС и состава решаемых задач с точки зрения придания им оптимизационного характера: корректировка состава применяемого математического обеспечения для поддержки оптимизационных процедур; постановка различных задач обеспечения теплового режима в виде

оптимизационных задач и их сведение к известным задачам математическою программирования: применение наиболее эффективных на каждом этапе тепловых критериев оптимальности; выбор и использование ограниченного числа тепловых моделей конструкций РЭС, позволяющих осуществить математическую постановку задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования; детальный учет всех возможных путей теплопередачи в системах охлаждения (СО) и конструкциях РЭС путем применения соответствующих структурно-функциональных и математических моделей, позволяющих анализировать и выбирать наиболее эффективные пути теплоотвода с учетом конкретных особенностей конструкции, комплекса применяемых теплоотводящих устройств и заданных условий эксплуатации.

По результатам проведенного анализа сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена формированию структуры, набора основных задач н математического обеспечения процесса оптимального теплового проектирования РЭС.

Предложена структурная схема процесса оптимального теплового проектирования РЭС, показанная на рис. 1, а также разработаны струк1ура и состав математического обеспечения (рис. 2), позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС.

Рис. 1. Процесс оптимального теплового проектирования РЭС

Обоснован п сформирован набор критериев оптимальности и соответствующих им целевых функций, использующих различные тепловые характеристики и обеспечивающих постановку и формализацию всех предложенных задач оптимизации тепловых характеристик РЭС. который включает:

(I)

^ = -¿3 (средний перегрев).

Г, =<т„ = 1 У (9 -9,? (среднеквадратичное отклонение от среднего), (2) п -1 м *

(3)

(4)

/=", = А = 9™ -9™" (максимальный температурный перепад), Г4 = Д5„ = 9,- 9, (разность локальных перегревов).

(среднеквадратичное отклонение), (5)

я; = я, = £ 9Х, (локальный перегрев в ¡-й части конструкции).

(6)

Рис. 2. Структура математического обеспечения процесса оптимального теплового проектирования РЭС

^ _ (максимальный локальный перегрев).

(7)

Г, =1/(ЬхЦ) | |,9(х.у)сЫу (среднеинтеграпыюе значение перефева) (8)

(1 о

ИЛИ F„ = 1/(ЦЦ L._) } J J a(x, v,z)dxdydz,

(9)

(10) (П) (12)

(13)

(14)

Предложена методика формирования и выбора тепловых критериев оптимальности, позволяющих осуществить математическую постановку основных оптимизационных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС (рис. 3). Основанные на применение данной методики рекомендации по использованию данных критериев применительно к типовым классам оптимизационных задач представлены в таблице.

/=]„ = £гас13{х,у) (температурный градиент) ИЛИ /•;, = £Га<Л9(л,у,-),

Р (отводимая тепловая мощность), /г11 =а3 (эффективный коэффициент теплоотдачи), ~ °т (тепловая проводимость).

Тип задачи Основные тепловые характеристики Критерии оптимальности

Оптимизация структуры и режимов функционирования СО Э(Р),Э(а) Fu(F|j),F|3.F|2

Оптимальный параметрический синтез теплоотводящнх устройств 9(Р),Э(х), 9(х, у), Э(а) FC F7. FH.I'V F13

Оптимальная компоновка блоков РЭС Э(х, у, z), Э(Р), Ща) F1F2.Fi. F7. Fii. F«2

Оптимальное размещение элементов в ходе топологического проектирования 8(х,у),9(а) f,.f2. f3. f4. f5. F6.F7F8. F10

Оптимизация устройств теплоотвода компонентов Э(Р), 9(х),Э(х, у), 8(х, у, z) FJ.F6.F8.F|2.F|3. Fn

