автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Моделирование тепловых режимов радиоэлектронных средств с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха

РГ6 од 2 3 ИЮН 1997

На правах рукописи

ЗАСЫПКИН Сергей Валерьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С ОПТИМИЗАЦИЕЙ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА

Специальность: 05.12.13 - Системы и устройства

радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы".- Московского государственного института электроники и математики.

Научный руководитель - действительный член Академии

естественных наук РФ, доктор технических наук, профессор Ю.Н. Кофанов

Официальные оппоненты: доктор технических наук.,

Ведущее предприятие: УПКБ "Деталь"

Защита состоится 1997 г.в 16 часов на заседании

диссертационного совета К063.68.04 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028 Москва, Бол. Трехсвятительский пер., д.3/12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

Автореферат разослан "22."ЩА-Я 199? г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

Заслуж. машиностроитель РФ В.А. Алексеев; кандидат технических наук, доцент В.А. Антонов.

доцент

Н.Н.Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач, определяющих темпы научно-технического прогресса, является создание на основе новейших достижений высоконадежных радиоэлектронных средств (РЭС). На сегодня конструирование РЭС является комплексом взаимосвязанных задач, решение которых возможно лишь при использовании системного подхода с применением знаний тепломассообмена, аэродинамики и других теоретических и прикладных дисциплин.

Задача оптимизации (минимизации) расхода охлаждающего воздуха вытекает из необходимости снижения массы, габаритов и энергопотребления систем воздушного охлаждения (СВО), которые могут приближаться к массе, габаритам и энергопотреблению самой РЭС, а также ограниченности ресурсов воздуха -для охлаждения (особенно на бортовых РЭС, работающих на больших высотах).

В составе существующего математического обеспечения программных средств нет моделей, позволяющих проводить оптимизацию удельного расхода охлаждающего воздуха. Большинство программ не позволяют конструктору анализировать нетиповые (произвольные) конструкции.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача разработки метода моделирования теплового режима конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаадением и возможностью оптимизации удельного расхода охлавдающего воздуха, создания комплексной математической модели для анализа тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС и разработки на их основе программных и методических средств моделирования РЭС,

позволяющих оптимизировать удельный расход воздуха.

Цель работы. В работе поставлена цель разработать метод моделирования конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением, позволяющего провести оценку теплового режима с учетом аэродинамических свойств конструкции и минимизировать удельный расход воздуха на единицу рассеиваемой мощности.

Поставленная цель может быть достигнута при решении следующих задач:

1. Разработка метода расчета тепловых и аэродинамических характеристик конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением и оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха:

- исследование конструктивных особенностей РЭС с принудительным воздушным охлаждением, методов анализа тепловых и аэродинамических моделей конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением;

- формулировка задачи оптимизации,

- разработка комплексной математической модели конструк-• ций РЭС, позволяющей исследовать аэродинамические и тепловые

процессы с учетом их взаимосвязи (зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи от скорости движения воздуха и аэродинамических сопротивлений от температуры);

- разработка алгоритма оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха и выбор численного метода оптимизации.

- выбор методов анализа комплексной модели для стационарного процесса;

2. Разработка программного комплекса моделирования тепловых и аэродинамических процессов в РЭС и оптимизации удельного

расхода воздуха:

- разработка алгоритма функционирования программного комплекса (ПК);

- разработка программного обеспечения;

- тестирование ПК.

3. Разработка методики автоматизированного моделирования тепловых режимов РЭС с оптимизацией удельного расхода воздуха.

4. Экспериментальная проверка и внедрение результатов работы:

- проведение экспериментов для подтверждения адекватности комплексной тепло-аэродинамической модели РЭС;

- экспериментальное подтверждение методики;

- внедрение результатов диссертационной работы в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Метода исследования. 'В процессе решения поставленных задач были использованы принципы системного подхода, топологического моделирования, аппарата теории графов, теории параметрической чувствительности, теории тепло- и массообмена, аэродинамики, численные методы решения систем нелинейных и линейных уравнений, методы оптимизации.

