автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация теплового проектирования радиоэлектронных устройств и комплексов на основе методов конструктивно-теплового синтеза

09-1 1948

На правах рукописи

■ Ш) ,

С

ШУВАЕВ Влпдимир Анд «ч

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ КОНСТРУКТИВНО-ТЕПЛОВОГО СИНТЕЗА

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2009

Работа выполнена в технический университет»

ГОУ ВПО «Воронежский государственный

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор

Муратов Александр Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Белецкая Светлана Юрьевна;

кандидат технических наук, доцент

Зибров Александр Александрович

Ведущая организация ФГУП «Научно-исследовательский

институт электронной техники» (г. Воронеж)

Защита состоится 30 января 2009 г. в 1510 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.03 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «30» декабря 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / Родионов О.В.

росс ии с к л я

ГОСУДАРСТВЕННАЯ Б И (ЛИОТЕКА 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К настоящему времени такие основные направления развития радиоэлектронных средств (РЭС), в том числе применяемых в сфере связи и телекоммуникаций, как повсеместный переход на цифровые методы обработки сигналов и постоянное повышение производительности цифровых устройств; широкое применение в качестве элементной базы быстродействующих БИС и СБИС с высоким энергопотреблением; реализация и использование систем на кристалле; миниатюризации конструкций и увеличение плотности компоновки на всех уровнях конструктивной иерархии; расширение области использования и эксплуатации современных радиоэлектронных устройств в различных, в том числе весьма жестких, внешних условиях привели к резкому росту удельных тепловых потоков и усилению тепловых воздействий, что поставило задачи обеспечения тепловых режимов в число наиболее важных в процессе проектирования РЭС. Поэтому обязательной частью процесса проектирования современных устройств и комплексов связи и телекоммуникаций является тепловое проектирование, а в состав САПР РЭС входят специализированные подсистемы и комплексы. Широко используемый подход к организации теплового проектирования РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечение теплового режима в основном на этапе конструктор-ско-топологического проектирования. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляется после решения какой-либо задачи конструкторского синтеза (размещение, компоновка, выбор и разработка конструкций блоков, стоек и т.д.). если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции. Такая структура процесса теплового проектирования не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексное исследование, обеспечение и оптимизацию параметров систем охлаждения и теплоотвода (СО) РЭС и тепловых характеристик разрабатываемых конструкций. Поэтому для уменьшения временных затрат и повышения качества проектирования РЭС необходимо решать вопросы обеспечения теплового режима на всех этапах разработки конструкций. В ходе конструкторского проектирования РЭС эффективное решение таких задач возможно на основе подхода, называемого конструктивно-тепловым синтезом, под которым понимается комплексное применение различных методов анализа тепловых процессов, разработки систем охлаждения, параметрического синтеза и оптимизации СО, теплоотводящих устройств и тепловых характеристик конструкции.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов, математических моделей, алгоритмов и программных средств реализации процедур конструктивно-теплового синтеза, направленных на получение конструкций РЭС с заданными или оптимальными тепловыми режимами путем решения задач структурного и параметрического синтеза систем охлаждения и комплекса теплоотводящих устройств, обеспечения и оптимизации процессов теплопередачи, конструктивных параметров и режимов функционирования.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" «САПР и системы автоматизации производства» и в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследо-

вания и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, алгоритмов, методик и программных средств синтеза и моделирования систем и устройств обеспечения тепловых режимов РЭС на различных этапах конструкторского проектирования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ задач обеспечения теплового режима современных РЭС, решаемых в рамках процесса теплового проектирования, и определить основные направления повышения его эффективности на основе методов конструктивно-теплового синтеза;

разработать структуру процесса и состав проектных процедур конструктивно-теплового синтеза, а также соответствующего математического обеспечения;