Предложена методика выбора и применения тепловых моделей типовых конструкций РЭС, допускающих применение аналитических математических моделей температурных полей и процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях, обеспечивающих математическую постановку и решение задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования (рис. 4). Базовый набор их включает: 1) параллелепипед с тепловым источниками, распределенными по объему (ЗБТМШ), со ступенчатыми объемными тепловыми источниками (ЗОТМП2), с распределенными поверхностными тепловыми источниками (ЗОТМПЗ), с дискретными поверхностными тепловыми источниками (ЗОТМПЗ); 2) пластина с распределенными поверхностными тепловыми источниками (20ТМПЛ1), с дискретными поверхностными тепловыми источниками (2Ш"МПЛ2), бесконечная пластина с дискретными поверхностными тепловыми источниками (20ТМПЛЗ); 3) цилиндр с тепловыми источниками, распределенными по объему (ЗШ"МЦ1), с распределенными поверхностными тепловыми источниками (ЗБТМЦ2), с дискретными поверхностными тепловыми источниками (ЗОТМЦЗ); 4) одномерные тепловые модели: стержень с тепловым источником (ШТМСТ1) и без тепловых источников (ШТМСТ2); 5) модели с сосре-

доточенными параметрами: система твердых тел. находящихся в состоянии теплообмена (система условно изотермических поверхностей) (ТМПС1). структура «Ядро-зазор-оболочка» (ТМПС2).

Разработана методика формирования функциональных моделей систем охлаждения и процессов теплоотвода в конструкциях на основе графов теплопередачи, которые описывают структуру возможных путей теплопередачи, их потенциальную эффективность (пропускную способность), распределение тепловых потоков в элементах СО и конструкции РЭС и задаются в виде специальных матриц эффективного теплообмена. Такие модели применимы для анализа и оптимизации процессов теплоотвода для основных конструктивных исполнений современных РЭС.

Рис. 3. Схема выбора тепловых критериев оптимальности

Понятие «пропускная способность дуги» введено по аналогии с сетевыми задачами, оно отражает возможность данной части конструкции и СО, служащей путем отвода теплового потока от источников тепловыделения (радиаторы, воздушные зазоры, контакты разных поверхностей, теплоотводящие шины, каналы с теплоносителем, тепловые трубы, теплоотводящие части несущих конструкции и т.д.), проводить тепловой поток определенной интенсивности. Такая способность характеризуется тепловой проводимостью:

(15)

0(/ = 8д, (16)

где Э,, - относительный перегрев соединяемых дугой вершин;

Бу — площадь сечения поверхности передачи теплового потока данной душ.

В общем случае действуют все виды теплообмена (теплопроводность, конвекция, тепловое излучение), поэтому для их совместного учета в графе вводятся параллельные дуги и применяется три вида матриц теплообмена:

Рис. 4. Применение тепловых моделей для различных конструкций РЭС

А«=||сЦц||п»п» Ат=||^||п.„, А„=||алч||п.п, (17)

где п - число выделяемых в тепловой модели изотермических областей (вершин графа);

оц, оц, алу — значение коэффициента теплопередачи между областями I и j (вершинами графа и X]) за счет конвекции, теплопроводности и излучения.

В качестве примера применения данного подхода на рис. 5 приведена функциональная модель (граф теплопередачи) СО блока РЭС кассетной конструкции,

9

когда тепловой моделью является параллелепипед со ступенчатыми объемными источниками тепловыделения (ЗОТМП2), что позволяет моделировать тепловые процессы с учетом мощности каждого модуля (узла). Получен'граф теплопередачи с несколькими источниками, где обозначены вершины: - модули (источники тепла): п - число модулей; х2- воздушные зазоры между модулями и между нагретой зоной и корпусом: х3 - корпус; Х4 - окружающая среда.

Предложена методика построения графовых моделей систем тетоотвоОа в конструкциях РЭС, которая включает следующие основные этапы:

1) анализ конструкций исходных данных: выбор вида базовой тепловой модели;

Рис. 5. Графовая модель СО блока РЭС кассетной конструкции

2) построение тепловой модели конструкции: выделение источников тепловой энергии, учитываемых изотермических областей, возможных путей и механизмов теплопередачи между ними;

3) построение графа теплопередачи: формирование множества вершин X и дуг и, соответствующих изотермическим областям конструкции и путям теплообмена;

4) расчет на основании требований ТЗ к условиям эксплуатации РЭС и максимально допустимых температур используемой элементной базы значений (максимальных и минимальных) коэффициентов теплоотдачи ич,т|п и а^""1*;

5) расчет и оценка эффективных площадей Б;; выделенных частей РЭС, участвующих в теплообмене по соответствующим дугам ид графа;

6) определение пропускных способностей ст^ дуг на основании полученных значений ацЭ;

7) расчет величин тепловых потоков Ря и , соответствующих текущим сти (для данных условий эксплуатации) и максимальным значениям ау"1" пропускной СПОСОбнОСТИ Дуг Цд.