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

1. Разработан метод моделирования тепловых процессов в конструкциях РЭС с принудительным воздушным охлаждением. В отличие от известных метод позволяет исследовать тепловой и аэродинамический режимы конструкции и проводить минимизацию

удельного расхода охлаждающего воздуха. Метод позволяет в отличие от известных методов (0СТ4 Г0012.017, разработанных Дульневым Г.Н., и др.) получить функции параметрической чувствительности температур ЭРЭ и элементов конструкции, тепловых потоков между частями конструкции, расходов воздуха в каналах, образуемых частями конструкции, к геометрическим и теплофизическим параметрам материалов конструкции для решения задачи минимизации удельного расхода воздуха. Метод также снимает ограничения на разновидности конструкций по сравнению с известными за счет создания библиотеки ветвей, отражающих различные процессы тепломассообмена и аэродинамические сопротивления .

2. Разработана комплексная теплоаэродинамическая модель, основанная на принципах построения топологических моделей и включающая в себя обширную библиотеку из 53 ветвей для моделирования различных видов и разновидностей теплообмена кондукци-ей, излучением и конвекцией, а также 28 ветвей для моделирования различных аэродинамических сопротивлений. Модель позволяет анализировать тепловые и аэродинамические процессы в различных конструкциях РЭС, т.к. она не содержит эмпирических тепловых коэффициентов для конкретных типов конструкций, а дает возможность создавать теплоаэродинамические модели произвольных конструкций. В отличие от известных моделей, разработанная модель является комплексной: конвективные коэффициенты теплоотдачи зависят от расходов воздуха в каналах РЭС, а аэродинамические сопротивления зависят от температур воздуха и омываемых частей конструкции.

3. Разработана методика моделирования конструкций РЭС с

принудительным воздушным охлаждением, основанная на разработанном методе и комплексной модели. Методика отличается от существующих ( описанных в работах Дульнева Г.Н., Коваля В.А. и др.) возможностью на различных этапах проектирования (эскизном, техническом) учитывать связь теплового и аэродинамического режимов и проводить оптимизацию конструкции с целью нахождения оптимального расхода охлаждающего воздуха.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в ней метод, математическая модель и программное обеспечение по анализу тепловых и аэродинамических характеристик конструкций РЭС, методика моделирования позволяют уменьшить сроки отыскания проектных решений и объем испытаний макетных и опытных образцов за счет частичной замены макетирования и испытаний математическим моделированием тепловых и аэродинамических процессов в РЭС и оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные модель, алгоритмы, программное обеспечение и методика моделирования использовались при выполнениии хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики ( научно-исследовательские темы Н13, Н17 ).

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования УПКБ "Деталь", а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и Уральского государственного технического университета.

- ь -

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на двух российских, трех всесоюзных и одной мевдународной конференции, а также на научно-технических семинарах кафедры "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского .государственного института электроники и математики.

Публикации. По основным результатам проведенных исследований и разработок опубликовано II печатных работ, в том. числе, 4 статьи.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения и документацию по использованию разработанного программного комплекса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертационной работы, дается краткое содержание работы по главам.

В главе I выполнены исследования и анализ конструктивных особенностей РЭС с принудительным воздушным охлаждением. Отмечено, что спектр конструкций РЭС в которых для обеспечения нормального теплового режима применяется принудительное воздушное охлаждение широк и охватывает почти все конструкции от шкафов и стоек до интегральных схем. Исследование взаимовлияния аэродинамических и тепловых процессов в РЭС показало, что аэродинамический процесс оказывает более существенное влияние на тепловой и что в некоторых случаях влиянием теплового

процесса на аэродинамический можно пренебречь.

Анализ современных методов и средств математического моделирования и автоматизированного проектирования конструкций РЭС с принудительным воздушным охлаждением показал, что существующие математические модели и программные средства (программы ПРАГИ, ШНТ, TEFM, HEATCAD, SAUNA, Visula termal, ТРАП и др.) разработаны, в основном, для раздельного анализа тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС, что не позволяет адекватно анализировать тепловой режим РЭС с принудительным воздушным охлаждением. Невозможность проведения оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха не удовлетворяет современным тенденциям снижения массы, габаритов и энергопотребления РЭС.

Проанализирована задача выбора оптимального распределения потоков теплоносителя в конструкциях РЭС и решения, предлагаемые" Дульневым Г.Н., Симоненко Л.М., Рейзиным И.И. Отмечено, что наиболее актуальным критерием является критерий минимального расхода теплоносителя. Критерий оптимизации в

I !