сформировать комплекс математических моделей тепловых процессов в РЭС, базирующихся на ограниченном наборе унифицированных тепловых моделей, охватывающих все конструктивные уровни иерархии и применимых для задач обеспечения и оптимизации тепловых режимов на различных этапах конструкторского проектирования;

разработать математические модели систем охлаждения и теплопередачи в РЭС и теплоотводящих устройств различных типов, а также алгоритмы и методики выбора типа и структуры таких систем для конкретных РЭС и их параметрического синтеза и оптимизации;

реализовать предложенное математическое обеспечение и методики в программно-методическом комплексе обеспечения теплового режима конструкций РЭС.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные методы теории автоматизированного проектирования, теплопроводности и теплообмена, математической физики, вычислительной математики, оптимизации, объектно-ориентированного программирования.

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

структура процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС. состав соответствующих проектных процедур и математического обеспечения, отличающиеся комплексным подходом к решению задач синтеза системы охлаждения и комплекса теплоотводящих средств на всех уровнях конструктивной иерархии РЭС;

комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций РЭС и аналитических математических моделей тепловых процессов в них, отличающихся использованием ограниченного числа простых базовых моделей и позволяющих решать задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов конструктивных единиц различного иерархического уровня на разных этапах проектирования;

математическая модель систем охлаждения и теплоотвода РЭС в виде графа, отражающая пути и способы теплопередачи в конструкции, обеспечивающая решение задач синтеза и оптимизации тепловых процессов путем определения эквивалентных коэффициентов теплоотдачи каждого возможного пути;

процедуры и алгоритмы определения типа и структуры системы охлаждения РЭС и параметрического синтеза комплекса теплоотводящих устройств различных типов, отличающиеся применением эквивалентного коэффициента теплоотдачи как интегральной характеристики эффективности и унифицированных тепловых и математических моделей теплорассеивающих элементов, позволяющие решать задачи обеспечения заданных тепловых характеристик узлов и компонентов РЭС;

методика и алгоритмы оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, отличающиеся использованием модели системы охлаждения в виде графа теплопередачи и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задач о максимальном потоке и задачи о назначениях.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы и программные средства, реализованные в программно-методическом комплексе обеспечения тепловых режимов РЭС, позволяющие комплексно решать задачи анализа, выбора и параметрического синтеза при разработке систем и устройств охлаждения в процессе теплового проектирования. Применение предложенных методов и средств обеспечивает сокращение затрат на проектирование, повышение качества проектных решений и надежности разрабатываемых РЭС.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированного комплекса использовались при выполнении ряда НИОКР для решении задач обеспечения теплового режима конструкций РЭС связи, их узлов и компонентов и внедрены в ОАО "Концерн "Созвездие", а также в учебный процесс ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2006), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2007)» (Сочи, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007, 2008), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" (2005-2008) и научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" (20052008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 книга. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю

принадлежат: [3,4]- анализ и формулировка задач обеспечения теплового режима в рамках метода конструктивно-теплового синтеза, [3,7,10,11]- состав комплекса унифицированных тепловых моделей РЭС, [3]- основные задачи, структура процесса, состав проектных процедур и математического обеспечения конструктивно-теплового синтеза РЭС, [3, 8]- математические модели тепловых процессов блоков различной формы, [3, 14]- методика выбора типа системы охлаждения на базе графовой модели, [3]- модели ряда типовых теплоотводящих устройств и алгоритмы их параметрического синтеза, [2, 12]- вопросы интеграции средств моделирования характеристик РЭС в сквозном процессе «проектирование- производство».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 44 рисунка, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткая характеристика работы.

Первая глава посвящена рассмотрению и анализу особенностей организации процесса теплового проектирования современных РЭС связи, применяемых методов и средств, математического и программного обеспечения. Показано, что в процессе теплового проектирования задачи структурного синтеза заключаются в выборе типа и схемы построения системы охлаждения, параметрического - в определении параметров СО и входящих в нее теплоотводящих устройств: радиаторов, теплообменников, тепловых труб, тепловых шин и т. д. Составной частью этих задач является оптимизация структуры и параметров СО, а также конструктивных параметров РЭС по тепловым критериям.

