автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании бортовых электронных устройств

На правах рукописи

Воловиков Валерий Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кофанов Юрий Николаевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Сарафанов Альберт Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Солодовников Игорь Владимирович

доктор технических наук, профессор Алексеев Владимир Антонович

Ведущее предприятие: Государственный научно-исследовательский

институт приборостроения, г. Москва

Защита состоится « » 2004 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д212.133.03 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Бол. Трехсвятительский пер., 3/12, стр.8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ

Автореферат разослан а

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

рокофьев И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в процессе разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) широко применяются автоматизированные системы моделирования и проектирования. Рост сложности БЭУ приводит к появлению скрытых системных отказов, которые проявляются при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляются, если воздействие этих факторов разнесено во времени. Для предупреждения таких отказов следует применять средства математического моделирования физических процессов (электрического, теплового, аэродинамического и механического) в БЭУ, что позволит заменить дорогостоящие длительные испытания более быстрыми и дешевыми вычислительными экспериментами. Причем моделирование должно быть комплексным, т.е. учитывать взаимное влияние физических процессов друг на друга. Соответственно для его проведения должны использоваться комплексные модели, отражающие протекание физических процессов с учётом существующих взаимосвязей между этими процессами.

Как показал проведенный в диссертационной работе обзор большинство существующих в настоящее время программных средств анализа тепловых и механических процессов, таких как: ANSYS, NASTRAN, WinTherm, Cosmos/Works, SINDA и др., ориентированы на проведение моделирования машиностроительных конструкций, а не электронных устройств, что определяет ряд трудностей ввода и анализа БЭУ и затрудняет их широкое применение для решения задач комплексного математического моделирования объектов.

С другой стороны системы, ориентированные на анализ электронных устройств, такие как ТРиАНА и BetaSoft не позволяют полностью учесть взаимосвязи разнородных физических процессов. Поэтому для проведения комплексного моделирования всех протекающих в БЭУ физических процессов, необходимо использовать несколько различных систем, причем часто эти системы не совместимы на уровне входной и выходной информации, что создает дополнительные трудности.

Следует отметить, что существующие универсальные программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении и не содержат материалов, которые помогли бы пользователю при комплексном моделировании таких сложных объектов, как БЭУ. Поэтому, когда перед разработчиком встают вопросы идеализации протекающих в БЭУ физических процессов, ему приходится действовать методом проб и ошибок.

Вопросам моделирования тепловых процессов посвящен ряд работ таких авторов, как: Алексеев В.А., Дульнев Г.Н., Кирпичев В.М., Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И., Лыков А.В., Михеев М.А., Петухов Б.С., и др. Теория моделирования потов жидкости и газа рассмотрена в трудах Идельчика И.Е., Исаченко Е.Н., Кутателадзе С.С., Норенкввр^

Моделирование тепловых процессов в электронной аппаратуре с учетом аэродинамических факторов описано в работах Дульнева Г.Н. и Резникова Г.В. Моделированию механических процессов посвящены труды Маквецова Е.Н., Писаренко Г.С., Тартаковского А.М., Тимошенко СП. В данных работах освещены общие вопросы взаимосвязи тепловых и аэродинамических, а так же тепловых и механических процессов.

В МИЭМ вопросами моделирования физических процессов и автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств занимались: Батуев В.П., Борисов Н.И., Галиулин В.М., Грачев Н.Н., Гридин В.Н., Кожевников A.M., Кофанов Ю.Н., Крищук В.Н., Лисицын А.В., Сарафанов А.В., Солодовников И.В., Шалумов А.С. и др.

Эти и другие авторы внесли большой вклад в теорию и практику применения математического моделирования в процессе автоматизированного проектирования электронной аппаратуры. Однако, в работах данных авторов недостаточно внимания уделено решению вопросов комплексного моделирования БЭУ на ранних стадиях проектирования, в частности вопросам увеличения гибкости моделей при их перенастройке под заданный объект и обучения моделированию.

Поэтому можно говорить о том, что для создания БЭУ с высокими показателями технического уровня актуальной задачей является разработка математического, методического, программного и информационного обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ при их автоматизированном проектировании.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в снижении погрешностей моделирования бортовых электронных устройств при их автоматизированном проектировании за счет учёта в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов.

Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач:

• выполнение анализа существующих программных средств комплексного математического моделирования физических процессов и исследование возможности их применения для решения задач автоматизированного проектирования БЭУ;

• разработку метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ;

• разработку в рамках комплексной модели подхмоделей физических процессов в БЭУ предназначенных для выполнения комплексного анализа;

• разработку архитектуры подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ;

• выполнение программной реализации разработанного метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы;

• разработку методического обеспечения подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ;

• проведение экспериментальной проверки разработанных метода, модели, методического и программного обеспечения подсистемы, путем внедрения в практику проектирования БЭУ и учебный процесс вузов.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования физических процессов, дидактические основы обучения, теория вероятности и математической статистики, принципы объектно-ориентированного программирования.

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

1. Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся возможностью проведения анализа БЭУ на основе комплексных параметризованных моделей тепловых, аэродинамических и механических процессов в конструкции БЭУ.

2. В рамках комплексной модели разработана макромодель амортизированного блока, позволяющая моделировать многоуровневые системы виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий, подключать к макромодели фрагменты, описывающие печатные узлы и другие конструктивные элементы, использовать макромодель в составе комплексных моделей БЭУ.

3. На основе разработанных метода и программных средств предложены методики:

• составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ;

• верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента;

• комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ.

Методики основаны на проведении комплексного моделирования разнородных физических процессов с помощью параметризованных моделей и поддержке этого процесса с помощью разработанных библиотек комплексных моделей, конструкторских решений, экспертных рекомендаций и эвристических приемов, а так же обучающих материалов.

Практическая полезность работы состоит в том, разработанные в ней метод, макромодель, программные средства и методики позволяют:

1. Сокращать сроки проектирования за счет более раннего исключения из дальнейшего рассмотрения вариантов конструкций, не удовлетворяющих требованиям технического задания.

2. Улучшать технический уровень БЭУ за счет раннего выявления предпосылок к появлению системных отказов и принятия адекватных мер по их устранению.

3. Проводить подготовку и переподготовку специалистов в области автоматизированного проектирования БЭУ на основе комплексного математического моделирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные метод, макромодель, методическое обеспечение и программные средства использовались в научно-исследовательской работе, проводившейся кафедрой «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ по заказу министерства образования Российской Федерации с 2000 по 2002 год «Создание межотраслевой системы компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях».

Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Ковровской государственной технологической академии, Красноярского государственного технического университета, а так же использовались при проектировании БЭУ на предприятиях: государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи дочернее предприятие федерального государственного предприятия «НПП «Волна» (г. Москва); Государственный научно-исследовательский институт приборостроения (г. Москва); ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» (г. Москва); ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (г. Москва).

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1997-2000 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2001, 2002 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.), 53-й и 57-й научных сессиях, посвященных дню радио (г. Москва, 1998г., 2002 г.), Ш Международной выставке-конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании» (г. Москва, 2001 г.), научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1998 г.), научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Москва, 1998 г., 1999 г., 2001-2003 г.), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.)

Публикации по работе. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных трудов, в том числе 2 статьи.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы с выводами, заключение, список литературы и приложения, включающие в себя акты внедрения и примеры моделирования БЭУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая полезность полученных результатов, приведены логическая связь и краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведен обзор программных средств математического моделирования, применяемых в процессе автоматизированного проектирования БЭУ. Показано, что потребность создания математического, программного, информационного и методического обеспечения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ вызвана снижением эффективности применения существующих методов, из-за высокой сложности объекта разработки и высокой вероятности появления системных отказов. Для устранения этих недостатков предлагается использовать комплексное математическое моделирование конструкций БЭУ с применением параметризованных моделей. Так же отмечена необходимость подготовки инженерных работников, владеющих знаниями и навыками проведения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ.

Показано, что использование комплексного математического моделирования БЭУ, как средства обоснования выбора того или иного проектного решения на различных стадиях разработки, позволяет повышать технический уровень изделий и выявлять скрытые системные отказы.

На основе проведенных исследований составлены требования к подсистеме комплексного математического моделирования физических процессов, протекающих в БЭУ, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ.