диссертации - удельный расход охлаждающего воздуха на единицу рассеиваемой мощности, так как он, в отличие от критерия расхода воздуха, позволяет учесть мощность тепловыделений самой системы охлаждения.

В этой же главе сформулирована цель диссертационной работы и задачи, необходимые для ее достижения.

Во второй главе разработан метод математического моделирования тепловых и аэродинамических процессов в РЭС, который представлен на рис.1, в виде условной схемы, отражающей взаимосвязь аэродинамического и теплового процессов,

протекающих в конструкции РЭС. На схеме представлены в аналитическом виде:

- аэродинамическая подмодель:

Ра'(ра, А *а, = О, где Ра - нелинейная вектор-функция квадратов расхода воздуха, <рк - вектор напоров,

уа - вектор заданных квадратов расхода воздуха, ха - вектор заданных напоров,

qa- вектор внутренних параметров аэродинамической подмодели,

- тепловая подмодель: 3?Т(*>Т, Л *т, ЧТ) = О, где Гт - нелинейная вектор-функция тепловых потоков, *>т - вектор температур,

- вектор заданных тепловых потоков, хт - вектор заданных температур, q,г - вектор внутренних параметров тепловой подмодели, Взаимодействие подмоделей следующее. Вектор расходов ■ воздуха <ЭВ, полученный как выходная характеристика аэродинамической подмодели, является возмущающим фактором для тепловой подмодели. Расход воздуха используется для расчета конвективного коэффициента теплоотдачи. Входными воздействиями для комплексной модели являются напоры, создаваемые вентиляторами Др(0), вектор мощностей тепловыделений в ЭРЭ и вентиляторах Р. Внешними возмущающими факторами являются температура и давление окружающей среды ТСр и РСр. Выходные характеристики подразделяются на аэродинамические ( расходы воздушных потоков СЗБ и функции параметрической чувствительности

Q.

Входные воздействия

^P(Q); Р

Выходные характеристики

аэродинамические Г; *Z> - г? ¿pi V

тепловые Т) sv

КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ

аэродинамическая подмодель

рл(к к х:

Тс

ч5.

Внешние возмущающие факторы

Т

0В

Tcj>> Pep

тепловая подмодель

ЪЛ

КОНСТРУКЦИЯ

Геометрические параметры

Предельно допустимые температуры ЭРЭ и материалов конструкции

Рис. 1. Информационная схема метода математического моделирования тепловых и аэродинамических процессов в РЭС с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха.

расходов к геометрическим и теплофизическим параметрам

Ра

конструкции и воздуха ); тепловые ( температуры Т ,

тепловые потоки 0Т и функции параметрической чувствительности

температур ЭРЭ и элементов конструкции к геометрическим и

<р

теплофизическим параметрам материалов конструкции и ЭРЭ Бп ).

Ча

Выходные характеристики служат для принятия решений об изменении конструкции и удовлетворении ее требованиям технического задания (ТЗ). Функции параметрической чувствительности используются в процессе оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха. Для расчета параметров комплексной топологической модели ( q'г) используются

геометрические параметры конструкции РЭС, теплофизические параметры материалов конструкции РЭС, ЭРЭ и • охлаждающего воздуха.

Учитывая широкий спектр конструкций РЭС, выявленный в 1 главе, разработана комплексная топологическая модель, позволяющая исследовать аэродинамические и тепловые процессы в произвольных конструкциях РЭС. Для того, чтобы можно было моделировать как - можно большее количество разнообразных конструкций РЭС, создана библиотека ветвей, отражающих аэродинамические и тепловые процессы в РЭС с учетом их связи для отдельных частей конструкции ( пластины, стержни, параллелепипеды, плоские каналы и т.д. ).

Структура комплексной тепло-аэродинамической модели представлена на рис.2. Справа выделены типы ветвей тепловой подмодели, слева - аэродинамической. В этих подмоделях также есть ряд ветвей, параметры которых зависят от переменных

другого процесса.

Рис.2. Структура комплексной тепло-аэродинамической модели

При разработке комплексной модели была получена комплексная топологическая модель канала. На рис. З.а. представлена физическая модель канала, на рис.3.б. топологическая модель канала, а ниже приведена соответствующая аналитическая модель канала:

а =

^вых- ^вхД

И,

ст!'