Определено, что рациональное построение процесса теплового проектирования требует взаимосвязанного проведения процедур синтеза и анализа, что не всегда реализуется на практике. Проведенный анализ показывает, что типовая структура такого процесса не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексное исследование, обеспечение и оптимизацию тепловых характеристик и конструктивных параметров создаваемых РЭС.

Для повышения эффективности предложено при разработке конструкций РЭС использовать методы и процедуры конструктивно-теплового синтеза, предназначенные для решения задач обеспечения и оптимизации тепловых режимов, т.е. получения вариантов конструкций, наиболее рациональных или наилучших по тепловым критериям, путем выбора и изменения конструктивных и теплофизиче-ских параметров конструкций (габаритов, компоновки, применяемых материалов, типа корпусов, способа монтажа компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии и т. д.), обеспечивающих заданные или оптимальные тепловые характеристики отдельных узлов, устройств и комплексов РЭС в целом.

Сформулирован перечень основных задач, решаемых с помощью методов и процедур конструктивно-теплового синтеза: определение требуемых параметров и характеристик системы охлаждения и теплоотвода РЭС, обеспечивающих заданный (нормальный) тепловой режим; выбор рационального типа, структуры и схемы построения системы охлаждения и обеспечения заданного теплового режима РЭС; параметрический синтез и оптимизация характеристик системы теплоотвода РЭС; выбор типов и состава комплекса и параметрический синтез теплоотводя-щих устройств, обеспечивающий заданные характеристики системы охлаждения; оптимальное решение задач компоновки и размещения на различных уровнях конструктивной иерархии РЭС с применением тепловых критериев; моделирование и оценка теплового режима различных типов конструкций РЭС и определение по результатам анализа требований к параметрам и характеристикам теплообмена системы охлаждения в целом и локальным теплоотводящим устройствам.

Решение таких задач приводит к формированию в рамках общего процесса теплового проектирования РЭС следующей структуры процесса конструктивно -теплового синтеза, показанной на рис. 1, который охватывает все необходимые этапы разработки и иерархические уровни конструкции и позволяет интегрировать тепловое проектирование в общую структуру «проектирование- производство» в соответствии с современными технологиями организации проектных работ.

На основе проведенного анализа существующих методов и средств теплового проектирования, а также требований, предъявляемых к ним в рамках выбранного подхода, с учетом особенностей конструкций современных РЭС выявлены и обоснованы основные направления повышения их эффективности, определены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены формирование структуры и состав проектных процедур и математического обеспечения процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС. Предложенный состав и схема взаимодействия необходимых проектных процедур представлены на рис. 2.

Для реализации данных проектных процедур предложен соответствующий состав математического обеспечения, охватывающий математические модели (ММ) процессов теплопередачи в конструкциях РЭС, процессов теплообмена, температурных полей и теплоотводящих устройств (рис. 3).

Сформирован комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций различных РЭС, который охватывает все рассматриваемые иерархические уровни и позволяет получать ММ тепловых процессов в них в аналитической форме. Для представления структуры путей теплопередачи и соответствующих тепловых потоков в конструкциях РЭС предложено использовать модель СО в виде графа б (Х,1)), в котором вершинам х, соответствуют элементы конструктивной иерархии, представляющие собой условно изотермические по конструктивной иерархии поверхности. а ребрам и,,- пути отвода тепла. Каждая вершина такого графа характеризуется значением эффективной теплоемкости с^ позволяющей оценить количество аккумулируемой тепловой энергии в данном конструктиве, что необходимо при анализе импульсного или кратковременного режима работы РЭС, а также внутренним теп- ловым сопротивлением Я,. Основными параметрами ребра являются тепловое сопротивление , максимальный тепловой поток Ри , который может пере-