Метод основан на комплексной параметризованной модели разнородных физических процессов в БЭУ, модели поддержки создания комплексных моделей и их взаимодействии с электронным макетом конструкции БЭУ. При этом параметризацией комплексной модели физических процессов называется выделение при её структурном построении таких сквозных параметров и арифметических выражений, с помощью которых можно отождествлять параметры подмоделей единой комплексной модели между собой. Структура метода приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структура метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ

Для электронного макета (ЭМ) в данной диссертационной работе было выбрано следующее определение: «электронный макет - это единое пространство параметров и переменных моделей разнородных физических процессов, протекающих в конструкции БЭУ, отражающее конструктивную реализацию отдельных частей или БЭУ в целом, полученное на основе комплексных исследований характеристик БЭУ средствами математического моделирования». ЭМ содержит:

• множество внешних воздействий на БЭУ 5Т(£)=/?, {СУ->2Л (сУ->2и (¿¡);

• множество параметров конструкции БЭУ Q=Qггo^í^->Qф',

• множество входных воздействий БЭУу(£)=Х, \>ХГ {с\>ХЛ (сУ>Хм (с);

• множество выходных характеристик БЭУЛ^^Л'э {¿¡У~>Х, )^ХЛ \>Хи (£"); где - подмножества тепловых, аэродинамических и механических внешних воздействий; (?геом - подмножество геометрических параметров конструкции БЭУ; <2® — подмножество физических параметров конструкции БЭУ; - подмножества электрических, тепловых, аэродинамических и механических входных воздействий;

Ут(£), - подмножества электрических, тепловых, аэродинамических

и механических выходных характеристик.

В едином пространстве модельных параметров ЭМ информация может отображаться в виде: эскизов и чертежей конструкции и монтажного пространства БЭУ, конструкторской документации, а так же результатов моделирования. Такой способ отображения позволяет разработчику наглядно представить конструкцию и оценить результаты вычислительных экспериментов.

Комплексная параметризованная модель разнородных физических процессов в БЭУ позволяет связать между собой множества входных воздействий выходных характеристик внешних воздействий и внутренних модельных параметров конструкции ¡2мп. При этом увеличивается гибкость модели, по сравнению с непараметризованной моделью, за счет появления возможности автоматизированной перенастройки модели под заданный объект БЭУ путем управления параметрами элементов через внутренние модельные параметры. Причем количество внутренних модельных параметров значительно меньше количества параметров элементов комплексной модели.

Для представленной модели подмножества Х3(£), Хт{£), Хл{£), 1э(С)< 1г(4")> Ул(С)> - аналогичны соответствующим подмножествам

электронного макета конструкции БЭУ. Множество внутренних модельных параметров конструкции кроме подмножеств параметров

множества содержащихся в электронном макете, дополняется

подмножествами 7(£) -температур, - мощностей тепловыделений, м'^— скоростей воздуха в каналах конструкции, получаемых путем математического моделирования соответствующих подмоделей разнородных физических процессов, а так же подмножеством арифметических выражений А.

Объединение топологических моделей разнородных физических процессов в общую комплексную модель производится на основе существующей связи выходных характеристик моделей одних процессов с внутренними модельными параметрами других процессов, а так же на основе общих геометрических и физических параметров объектов, отражаемых в моделях.

При этом общие геометрические и физические параметры могут быть классифицированы по виду представления:

• параметры, задаваемые численным значением;

• параметры, задаваемые через арифметическое выражение, имеющие в качестве операндов другие параметры.

• параметры, задаваемые через арифметическое выражение, имеющие в качестве операндов значения выходных характеристик моделей взаимосвязанных с внутренними модельными параметрами данной модели;

• параметры, задаваемые через арифметические выражения, включающие параметры и выходные характеристики.

Кроме этого общие геометрические и физические параметры могут быть классифицированы по степени локализации в рамках единой комплексной модели:

• глобальные параметры, использующиеся для определения первичных параметров элементов более чем в одной подмодели физического процесса;

• локальные параметры, использующиеся для определения первичных параметров элементов лишь в одной из подмоделей физического процесса.

Таким образом, подмодель любого из физических процессов в рамках комплексной параметризованной модели может быть представлена в унифицированном виде уравнением (1):

КпКпШфакМОое^а^ 0)

где Жфп — оператор подмодели физического (электрического, теплового, аэродинамического и механического) процесса; Qoбщ —подмножество глобальных модельных параметров комплексной модели; — подмножество локальных модельных параметров подмодели физического процесса.