Пропускные способности дуг а^ имеют предельные максимальные значения, которые определяются а^1""* (исходя из максимальной допустимой температуры применяемых компонентов и окружающей среды), а также обусловлены массовыми и габаритными ограничениями в конструкции, отражаемыми эффективной площадью поверхностей теплообмена (Бц), применяемыми материалами. Поэтому появляется возможность анализировать структуры СО и ее потенциаль-

ю

ные характеристики, соответственно принимать меры по повышению ее эффективности путем рационального построения и оптимизации.

В третьей главе рассмотрено построение методик прогнозирования тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС. выбора основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения, оценки возможности обеспечения тепловых характеристик конструкций, а также задачи оптимизации тепловых характеристик в процессе конструкторского проектирования РЭС.

Показано, что целью прогнозирования является оценка тепловых характеристик проектируемого изделия уже на ранних этапхх и возможности их обеспечения в заданных условиях эксплуатации, при реализации устройства в предполагаемом типе конструкции, при выполнении конструктивных, функциональных, энергетических и экономических ограничений. Для этого на первом этапе необходимо выбрать тип СО из множества используемых, что, в свою очередь, требует выбора базового (основного) способа теплоотвода (способа охлаждения). Далее определяется конкретный тип СО, основанной на этом способе и использующей определенный теплоноситель (воздух, жидкость) и/или передачу тепловой энергии за счет теплопроводности. На основе такого выбора осуществляется непосредственное прогнозирование тепловых характеристик РЭС, для чего используются различные тепловые модели конструкций (рис. 4), математические модели температурных полей и процессов теплоотдачи, что требует обоснованного их выбора с учетом полноты и детальности имеющихся исходных данных (эксплуатационных, конструкторских, функциональных и т.д.). Проведенный анализ и обобщение задач, методов и средств рассматриваемого этапа теплового проектирования позволили предложить комплексную методику прогнозирования и оценки тепловых характеристик РЭС, имеющую интегрированный характер и позволяющую адаптироваться к различным формам постановки задач и набора исходных данных (рис. 6). Также разработаны частные методики выбора необходимого типа системы охлаждения РЭС, прогнозирования тепловых характеристик и оценки возможности их обеспечения на начальных этапах конструкторского проектирования.

В частности, было рассмотрено решение задачи оценки возможности реализации данной схемы в конкретных конструкциях на основе прогнозирования наведенных перегревов и средней температуры нагретой зоны устройства (фона). Для оценки температурного фона, т.е. среднего перегрева, вызванного действием всех, кроме исследуемого компонента, источников тепла, используем среднеинтеграль-ную величину температурного поля, что не требует информации о результатах топологического проектирования (координат элементов, получаемых при решении задачи размещения). Ограничения по габаритам и данные о внешней температуре задаются на основе требований ТЗ, характеристик используемых типовых конструкций (габариты корпусов блоков, микросборок и микроблоков; размеры модулей, узлов, плат и т.д.). В качестве базовой тепловой модели узла (модуля) применяем параллелепипед с сосредоточенными поверхностными источниками тепла (ЗОТМП4), соответствующее температурное поле описывается следующей математической моделью:

Рис.6. Прогнозирование и оценка тепловых характеристик РЭС: Пи Пф, Пэ (конструктивные, функциональные и эксплуатационные параметры)

Ах Ду

БЬ(у(Ьг - г))5ш(0.5птс—)51п(0.5тл-^)

у, г) = —у 2---

сЬ(уЬг)пту

К к

(18)

где Я =

ДхДу

, Р - мощность тепловыделения;

Дх и Ду - размеры источников тепла с координатами (х0, уо) - центр конструкции;

Ьх, Ц, Ь2 - габариты конструкции;

у = л[(п/Ьх)2 + (т/Ц)2]*.