даваться по рассматриваемому пути в заданных условиях (разность температур источника и стока, вид теплопередачи, способы интенсификации теплообмена и т. д.). Обобщенной характеристикой ребра является такой интегральный параметр, как эквивалентный (эффективный) коэффициент теплоотдачи аэ, учитывающий как вид реализуемого способа теплопередачи, так и наличие теплоотводящих устройств и средств интенсификации теплоотдачи:

Тепловые модели конструкций

ММ процессов теплопередачи и коэффициентов теплообмена

ММ тепловых процессов температурных полей в конструкциях РЭС

ММ теплоотводящих и теплорассеи-вающих элементов и устройств теп-лоотвода

Выбор тепловых критериев

Требования «о тепловому режиму РЭС

Рис. 1. Структура процесса конструктивно-теплового синтеза

где Э,, - разность температур соединяемых ребром вершин; 8 - площадь поверхности теплопередачи, соответствующей данному ребру.

Коэффициенты аэ могут быть заранее определены для различных видов теплопередачи и способов охлаждения, типовых устройств теплоотвода, конструктивных элементов и т. д., что позволяет уже на ранних этапах конструкторского

Рис. 2. Проектные процедуры конструктивно-теплового синтеза

проектирования проводить анализ тепловых процессов и выбор рациональной структуры и состава системы обеспечения тепловых режимов РЭС. При этом для решения соответствующих задач моделирования, анализа и выбора предоставляется возможность использовать имеющиеся математические методы теории графов, в частности, отдельные задачи проектирования системы охлаждения могут быть сведены к известным задачам о максимальном потоке.

В качестве типового набора вершин возможен следующий (рис. 4): источник тепловыделения (кристалл ИС или дискретного полупроводникового прибора) - хь

корпус компонента - х2, узел (плата) - Хз, корпус блока - Х5, корпус стойки - Хт, воздух внутри блока - х4 и стойки - х6, окружающая среда (сток тепла) - х8.

Предлагаемый подход позволяет унифицированными средствами сформировать модели тепловых процессов в конструкциях РЭС и их СО. в том числе и на ранних этапах при ограниченном наборе исходных данных, провести оценку их потенциальной эффективности и провести решение ряда задач по проектированию систем обеспечения теплового режима.

Рис. 3. Структура и состав математического обеспечения процедур конструктивно-теплового синтеза РЭС 8

На основе аналитических решений краевых задач для представленных тепловых моделей сформирован комплекс ММ, описывающих тепловые процессы и температурные поля в типовых конструкциях, а также их конструктивных составляющих, которые обеспечивают определение требуемых значений а, для конструкций разного уровня иерархии и на различных этапах их проектирования.

Х7

окружающая среда (сток тепла)

0(67

Рис. 4. Модель системы теплоотвода в моноблочной конструкции РЭС

Так для блока РЭС, представляемого с помощью тепловой модели в виде параллелепипеда с внутренним объемным источииком тепла, получена ММ теплового процесса в форме зависимости для аэ

1

а, = Р/

Р1Л 64

(-1)"

II

сМкЬг

где

л п-1п1-1 (2п - 0(2т - Пк

площадь поверхности

л 2й

объем

(2)

блока;

Э0- значение перегрева, которое требуется

обеспечить.

Полученное значение а, служит для синтеза СО или теплоотводящих устройств.

Аналогичные модели получены для блоков цилиндрической формы, узлов на печатных платах и типовых конструкций элементной базы.