1"ст2)'

Рис. 3. Модель канала:

а)физическая,

б)топологическая.

..к4= ^вх' ^вых- V =

V дрвых- V =

где О - расход воздуха в канале, м /с,

1;вх - температура воздуха на входе в канал, °С,

гвых ~ температура воздуха на выходе из канал, °С,

ДРВХ - напор на входе в канал, Па,

АРВЫХ - напор на выходе из канала, Па,

*ст1' *ст2 ~ температуры стенок канала, °С,

И,. - аэродинамическое сопротивление канала, б

йл - тепловое сопротивление излучения, - тепловое сопротивление массопереноса, к4 ~ конвективные тепловые сопротивления. Задача оптимизации удельного расхода охлакдащего воздуха решена следующим образом. Для того, чтобы учесть влияние тепловыделений в самих вентиляторах на тепловой режим конструкций РЭС целевая функция для задачи оптимизации была получена в следующий виде:

п

1=1 В1

о - , (I)

УА к п

' где Ыв1 = 1(0) - потребляемая мощность 1-го вентилятора, т?в1 = Г(<3) - к.п.д. 1-го вентилятора (Зуд - удельный расход воздуха на единицу рассеиваемой

мощности,

Qg^ - расход воздуха 1-го вентилятора, охлаждающего РЭС, п - количество вентиляторов,

Pg.j- мощности тепловыделений элементов РЭС, к -количество источников тепловыделений элементов РЭС.

Если РЭС охлаждается с помощью централизованной системы охлаждения, т.е. когда вентиляторов непосредственно в блоке ■нет, а имеется одна охлаждающая установка и от нее охлаждащий воздух распределяется по блокам РЭС, то влияние тепловыделения самих вентиляторов непосредственно на блок может быть незначительным и не учитываться.

Исследования варьируемых параметров конструкции при оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха показали, что наиболее эффективно оптимизацию можно провести с помощью изменения:

- температуры охлаждающего воздуха;

- расхода воздуха и напора вентиляторов ;

- геометрии каналов СВО и самой РЭС;-

Оптимизация конструкции самих вентиляторов в данной работе не рассматривается.

Ограничениями на выходные характеристики в рассматриваеимой задаче являются максимально допустимые температуры ЭРЭ и элементов конструкции. Они определяются техническими условиями на ЭРЭ и материалы, используемые в конструкции. Также ограничения могут накладываться техническим заданием ( может быть задан запас по температуре с учетом требований надежности ).

Ограничения на изменение геометрических параметров каналов накладываются габаритными размерами блока, допустимыми за-

( НАЧАЛО )

Г

Г1руктурпая оптимизация

— —

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОЗДУХА Б КАЖДОМ КАНАЛЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ М01ЩК Н'ГЕЙ, РАССЕИВАЕМЫХ В КАНАЛАХ Р>а.

ВЫЧИСЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ВОЗДУХА КАНАЛАХ а1? ' а.

ЗАКРЫТЬ КАНАЛ СНАИВПЛЫШШО»?

ПРОАНАЛИЗИРОВАТЬ МОДЕЛЬ С ЗАКРЫТЫМ КАНАЛОМ

^^ЯРАНИЧЕНИЭ^-^ НА ВЫХОДНЫЕ > НЕТ

^ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯАРУШЕНЪ!

ДА

ОТКРЫТЬ КАНАЛ,

КОТОРЫЙ БЫЛ

ЗАКРЫТ

—

о

Параметрическая оптимизация

СВЕДЕНИ УСЛОВНОЙ О К БЕЗУС 1Е ЗАДАЧИ ПТИМИЗАЦИИ ЛОВНОЙ

-

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИИ ГРАДИЕНТА

Г

ИЗМЕНЕНИЕ

ВАРЬИРУЕМЫХ

ПАРАМЕТРОВ

РАСЧЕТ С МОДЕЛЬЮ РЕАЛЬНОГО ВЕНТИЛЯТОРА

ей, =вУЙ

Выбор вентилятора

и

Да

Qlш

( КОНЕЦ )

Рис. 4. Алгоритм оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха

£

<27у

4

£

Л

^ — л

вих

¿■сто

6

О = —

У*

Рис. 5. Определение удельного расхода воздуха в канале

зорами между элементами конструкции и другими конструктивными ограничениями.