Проводя интегрирование, получим для среднего перегрева (температурного фона) поверхности (г = 0) зависимость

. !т11

I,

. Г г

* th(yLz)sin(0.5n7rAx/L,)sin(0.5mirAy/Lv) . птгх0ч . ,ттту0

х> > ---— sm(—-—jsin(.—;--). (1У)

nmY L« Ly

С помощью (18) и (19) возможно оценить и полный перегрев каждого компонента:

9,(х,у,:) = 3,г(х,у,1) + 9,ф, (20)

где 9ic(x,y,z) - определяется по (18) при Р = Р^

Э|ф = Эф(Э|) - температурный фон для i-ro компонента, определяемый по (19) при q, = (P-Pi)/(AxAy);

Pi - тепловой поток, выделяемый i-м компонентом;

Р - суммарная выделяемая мощность в узле (модуле).

Предлагаемый подход позволяет провести схемотехнический анализ с учетом возможного (прогнозируемого) теплового режима, а также оценить на завершающих этапах функционального проектирования возможность обеспечения нормального теплового режима устройства, выполненного на основе такой схемы, в предполагаемой конструкции и определить возможные для этого способы тспло-отвода (тип СО).

Для проведения прогнозирования и оценки возможности обеспечения заданных тепловых характеристик РЭС предложено применять значение эффективного коэффициента теплоотдачи конструкции а,. При этом для устройств используются однородные тепловые модели вида ЗОТМП1 и 30ТМП2 с эффективными тепловыми параметрами. Аналитическое решение соответствующей краевой задачи с граничными условиями III рода позволяет путем преобразований получить следующее выражение для вычисления значения эффективного коэффициента теплоотдачи а„ обеспечивающего заданную величину допустимого перегрева Э,=9™\ достигаемого в центре модели:

,, . ,0.5ЬгДх\ . ,0.5mir&v. ,.лyL...

а, = 16<?>r2£[sin40.5tor)sin(—--)sin(--—-)sh(-'—*■)/

тж1 *=1 Lx Ly LK

1 ктЗ^Ытгу i-) - TryX^cihirryL, IL,) IL,, (21)

где Хзф - эффективный коэффициент теплопроводности тепловой модели;

L,, Ly, Lj - габаритные размеры рассматриваемой конструкции.

Для определения а, при применении тепловой характеристики в виде Эср возможно использовать и зависимость для Эф (19). Полученная величина а, служит для выбора способа охлаждения и типа СО по предложенной в работе методике, а также для выработки мер по интенсификации теплопередачи в конструкции с заданными габаритами, если на тип возможной СО имеются ограничения (например, только воздушное охлаждение).

Сформированы оптимизационные модели, позволяющие осуществить постановку и решение ряда типовых задач оптимизации тепловых характеристик РЭС на базе различных критериев при проектировании систем охлаждения и выполнении компоновки конструкций с использованием известных методов математического программирования. Так, в частности, осуществлена математическая постановка задачи оптимальной компоновки конструкций (стоек, блоков, модулей) путем ее сведения к известной в математическом программировании задачи о назначениях, которая для критерия среднего перегрева будет иметь вид:

(22)

1.1 У-1

£л; = 1, (23)

£А; = 1, (24)

У-1

{1, если узел! назначается в часть конструкцш.¡, ^ О, в противном случае.

Здесь стоимость размещения (назначения) для ¡-го узла в .¡-ю область конструкции Су будет определяться компоновочным местом и равна его полному перегреву (собственный и сумма наведенных перегревов на другие) = ®

случае компоновки блока кассетной конструкции он представляется тепловой моделью ЗОТМП2 (параллелепипед со ступенчатыми объемными тепловыми источниками), где источник соответствует отдельной плате, что позволяет использовать для вычисления 9-, аналитические модели. Рассмотренная задача также применима к компоновке многоблочных конструкций (стоек, шкафов) и другим конструктивным типам, которые могут быть описаны этой тепловой моделью.