Третья глава посвящена методам решения задач синтеза СО и комплекса теплоотводящих устройств и оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС. Рассмотрены процедуры выбора типа и структуры СО при проектировании конструкций РЭС устройств по условию аэ^ а, где а - величина, обеспечиваемая данной СО или устройством теплоотвода. Таким образом, получаем задачу анализа и принятия мер для получения требуемых значений а„ ее решение заключается в выборе базового вида теплопередачи, структуры СО и параметрическом синтезе теплоотводящих устройств, обеспечивающих необходимое значение а,. По полученной величине а, выбирается требуемый вид охлаждения (естественное, принудительное, воздушное, жидкостное,

кондуктивное) и оценивается необходимость применения теплоотводящих устройств (радиаторы, тепловые шины, тепловые трубы и т.д.) для интенсификации те-плообменных процессов, обеспечивающих заданный тепловой режим. Синтез конструкций устройств теплоотвода заключается в определении подходящего типа, габаритов и геометрических размеров теплорассеивающих элементов, обеспечивающих требуемое значение аэ.

Для реализации данного подхода разработаны математические модели и методики параметрического синтеза применяемых в РЭС основных типов теплоотводящих устройств (пластинчатые, оребренные и штыревые радиаторы, тепловые шины, тепловые трубы), основанные на унифицированных тепловых и математических моделях типовых теплопередающих и теплорассеивающих элементов и позволяющие определять значения эквивалентного коэффициента теплоотдачи конкретного а,. 'Гак, для оребренного и штыревого радиатора

а, = ЫЯттЗС1„1И(тИ), (3)

где N - число теплорассеивающих элементов (ребер, штырей); гп = [астП/^ЯсО]"2; аст - коэффициент теплоотдачи с поверхности элемента; П - его периметр; - коэффициент теплопроводности материала теплоотвода; Ь - высота элемента; Бст -площадь его сечения.

На основе базовых выражений (3) и аналогичных для пластинчатых теплоот-водов и тепловых труб построена методика их параметрического синтеза.

На основе предложенного подхода и комплекса моделей разработаны алгоритмы обеспечения заданных тепловых характеристик, включающие выбор типа системы охлаждения основных способов теплопередачи (рис. 5) и проектирование теплоотводящих устройств (рис.6).

Разработаны методика и алгоритм оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, использующие графовую модель системы теплоотвода и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задачи о максимальном потоке и задачи о назначениях.

Здесь задачи определения наибольшей величины теплового потока, передаваемого в окружающую среду с помощью данной СО от конкретной конструкции (что соответствует максимальной тепловой мощности устройств, реализуемых в таком конструктиве), а также выявления наиболее рациональных путей теплопередачи может быть сформулирована как задача о максимальном потоке в графе СО.

Источником является нагретая зона, стоком -окружающая среда, в качестве ограничений выступает то, что оц и Р,, (1) ограничены по величине вследствие конечной разности (Т,-Т^), обусловленной требованиями ТЗ, а также массовыми и габаритными ограничениями, применяемыми материалами (для кондукции). Постановка задачи имеет вид

Р->шах, (4)

1Р„-ЕР|к= «У*^*!, (5)

' к Ь^

(КРи< Р,™*, (6)

Рис. 5. Алгоритм синтеза системы охлаждения РЭС

Решение позволяет оптимизировать конструкцию, структуру и параметры СО в целях повышения эффективности теплоотвода, принять меры по интенсификации теплопередачи по определенным путям. Алгоритм оптимизации СО конструкций РЭС приведен на рис. 7.

Рассмотрена задача оптимизации тепловых характеристик РЭС путем оптимальной компоновки узлов (модулей) при проектировании блоков РЭС кассетной конструкции, заключающаяся в получении такого расположения N мо-

II

дулей, которое обеспечивает их наименьшую среднюю температуру (температуру нагретой зоны) или минимальный температурный перепад в зоне тепловыделения. Такую задачу можно математически формализовать в виде задачи о назначениях, где в качестве показателя эффективности (стоимости) назначения ¡-го модуля в^ю область блока принимаем суммарный перегрев, вызванный выделяемой в нем мощностью

Рис. 6. Алгоритм параметрического синтеза теплоотводяших устройств

Сч = 19,к'. (7)

к-1

' Для критерия минимальной суммарной температуры нагретой зоны задача

- ставится в следующем виде:

F| =C,JX1J=S |;c4Xu-»min. (8)

ограничения

N

XX,, =1, для всех i; N

= для ncex j;

j-i

Рис. 7. Алгоритм оптимизации СО и конструкций РЭС

I, если I - й модуль размешается в j - й области блока;

' 10, если нет.