В рамках комплексной модели рассмотрены входные воздействия подмоделей разнородных физических процессов. Для подмодели электрических процессов входными воздействиями являются множества входных токов и напряжений Для подмодели тепловых процессов — множества

эксплуатационных температур и мощностей тепловыделения

электрорадиоэлементов (ЭРЭ) РэрЖ.0 (получают по результатам электрических расчетов). Для подмодели аэродинамических (гидравлических) процессов — множества входных расходов £?«(£) и напоров (давлений) теплоносителя

(например, воздуха). Для подмодели механических процессов - множества перемещений скоростей ускорений силовых воздействий

РЛО-

В данном методе также расширено множество выходных характеристик, характеризующих поведение моделируемого объекта. Это позволяет решить следующие задачи:

1. Предоставлять разработчику более подробное описание протекающих в конструкции физических процессов, что облегчает процесс принятия решений по её улучшению.

2. Давать дополнительную информацию для анализа правильности построения моделей, что важно, когда модель строится не автоматически программой, а вручную самим разработчиком на основе его личного опыта и знаний.

Модель поддержки создания комплексных моделей (МПСКМ) описывает процессы получения новых знаний и навыков в области комплексного моделирования разнородных физических процессов.

Подмодель обучающегося (ПОб), входящая в состав МПСКМ, отражает существенные с точки зрения процесса обучения характеристики обучающегося. Параметрами ПОб являются: 5 - множество изучаемых разделов; бл - множество изученных разделов; От - множество полученных по результатам изучения оценок.

На основе содержащейся в этих множествах информации можно получить уровень подготовленности обучающегося на текущем шаге обучения. Эта операция представляется в виде: ¿=^¿(3', йз, Ст), где/, - уровень подготовленности обучающегося; - оператор информационной модели обучающегося реализованный в виде соответствующей программы.

На основании уровня подготовленности осуществляется планирование процесса обучения, т.е. обучающемуся предоставляется выбор, выполнять или нет некоторые учебные задания, поводить самоконтроль или нет и т.д.

В составе МПСКМ имеется подмодель теоретической информации, которая описывает часть процесса обучения, целями которого являются разъяснение обучающемуся и запоминание им терминов, правил, принципов, методов и т.д.

В процессе изучения теоретической информации множество информации // в виде терминов, правил, принципов, методов, методик преобразуется в множество знаний обучающегося 21, что можно записать как: 2/= 1*2/(7, N. О), где 1Уд - оператор модели изучения теоретической информации реализованный в виде алгоритма программы; / - множество информации, представляющее собой кортеж {¡I, ¡2, ¡„}, в котором подмножество ¡1 - информационный кадр, содержащий информацию, опирающуюся на информацию из предыдущих кадров, элементы этого множества извлекаются из базы данных; 21 — множество знании (усвоенной обучающимся информации), разбитое на упорядоченные подмножества {г/, г* ..., г„}; N — номера разделов изучаемой дисциплины {п/, п2, ..., п^; О — упорядоченное множество примеров математического моделирования физических процессов в БЭУ {о¡, 02, ..., от}.

Процесс обучения можно считать успешным, если выполнятся условие, разность подмножеств ц и г,- должна стремиться к нулю, /;1г,—>0. В противном случае усвоение новых знаний из множества / будет затруднено из-за того, что новая информация не будет иметь под собой основы. Чтобы этого не происходило, в процессе обучения периодически проводится контроль усвоения знаний, по результатам которого проводится коррекция процесса обучения. Этот фрагмент образовательного процесса описывается подмоделью контроля знаний.

Модель контроля знаний представляется в виде: -

оператор модели контроля знаний, реализованный в алгоритме тестирующей программы; Я — результаты контроля; 2, М — множества знаний и навыков, полученные в результате освоения теоретической информации и решения задач математического моделирования, соответственно; Ь - уровень знаний, умений и навыков обучающегося в вопросах изучаемого курса.

В состав МПСКМ входит так же подмодель получения навыков математического моделирования. Исследовательская деятельность осуществляется путем математического моделирования, а получаемая при этом информация используется для улучшения характеристик объектов в соответствии с условиями технического задания. При этом используются ранее изученные методы и методики, справочная информация, знания и навыки, полученные на предыдущих этапах обучения. Результатом решения заданий являются новые знания и навыки.

В общем виде получение навыков математического моделирования может быть представлено как: М=Жм(2, М, Т, О у), где — оператор модели поддержки исследовательской деятельности, реализованный в виде алгоритма последовательности выполнения исследовательских заданий; Г - задание на исследование; Ом — упорядоченное множество исследуемых объектов БЭУ

Таким образом, в методе можно выделить следующие особенности:

1. Подробно рассмотрены вопросы параметризации моделей разнородных физических процессов, в том числе дана классификация параметров отдельных подмоделей и общей комплексной модели с точки зрения параметризации, выделены множества параметров и описаны их взаимосвязи.