Рассмотрена и задача оценки эффективности структуры и параметрической оптимизации системы теплоотвода в конструкциях РЭС, которая сведена к форме известной в математическом программировании задачи о нахождении максимального потока в сети. Оптимизационная модель представляется в виде:

Р->шах, (26)

Г— Р, 1

(27)

■ к

0<РЦ5 Р„т1\ (28)

Результаты решения дают возможность наиболее рационально использовать все элементы СО (с учетом их пропускных способностей в заданных условиях

14

эксплуатации) для реализации наиболее эффективного теплоотвода (достижения Г\ш*)- а также выработки и принятия конструктивных и функциональных мер по его улучшению.

Четвертая глава посвящена реализации и практическому применению методик прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик при конструкторском проектировании РЭС на основе формирования комплексной методики и средств прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС, а также оценке эффективности применения разработанных методик при тепловом проектировании конструкций РЭС.

На основе предложенных частных методик, моделей и алгоритмов разработана общая комплексная методика, позволяющая решать основные задачи в процессе оптимального теплового проектирования, а также созданы поддерживающие ее применение автоматизированные средства.

Осуществлено практическое использование методик и рекомендаций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового проектирования , при разработке систем охлаждения и конструкций с эффективным теплоот-водом в процессе теплового проектирования телекоммуникационных устройств и радиостанций. Результаты работы внедрены на ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Их использование позволило сократить время проектирования, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов конструкций, в частности, увеличить эффективности систем охлаждения на 8-12%, что обеспечило снижение перегревов на 15-20%.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы задачи, методы и средства моделирования и обеспечения тепловых режимов и построения процесса теплового проектирования современных РЭС и выявлены основные пути повышения эффективности на базе прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик, основанных на методе конструктивно-теплового синтеза.

2. Предложена структура процесса оптимального теплового проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также разработаны структура и состав математического обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик па различных этапах конструкторского проектирования РЭС.

3. Предложена методика формирования и выбора тепловых критериев оптимальности, позволяющая осуществить математическую постановку основных оптимизационных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС.

4. Предложена методика выбора и применения тепловых моделей типовых конструкций РЭС, допускающих применение аналитических математических моделей температурных полей и процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях и обеспечивающих математическую постановку и решение задач

прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования.

5. Разработаны функциональные и математические модели систем охла- . жденпя и процессов теплоотвода в конструкциях на основе графов теплопередачи, описание которых осуществляется в виде специальных матриц эффективного теплообмена, и методика их формирования, позволяющие решать задачи обеспечения

и оптимизации тепловых процессов для основных конструктивных исполнений современных РЭС.

6. Разработаны методики выбора необходимого типа системы охлаждения РЭС и прогнозирования тепловых характеристик и оценки возможности их обеспечения на начальных этапах конструкторского проектирования.

7. Сформированы оптимизационные модели тепловых процессов в системах охлаждения и конструкциях и осуществлена постановка ряда соответствующих задач, позволяющие проводить оптимизацию тепловых характеристик при проектировании РЭС, в том числе и с применением известных задач и методов математического программирования.

8. На основе предложенных частных методик, моделей и алгоритмов разработана общая комплексная методика, позволяющая решать основные задачи в процессе оптимального теплового проектирования РЭС, а также созданы поддерживающие ее применение автоматизированные средства Осуществлено практическое использование методик и рекомендаций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового проектирования, при разработке систем охлаждения и конструкций с эффективным теплоотводом в процессе теплового проектирования РЭС. Результаты работы внедрены на ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», их применение позволяет сократить время проектирования, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов и надежность создаваемых РЭС.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бобылкин, И. С. Основные методики решения задач оптимального теплового проектирования конструкций радиоэлектронных средств [Текст] / И.С. Бобылкин, О. Ю. Макаров, В. А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета -2014. —Т. 10. №2. С.47-52.

2. Бобылкин, И.С. Анализ и оптимизация систем охлаждения в конструкциях радиоэлектронных средства с применением графовых моделей процессов тепло-отвода [Текст] / И. С. Бобылкин, О. Ю. Макаров, В. А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2013. - Т. 9. № 6.3. С. 18-21.