Решение осуществляется с помощью известных методов (венгерский алгоритм и т.д.). В упрощенном случае может быть применен метод обратного размещения.

Четвертая глава посвящена разработке на базе предложенных подходов, моделей и алгоритмов программного обеспечения автоматизированного комплекса конструктивно-теплового синтеза, входящего в состав интегрированной САПР РЭС. Программный комплекс имеет модульную структуру, каждый модуль обеспечивает выполнение одной из рассмотренных процедур.

Структура программных средств и их функционирование в составе САПР РЭС представлены на рис. 8: Pspice -анализ схем и определение мощности тепловыделения; P-CAD- разработка узлов на печатных платах; Pro Engeneer (другие 3D системы)- разработка механических конструкций, анализ их характеристик и прочности, анализ температурных полей несущих конструкций; STEP, IGES- унифицированные форматы передачи 3D данных; АСОНИКА - моделирование показателей надежности, механических и тепловых характеристик методом тепловых схем.

Рис. 8. Структура программного обеспечения

' Разработанные программные средства применялись при выполнении ряда I ОКР по разработке комплексов связи в ОАО «Концерн "Созвездие"» в процессе ; теплового проектирования различных устройств, в том числе ШС-10, ШС-50, ЦН-1 - ЦН-10. Применение показало их эффективность при решении задач обеспечения тепловых режимов и заданных тепловых характеристик РЭС различных конструктивных типов, их узлов и компонентов, что позволило повысить надежность создаваемых устройств и снизить затраты на проектные работы.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ особенностей организации процесса теплового проектирования современных РЭС связи, применяемого математического и программного обеспечения и определены основные направления повышения их эффективности на основе методов конструктивно-теплового синтеза.

2. Сформированы комплекс и схема взаимодействия проектных процедур конструктивно-теплового синтеза РЭС, а также разработаны структура и состав математического обеспечения, охватывающего модели процессов теплопередачи и температурных полей основных типов конструкций РЭС, используемых в данной области, тсплоотводящих устройств различного назначения и соответствующих алгоритмов, позволяющих решать все поставленные задачи анализа и синтеза при выполнении теплового проектирования.

3. Сформирован комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций различных РЭС, который охватывает все рассматриваемые иерархические уровни и позволяет получать модели тепловых процессов в них в аналитической форме, а также получен набор аналитических математических моделей процессов и температурных полей в конструктивных единицах РЭС различных уровней иерархии. обеспечивающих выполнение процедур оценки, анализа и обеспечения теплового режима на различных этапах проектирования.

4. Предложена математическая модель процессов теплопередачи и систем охлаждения РЭС в виде графа, отражающего пути и способы теплоотвода в конструкции, обеспечивающая решение задач анализа и оптимизации процессов теплоотдачи при проектировании систем обеспечения теплового режима.

5. Предложены методика и алгоритм синтеза СО, обеспечивающие выбор способа теплопередачи и типа системы теплоотвода при проектировании конструкций РЭС, основанные на использовании эквивалентного коэффициента теплоотдачи а, как интегральной характеристики эффективности различных СО и видов теплоотводящих устройств.

6. Создан комплекс математических моделей широко применяемых устройств интенсификации теплоотвода различных видов, основанных на унифицированных тепловых и математических моделях типовых теплопередающих и теп-лорассеивающих элементов и обеспечивающих определение значений эквивалентных коэффициентов теплоотдачи, а также методика и алгоритм параметрического синтеза таких теплоотводящих устройств при решении задач обеспечения

теплового режима РЭС, их узлов и компонентов, основанные на применении данных математических моделей.