В этой же главе разработан алгоритм оптимизации удельного расхода охлаздащего воздуха (рис. 4). Он состоит из следующих основных шагов:

1. Структурная оптимизация системы каналов РЭС и СВО.

2. Параметрическая оптимизация путем изменения геометрии системы каналов РЭС и СВО, температуры охлаждающего воздуха.

3. Выбор оптимального вентилятора(ов) для СВО методом перебора.

Структурная оптимизация системы каналов РЭС и СВО происходит следующим образом:

1. Определяется расход воздуха в кавдом канале - Qj^, 1 -номер канала.

2. Определяется мощность, которая отводится в каждом канале благодаря применению принудительного охлаждения (т.е. определяется суммарный тепловой поток конвективных ветвей,(рис.5)

"pki)-

уд

3. Вычисляется удельный расход воздуха в канале: Q^ =

Чем 00льше Ои. и меньше ?ki' тем нбэФФбктивнее используется воздух для охлаждения.

4. Перекрываются каналы (из модели исключаются ветви, моделирующие эти каналы), имеющие наибольший удельный расход ох-лавдающего воздуха (т.е. те каналы, в которых воздух используется наименее эффективно) до тех пор, пока выполняются ограничения по температуре на ЭРЭ и элементы конструкции РЭС. При перекрытии каналов сначала может быть уменьшение температур элементов, а затем их увеличение.

Если <Зуд< 0 (рис.5), то воздух нагревает элементы, а не охлаждает - канал необходимо перекрыть; если Р1...Р^ имеют разное направление, т.е. одна стенка охлаждается, а другая нагревается, то результат перекрытия этого канала будет ясен после анализа модели. Число каналов в общем случае меньше числа аэродинамических сопротивлений в модели (т.к. местные аэродинамические сопротивления при переходе из канала в канал, слияния потоков при выходе из нескольких каналов и т.п. к рассматриваемым каналам не относятся).

Для решения задачи параметрической оптимизации используется метод внешней штрафной функции для сведения полученной задачи условной оптимизации к задаче безусловной оптимизации. Для решения задали безусловной оптимизации в диссертации используется градиентный метод с постоянным а.

Для проведения параметрической оптимизации был получен градиент целевой функции (по варьируемым параметрам с^):

"УД

п 2 0В 1=1 В1

к п

2 Р- + 2 Ш„ (1-т, )] 3=1 э3 1=1 В1 В1

к п

2 Р„ + 2 (1 -г, ) ] 3=1 э3 1=1 В1 1

П . П П г I • ..

2 О, - 2 О, * 2 {1 -Г7 ыи1-г>в )] 1=1 1=1 1=1 В1 В1 В1 В1 J

г к п ^

2 Р„ + 2 Шв (1-г>в)] . 3=1 э3 1=1 В1 В1 J

т.к. Яп = ДО, ) и Чд = Г(0„ ), то получим: 1 В1 В1

, к п . п. ,

[ 2 Р„ + 2 [Л,, (1-чп) Л 2 Од |>1 э.) 1=1 В1 В1 J 1=1^1

°УД= Г^ п 12

2 Рэ + 2 (1-чв)Л

1 3=1 3 1=1 В1 В1 J

п п Л. . % . ,

2 ав1* 2 [-± (1-4 5*03 - ив -± Оз 1

1=1 В1 1=1 В1 п в1<% I-1

Г к п 12

I 3=1 Э1 1=1 В1 В1 J

Т.К. Ои =

Р - Р

/дР1* ^ '

«1

то

_1

2( V АР1+ 1]-

, аР. удобно получить с помощью метода сопряженной модели (один .. из • методов получения функций параметрической чувствительности):

лр1 = = V ЛР1"ЛР1'где ■

ДР1 - напор, полученный при анализе исходной модели, ДР° - напор, полученный при анализе сопряженной модели.

У - производные проводимости ветви по параметрам.