2. Расширена библиотека аналитических моделей элементов, входящих в состав комплексных топологических моделей разнородных физических процессов, что позволяет создавать комплексные модели, более точно учитывающие характер физических процессов, протекающих в конструкциях БЭУ.

3. Увеличено количество выходных данных моделирования, что позволяет получить более полное и подробное описание физических процессов. На основе этой информации могут быть выявлены ошибки в построении комплексной модели. Возможность получения коэффициентов конвективной теплоотдачи позволяет применять подсистему совместно с программами моделирования основанных на методе конечных элеменгов.

4. В рамках проектирования БЭУ рассмотрен процесс поддержки создания комплексных моделей, позволяющий разработчику самостоятельно повышать уровень знаний и навыков в области комплексного моделирования.

Так же во второй главе в рамках комплексной модели разработана топологическая макромодель амортизированного блока, предназначенная для анализа механических режимов БЭУ с многоуровневой системой вибро изоляции.

Макромодель основана на уравнениях Лагранжа. Путем преобразования исходной системы уравнений получена форма записи, соответствующая описанию топологической цепи, выполненному с помощью метода узловых потенциалов. Полученное описание макромодели в топологическом виде, позволяет путем объединения нескольких макромоделей в одну модель

описывать конструкции с вложенными уровнями виброизоляции и учитывать в ней жесткости крепления всех элементов (от печатного узла до шкафа), входящих в конструкцию.

К особенностям предложенной макромодели можно отнести:

1. Моделирование многоуровневых систем виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий.

2. Моделирование шкафов, стоек, блоков с возможностью подключения макромоделей плат и других конструктивных элементов.

3. Применение в составе комплексных моделей.

4. Легкость построения и простота настройки под параметры моделируемого объекта.

Разработанные во второй главе метод и макромодель реализованы в подсистеме комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ. Данная подсистема используется в учебном процессе нескольких технических вузов, а также применялась при проведении моделирования и разработки БЭУ на промышленных предприятиях.

В третьей главе приведена структура системы АСОНИКА и определено место подсистемы комплексного математического моделирования физических процессов в рамках данной системы при проектировании БЭУ.

Здесь же представлены результаты разработки программного и информационного обеспечения подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ, в основу которой положен разработанный в главе 2 метод. В главе 3 отображены следующие вопросы разработки подсистемы: требования к подсистеме, разработка архитектуры подсистемы, программная реализация подсистемы.

На основе предъявляемых к подсистеме требований были разработаны следующие представления её архитектуры: структурная схема подсистемы (рис. 2), схемы классов отдельных программ подсистемы.

Каждый блок структурной схемы подсистемы представляет собой программу. Программы решают частные задачи по реализации отдельных моделей предложенного метода. Так в программе комплексного моделирования реализованы построение и расчет комплексной параметризованной модели физических процессов в БЭУ, в ГСК — электронный макет, и часть модели поддержки создания комплексных моделей, в программе контроля знаний -подмодель контроля знаний.

Такая структура подсистемы позволяет легко дополнять и заменять, входящие в состав подсистемы программы, настраивая подсистему под необходимые требования заказчика и совершенствуя её. При этом обеспечивается возможность функционирование подсистемы, как в автономном режиме, так и в составе системы АСОНИКА, разработанной на кафедре РТУиС Московского государственного института электроники и математики или в составе других систем.

Рис. 2. Структурная схема подсистемы АСОНИКА-П

Для описания структур программ, входящих в состав подсистемы АСОНИКА-П использовался универсальный язык моделирования (UML -Unified Modeling Language) - поддерживаемый группой по объектному программированию (OMG - Object Management Group, www.omg.org), которая занимается введением стандартов для объектных решений. Одной из наиболее важных частей UML является нотация диаграмм классов, так как при объектно-ориентированном подходе к разработке программного обеспечения (ПО) именно эти диаграммы служат его основой. С помощью диаграмм классов проводится объектно-ориентированный анализ и проектирование ПО, а так же поддерживается переход к стадии реализации. При этом использование на разных стадиях разработки ПО единой нотации позволяет улучшить преемственность между ними. Кроме того, применение UML, как стандартного средства описания структуры программ, позволяет присоединяющимся к

работе сотрудникам быстрее входить в суть и приступать к продуктивной работе.