7. Разработаны методика и алгоритм оптимизации- структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, использующие графовую модель системы теплоотвода и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задачи о максимальном потоке.

8. На основе предложенных методов, моделей и алгоритмов разработано программное обеспечение автоматизированного комплекса, позволяющего решать задачи анализа, выбора структуры и параметрического синтеза при разработке систем и устройств охлаждения в процессе теплового проектирования. Результаты работы внедрены в проекгные работы на предприятии и в учебный процесс, их применение позволяет сократить затраты на проектирование, повысить качество проектных решений и надежность разрабатываемых РЭС.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Сизов С.Ю., Шуваев В.А., Макаров О.Ю. Организация процесса сквозного проектирования радиоэлектронных средств на базе интегрированных САПР и CALS -технологий // Вестник Воронежского гос\дарствснного технического университета. 2007. Т. 3. № 12. С. 17-19.

2. Шуваев В.А. Основные задачи и математическое обеспечение процесса конструктивно-теплового синтеза при проектировании радиоэлектронных средств // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 4. С. 12-15.

Книги

3. Шуваев В.А., Муратов A.B., Макаров О.Ю. Методы обеспечения тепловых режимов при проектировании радиоэлектронных средств: учеб. пособие. Воронеж: ВГТУ, 2008. 138 с.

Статьи и материалы конференций

4. Макаров О.Ю.. Шуваев В.А.. Чепелев М.Ю. Основные направления повышения эффективности современных средств теплового проектирования РЭС // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: мсжвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 280-283.

5. Макаров О.Ю., Шуваев В.А., Чепелев М.Ю. Метод выбора способа охлаждения при проектировании РЭС // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 284286.

6. Шуваев В.А. Повышение эффективности теплового проектирования РЭС на основе методов конструктивно-теплового синтеза // Системные проблемы надежности, качества, информационных и и электронных технологий: материалы, Между-нар. конф. и Рос. науч. школы. Секция 5. М.: Рацио и связь, 2006. С. 109-111.

) 7. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Шуваев В.А. Комплексная тепловая модель ; конструкций РЭС // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий: материалы. Междунар. конф. и Рос. науч. школы. Секция 5. М.: Радио и связь, 2006. С. 112-115.

8. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Шуваев В.А. Математическая модель температурного поля блока РЭС цилиндрической формы // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 17-19.

9. Шуваев В.А. Тепловое проектирование РЭС с использованием методов конструктивно-теплового синтеза // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 20-21.

10. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Шуваев В.А. Формирование комплексной тепловой модели конструкций РЭС// Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 22-24.

11. Шуваев В.А., Макаров О.Ю., Муратов A.B. Структура комплексной тепловой модели РЭС // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т; Политехнический ин-т, 2007. С. 578-479.

12. Сизов С.Ю., Шуваев В.А., Макаров О.Ю. Проектирование РЭС с использованием интегрированных САПР и CALS-технологий // Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2007): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. М.: Энергоатомиздат, 2007. Ч. 2. Т. 3. С. 79-81.

13. Шуваев В.А. Вопросы конструктивно-теплового синтеза при проектировании РЭС // Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в информационных проектах (Инноватика - 2007): материалы Междунар конф. и Рос. науч. школы. М.: Энергоатомиздат, 2007. 4.2. Т.З. С. 141-144.

14. Муратов A.B., Макаров О.Ю., Шуваев В.А. Математические модели процессов теплопередачи в РЭС на основе графов // Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в информационных проектах (Инноватика - 2007): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. М.: Энергоатомиздат, 2007. 4.2. Т.З.С. 337-340.

15. Шуваев В.А. Методы конструктивно-теплового синтеза при проектирова-ни РЭС // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. W-&6.

ПодписаисЛ'печ^К 30.12.2008.

Формат 60x84/16. Бумага для ртюжительпых аппаратов.

Усл. печ. л. I,I. Тираж90 экз. Заказ №_ 6-

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

2007279107

49

2007275107