3. Бобылкин, И. С. Структура, основные задачи и математическое обеспечение процесса оптимального теплового проектирование радиоэлектронных средств [Текст] / И. С. Бобылкин // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2013. -Т. 9. № 6.2. С. 81-84.

4. Применение программного комплекса PROI ENGINEER MECHANICA для моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули [Текст] / И. С. Бобылкин, И. А. Лозовой, О. Ю. Макаров, С. Ю. Сизов, А. В. Турецкий /У Вестник Воронежского государственного технического университета - 2010 - Т 6.-№3,-С. 34-36.

Статьи и материалы конференций:

5. Бобылкин И. С. Критерии оптимальности тепловых режимов на этапах функционального и конструкторского проектирования РЭС |Текст] / И. С. Бобылкин, О. Ю. Макаров // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч тр -Красноярск: ИПК СФУ, 2013. - С. 60-62.

6. Макаров, О. Ю. Оптимизация тепловых характеристик при проектировании конструкций радиоэлектронных средств [Текст] / О. Ю. Макаров, И. С. Бобылкин // Надежность и качество: труды Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ 2013 -Т I.1-1.-С. 150-158.

7. Бобылкин, И. С. Оптимизация систем охлаждения и тепловых характеристик [Текст] / И. С. Бобылкин, В. А. Шуваев // Надежность и качество: труды Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2012. - Т. 2. - С.65-72.

8. Бобылкин, И. С. Методы оценки и прогноза тепловых характеристик блоков РЭС [Текст] / И. С. Бобылкин И Надежность и качество: труды Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2011. - Т. 1. - С. 35-44.

9. Бобылкин, И. С. Основные способы охлаждения при оптимизации теплового режима РЭС в узлах и блоков [Текст] / И. С. Бобылкин, О. Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2011): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2 - С 84-89.

10. Бобылкин, И. С. Методы оценки и прогнозирования тепловых характеристик блоков РЭС [Текст] / И. С. Бобылкин, О. Ю. Макаров // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2010): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. -М.: Энергоатомиздат, 2010.

11. Макаров, О. Ю. Модели и методы оценки и обеспечения тепловых режимов на этапе функционального проектирования радиоэлектронных устройств [Текст] /' О. Ю. Макаров, И. С. Бобылкин // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика 2009): материалы Междунар. конф. и Рос.науч. школы М: Энергоатомиздат, 2009. Ч. 4. С. 34-41.

iff

Подписано в печать 25.04.2014.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № ¿Г//

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201459589

БОБЫЛКИН Игорь Сергеевич

МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор О.Ю. Макаров

ВОРОНЕЖ 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 14 РЭС НА БАЗЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1. Задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов в 14 процессе разработки конструкций современных РЭС

1.2. Методы и средства моделирования, анализа, обеспечения и оп- 24 тимизации тепловых режимов РЭС

1.3. Цель и задачи исследования 28

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ ОП- 30 ТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЭС

2.1 Структура, основные задачи и математическое обеспечение 30 процесса оптимального теплового проектирования радиоэлектронных средств

2.2 Формирование критериев оптимальности тепловых характери- 37 стик РЭС

2.3 Тепловые модели конструкций для задач прогнозирования и 42 оптимизации тепловых характеристик РЭС

2.4 Моделирование процессов теплопередачи в системах охлажде- 47 ния конструкций РЭС

2.5. Основные выводы второй главы 59

3. МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПРИ- 60 МИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАПАКТЕРИСТИК РЭС

3.1. Прогнозирование тепловых характеристик на начальных эта- 60 пах конструкторского проектирования РЭС

3.1.1. Выбор основного вида теплопередачи и типа системы 62 охлаждения РЭС

3.1.2. Прогнозирование и оценка возможности обеспечения теп- 69 ловых характеристик конструкций РЭС

3.2. Задачи и методики оптимизации тепловых характеристик в 79 процессе конструкторского проектирования РЭС

3.2.1. Оценка эффективности структуры и оптимизация систе- 79 мы теплоотвода в конструкциях РЭС