Аналитические выражения для них вычисляются один раз и записываются в библиотеку производных. При анализе конкретной модели вычисляются конкретные значения этих производных. Окончательное выражение для вычисления <3В следующее:

V i * К*\) Ч VЛPl*ЛPi+APlKi =

* ДРГ + 1 Г* * Т

«1

2 * К *

<Ш.

В1

Производные —а

1' чу

можно рассчитать по заданным

аэродинамическим характеристикам численными методами.

В случае, когда влиянием тепловыделений в вентиляторах на анализируемую РЭС можно пренебречь, определение градиента целевой функции существенно упрощается:

УД

п

г 0 1=1

"Г

* рэ 3=1 э3

I

31

п ,

г О

1=1_

~К-

рэ 3=1 э3

Выбор вентиляторов следующий: из базы данных или из заданных конструктором выбираются те вентиляторы, которые имеют близкий номинальный расход, причем номинальный расход должен превышать расчетный расход, подученный после структурной и параметрической оптимизации. Проводятся расчеты для каждого вентилятора и вычисляется критерий оптимизации. Выбирается вентилятор, для которого критерий был минимальным.

и

В главе 3 с учетом системного подхода сформулированы основные требования к программному комплексу анализа тепловых и аэродинамических процессов в РЭС с оптимизацией удельного расхода.охлаждающего воздуха. На основе созданных во 2-й главе метода и комплексной математической модели разработаны алгоритмы анализа тепловых и аэродинамических характеристик РЭС, минимизации удельного расхода воздуха, алгоритмы работы модулей графического ввода-вывода, модуля решения систем нелинейных уравнений, что позволяет организовать процесс исследования аэродинамических и тепловых процессов в РЭС с учетом их связи.

Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов анализа тепловых и аэродинамических характеристик РЭС и оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха в соответствии с принципами структурного программирования и использованием системы подсказок при вводе исходных данных, выводе полученных результатов и по вопросам конструирования. Программный комплекс написан на языках высокого уровня - Фортран и С для ПК типа IBM PC/AT для операционной системы MS-DOS 4.0 и выше. Программный комплекс требует 540 КБайт оперативной памяти и 2 Мбайт дисковой. Приэтом количество узлов топологической модели - 500, а ветвей - 3000.

Разработаны средства связи программного комплекса с другими программными комплексами системы АСОНИКА. Для практического использования программного комплекса при моделировании РЭС разработан комплект документации в соответствии с требованиями ЕСПД.

"В главе 4 разработана инженерная методика автома-

■газированного моделирования тепловых режимов РЭС с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха. Методика реализована в рамках системы АСОНИКА для проектировании РЭС. Методика позволяет на различных этапах проектирования учитывать связь теплового и аэродинамического процессов и проводить оптимизацию удельного расхода охлаждающего воздуха.

В этой же главе приведены примеры построения комплексных тепло-аэродинамических моделей блоков РЭС, разрабатываемых промышленностью. Показаны . выделенные в конструкциях электрорадиоэлементы, температура которых определяется, учитываемые виды теплообмена между конструкцией и окружающей средой и элементами конструкции, местные аэродинамические сопротивления и сопротивления трения.

Также в этой главе приведены результаты экспериментальных исследований по оценке точности разработанной модели, алгоритмов и программного обеспечения. Разработанные в диссертации метод, модель и программно-методическое обеспечение использовались при расчетах блока радиовысотомера и блока РЭС на цифровых микросхемах. Сравнение расчетных и экспериментальных значений температур на электрорадиоэлементах, входящих в состав блоков показало достаточную для инженерных расчетов точность - 20%. На примере блока на цифровых микросхемах была показана возможность снижения расхода охлаждающего воздуха с 4,38 до 3,2 м3/ч при использовании оптимизации удельного расхода охладждающего воздуха.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в процесс проектирования в промышленности и в учебный процесс высших учебных заведений.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении к диссертации приведены описания применения разработанного программного комплекса с примерами построения и анализа тепловых, аэродинамических и теплоаэродинамических моделей и акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные результаты.

1. Исследованы конструкции РЭС, в которых применяется принудительное воздушное охлаждение. Спектр таких конструкций охватывает все виды конструкций. Поэтому целесообразна разработка универсального метода, модели и программных средств, позволяющих анализировать любые типы конструкций.

2. Определено, что задача оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха поставлена и требует своего решения.