3.2.2. Оптимальная компоновка конструкций РЭС 83

3.3. Основные выводы третьей главы 87 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИК 87

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМСИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС

4.1. Комплексная методика и средства прогнозирования, обеспече- 87 ния и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС

4.2. Применение разработанных методик при тепловом проектиро- 93 вании конструкций РЭС

4.3. Основные выводы четвертой главы 98 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101 ПРИЛОЖЕНИЕ 110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обязательной составной частью процесса конструкторского проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС) является тепловое проектирование, направленное на решение вопросов обеспечения нормального теплового режима и выполняемое на различных этапах разработки. Тепловой режим РЭС оценивается с помощью различных тепловых характеристик, базирующихся на анализе температурных полей конструкций. Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства. Такой традиционный подход характеризуется итера-ционностыо, достаточно большими временными затратами. Применения для моделирования соответствующих программных комплексов (Рго/ЕЫСГМЕЕЯ, А^УБ и т. д.) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат.

Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование -анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза, когда в качестве результата получаем значении параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования является переход к задачам оптимизации с использованием специальных тепловых критериев, направленных на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС. Поэтому наиболее эффективным является организация, построение и осуществление процесса оптимального многоэтапного теплового проектирования РЭС, охватывающего все этапы разработки конструкций, что требует создания и формирования комплекса методов и средств его реализации и поддержки.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется важностью и необходимостью разработки и практической реализации соответствующих моделей, алгоритмов и методик прогнозирования, оценки, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик, применимых на различных этапах проектирования конструкций РЭС.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», а также ГБ НИР 2010.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем» и ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка комплекса моделей и методик постановки и решения задач прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования конструкций РЭС.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- осуществить анализ задач, методов и средств моделирования и обеспечения тепловых режимов, решаемых в процессе теплового проектирования конструкций РЭС, и определить пути повышения его эффективности на базе прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик и основных положений конструктивно-теплового синтеза;

- разработать и обосновать структуру процесса оптимального теплового проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также математического обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС;

- разработать методику формирования и выбора тепловых критериев оптимальности и осуществить математическую постановку основных оптимизационных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС;

- сформировать комплекс соответствующих тепловых и математических моделей процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях, обеспечивающих решение задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик разных типов конструкций РЭС и на различных этапах проектирования;

- предложить методику формирования функциональных моделей систем охлаждения и процессов теплопередачи в конструкциях, применимых для основных конструктивных исполнений современных РЭС и позволяющих решать задачи оптимизации тепловых характеристик, в том числе и с применением известных методов математического программирования;

- разработать комплексные методики выбора основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения, а также прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС;

- осуществить создание и практическое применение методик и рекомендаций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового проектирования конструкций РЭС.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы теории теплопроводности и теплообмена, дискретной математики, математического моделирования, оптимизации и математического программирования.

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

структурная схема процесса оптимального теплового проектирования РЭС, включающая все основные задачи синтеза и оптимизации и необходимые для его реализации проектные процедуры, а также структура и состав математического обеспечения, отличающиеся возможностью решать задачи прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС;

методика выбора и применения тепловых критериев оптимальности, отличающаяся учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС и обеспечи-

б

вающая математическую постановку основных задач оптимизации тепловых характеристик конструкций и их систем охлаждения;

методика прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС, отличающаяся выбором ограниченного числа рекомендованных тепловых моделей конструкций, комплексным характером при выборе рационального типа системы охлаждения и базирующаяся на применении аналитических моделей температурных полей и процессов теплообмена;

функциональные модели систем теплоотвода в конструкциях РЭС и методика их построения, отличающиеся применением графов теплопередачи и специальных матриц теплообмена, учитывающих различные механизмы и пути распространения тепловых потоков, универсальностью и возможностью проводить оптимизацию структуры и параметров процесса отвода тепла в устройствах разного конструктивного исполнения путем анализа потенциальных тепловых проводимостей между выделенными частями (дуг графа);

оптимизационные модели, позволяющие осуществить постановку и.решение ряда типовых задач оптимизации тепловых характеристик РЭС на базе различных критериев при проектировании систем охлаждения и выполнении компоновки конструкций с использованием известных методов математического программирования.

Практическая значимость работы. Применение разработанных методик, моделей и средств обеспечивает повышение эффективности теплового проектирования РЭС, решить ряд практически значимых задач поиска и принятия наиболее рациональных мер по обеспечению и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС различных типов, сократить сроки проектных работ.

Внедрение результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы в форме методик прогнозирования, обеспечения и оптимизация тепловых характеристик радиоэлектронных устройств внедрены на двух предприятиях: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал»

(г. Воронеж), что позволило сократить время конструкторского проектирования

7

РЭС, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств» (курсовое проектирование и лабораторный практикум) направления подготовки магистров 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств», магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международная конференция «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий» (Сочи, 2010-2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2013); Международный симпозиум «Надежность и качество», (г. Пенза, 2011-2013); ежегодные научно-технические конференции ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методические семинары кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2010-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно-методическая разработка.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: способы оценки тепловых режимов на этапе функционального проектирования РЭС; оценка возможностей применения средств численного моделирования для решения задач на различных этапах конструкторского проектирования РЭС; построение и выбор математического и методического обеспечения прогнозирования тепловых характеристик с учетом комплексного подхода к выбору способа охлаждения; описание графовых моделей систем охлаждения специальными матрицами теплообмена; формирование и выбор тепловых критериев

оптимальности; методика формирования структурно-функциональных моделей систем охлаждения; методическое обеспечение для решения ряда задач оптимального теплового проектирования конструкций РЭС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 4 наименований, и 3 приложении. Основная часть работы изложена на 108 страницах, содержит 35 рисунков и 10 таблиц.

В первой главе проведен анализ построения, особенностей реализации процесса теплового проектирования РЭС, применяемых подходов, методов, моделей, средств автоматизации, также рассмотрению задач обеспечения, прогнозирования и оптимизации тепловых режимов в процессе разработки конструкций, используемых при этом тепловых характеристик.

Показано, что перспективным подходом является переход от задач «моделирование - анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза, когда в качестве результата получаем значении параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования РЭС является переход к задачам оптимизации и параметрического синтеза, направленного на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС или оптимальных конструктивных параметров при обеспечении заданного теплового режима.

Проанализировано и выбрано базовое математическое обеспечение, которое включает в себя математические модели тепловых процессов (температурные поля, теплопередача, теплообмен и т. д.), методы решения теплофизических задач, методики моделирования и анализа тепловых характеристик конструкции РЭС. Рассмотрена возможность применения для моделирования современных специализированных программных комплексов.

Сформулирован перечень основных оптимизационных задач, решаемых в процессе теплового проектирования РЭС на базе методов конструктивно-теплового синтеза.

По результатам анализа рассмотрены основные пути повышения эффективности теплового проектирования конструкций РЭС, а также сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена формированию структуры, набора основных задачи и математического обеспечения процесса оптимального теплового проектирования радиоэлектронных средств.

Постановка и решение задач теплового проектирования как задач структурного и параметрического синтеза (в том числе и оптимального) основывается на применении концепции конструктивно-теплового синтеза, который базируется на комплексном совместном использовании методик решения вопросов анализа, обеспечения, оптимизации тепловых характеристик путем выбора параметров конструкций, систем охлаждения, теплоотводящих устройств и режимов функционирования РЭС и их систем теплоотвода. При этом задачи обеспечения тепловых режимов стараются формулировать в виде задач синтеза, решение которых позволяет получить конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие заданные или оптимальные тепловые характеристики. Такой подход и выбран в качестве базового в данной работе. Рассмотрены детально задачи оптимального теплового проектирования, относящиеся к задачам синтеза и оптимизации.

Рассмотрим задачи оптимального теплового проектирования, относящиеся к задачам синтеза и оптимизации. Предложена структура процесса оптимального теплового проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также разработаны структура и состав математического обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС.

Предложена методика формирования и выбора тепловых критериев оптимальности, позволяющих осуществи