3. Проведен анализ существующих моделей и программных средств для моделирования тепловых и аэродинамических процессов в РЭС. Отмечено отсутствие универсальных программ для моделирования теплового режима РЭС с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха.

4. В соответствии с принципами системного подхода разработан метод анализа тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха на основе комплексного моделирования тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС с учетом ограничений на температуры ЭРЭ и элементов конструкции.

5. В рамках предложенного метода разработана комплексная тепло-аэродинамическая модель. В отличие от известных:

- реализует взаимосвязь тепловых и аэродинамических процессов в конструкции РЭС;

- позволяет строить тепловые, аэродинамические и тепло-аэродинамические модели типовых и нетиповых конструкций;

- позволяет получать функции параметрической чувствительности для оптимизации удельного расхода охлаждающего воздуха.

6. Разработаны алгоритмы анализа тепловых и аэродинамических режимов и оптимизации удельного расхода охлаздающего воздуха.

7. Определены требования к программному комплексу анализа тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС.с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха. Разработаны алгоритмы работы модулей графического ввода, вывода, системы файлов для связи разработанного программного комплекса с другими программами.

8. Создан программный комплекс в соответствии с принципами структурного программирования и с использованием средств повышения эффективности работы программного комплекса (графический интерфейс пользователя и современные алгоритмы решения систем линейных алгебраических уравнений).

9. Разработана методика автоматизированного моделирования тепловых и аэродинамических процессов в конструкциях РЭС с оптимизацией удельного расхода охлаждающего воздуха.

10. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования по проверке адекватности комплексной тепло-аэродинамической модели, метода моделирования и разработанного программного комп-

лекса.

11. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования РЭС на предприятиях и в учебный процесс вузов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Засыпкин C.B. Анализ нестационарных тепловых режимов РЭС// Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр./Пенз. политехи, ин-т. - 1991. - Вып.З.

- с.27-29.

2. Засыпкин C.B., Орлов Г.А. Использование метода ФДН и LU-разложения для анализа тепловых режимов РЭС.// Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники: Тезисы докладов российск. науч.-техн. конф.-Махачкала, 1991. - с.28.

3. Кружков Е.В., Засыпкин C.B., Дмитриева Л.А. Методика анализа и обеспечения тепловых характеристик РЭС в стационарном и нестационарном режимах с применением подсистемы АСОНИ-КА-Т// Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники: Тезисы докладов российск. начн.-техн. конф.- Махачкала, 1991. - с.27.

4. Засыпкин C.B. Аэродинамическая модель для анализа теплового режима конструкций РЭС// Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств: Материалы международного научно-технического семинара.

- Шауляй, 1992. - с.36.

5. Кофанов Ю.Н , Засыпкин C.B. Анализ нестационарных

тепловых режимов РЭС //Теория и практика обеспечения надежности и качества радиоэлектронных средств: СО. науч. труд. - К.: УЖ ВО, 1992. - С.38-40.

6. Засыпкин C.B. Анализ нестационарных тепловых режимов ИВЭП// Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры: Тезисы докладов всесоюзной научн.-техн.конф.

- Запорожье, 1990,- с.124.

7. Засыпкин C.B. Анализ нестационарных тепловых режимов устройств электропитания РЭС.// Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем: Тезисы докл. всесоюзн.науч.-техн. конф. - М., 1989.-

с.129.

8. Анализ нестационарных тепловых процессов в тумблерах коромыслового типа// C.B. Засыпкин, А.Н. Лапшин, А.И. Манохин. //Тезисы на XLVI Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио - М., 1991.- с.73-74.

Э. Засыпкин C.B. Моделирование на ЭВМ нестационарных 1 тепловых и механических процессов в РЭС// Методы оценки и повышения надежности РЭС: Тезисы докладов российск. науч.-техн. конф. - Пенза, 1991. - с.94-95.

10. Засыпкин C.B. Проектирование ИВЭП с учетом нестационарных тепловых процессов// Методы оценки и повышения надежности РЭС:Тезисы докл. зональной конф. - Пенза, 1990 - с. 4.

11. Засыпкин C.B. Моделирование тепловых и механических процессов в РЭС// Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем: Тезисы докл. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 1992. - с.52-53.

Соискатель Ьл/.^^ Засыпкин C.B.