Программы, входящие в состав подсистемы АСОНИКА-П, такие как: программа комплексного математического моделирования физических процессов (SchMaker.exe), графический редактор изображений элементов (LibMaker.exe), гипертекстовый справочный комплекс (ГСК) (HTMLViewer.exe) реализованы с помощью визуального средства разработки C++ Builder. Программа контроля знаний (Jndex.htm) реализована на JavaScript

Разработанная подсистема обладает следующими характеристиками:

• имеет архитектуру, позволяющую создать программное обеспечение, отвечающего таким атрибутам качества, как: практичность, отказоустойчивость и надежность;

• позволяет проводить моделирование разнородных физических процессов, как по отдельности, так и с учетом комплексного характера их протекания;

• позволяет пользователям улучшать знания в области моделирования разнородных физических процессов, в том числе комплексного;

• имеет возможность функционирования, как в автономном режиме, так и в составе системы АСОНИКА, а так же совместно с программами моделирования, основанными на методах конечных элементов;

• позволяет строить параметризованные модели разнородных физических процессов, протекающих в конструкциях БЭУ;

• позволяет проводить исследование в режиме динамического изменения параметров, когда за изменением пользователем любого из параметров элемента подмодели физических процессов (или параметра комплексной модели) будет следовать автоматический расчет выходных характеристик модели и их отображение на экране компьютера; это позволит ускорить процесс получения требуемых значений выходных характеристик и увеличить наглядность вносимых в модель изменений;

• позволяет реализовывать иерархический подход к моделированию физических процессов в конструкциях БЭУ;

• работает на компьютерах под управлением операционных систем Windows 95/98/Me /NT /2000/XP.

Для практического применения подсистемы при разработке конструкций БЭУ и в учебном процессе разработана программная документация, состоящая из руководства пользователя и описания подсистемы.

В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях бортовых электронных устройств (БЭУ), которое создано на основе представленных в предыдущих главах диссертации метода и программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П. В данной главе представлены методики:

1. Составления и отработки типовых комплексных моделей физических

процессов в БЭУ (методика 1);

2. Верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ (методика 2);

3. Комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ (методика 3).

Новизна методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ заключается в описании механизма связи в единую комплексную модель тепловой, аэродинамической и механической подмоделей на основе общих модельных параметров. Кроме этого методика описывает применение программных средств, позволяющих повышать квалификацию конструктора, путем повышения уровня знаний с использованием программных средств подсистемы АСОНИКА-П, и применение средств математического моделирования.

Новизна методики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента, заключается в том, что предложен механизм проверки правильности составления комплексной теплоаэродинамической модели без проведения эксперимента на основе анализа рассчитываемых чисел Рейнольдса. Применение данной методики позволяет выявлять как грубые ошибки конструктора, связанные с ошибками в структуре моделей, так и ошибки, которые могут возникать вследствие невнимательности при задании параметров элементов моделей.

Новизна разработанной в диссертационной работе методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ состоит в описании способов применения нового математического, информационного и программного обеспечения, входящего в состав подсистемы АСОНИКА-П. Так в методике описаны вопросы: обучения пользователя, выполнения комплексного математического моделирования, поиска и предоставления информации.

В главе 4 также приведено описание экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе. Разработанные макромодель, метод, методики и подсистема проверялись на экспериментальных образцах и готовых изделиях. Примеры экспериментальной проверки метода, модели, методик и подсистемы приведены в табл.

Внедрение методического, математического, программного и информационного обеспечения в процесс проектирования БЭУ на промышленных предприятиях позволило:

• снизить погрешности моделирования бортовых электронных устройств при их автоматизированном проектировании за счет учета в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов;

• создать конструкции БЭУ с улучшенными показателями технического уровня за счет выявления «слабых» мест в разрабатываемых образцах и предложения вариантов улучшенных технических решений;

Таблица.

Проверка разработанных модели, метода и методик с помощью вычислительного и физических экспериментов

Л» п/п Объект эксперимента и вид экспериментальных исследований Цели эксперимента Результаты проверки

1. Бортовая цифровая вычислительная машина БЦ8М-486-2 с принудительным воздушным охлаждением (ФНПЦ РПКБ). Вычислительный эксперимент на комплексной теплоаэро-динэмической модели. 1.Проверка методики 1 (составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ). 2. Проверка методики 2 (верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента). 1. Методика 1 позволила для комплексной параметризованной теплоаэродинамической модели состоящей из 80 элементов (25 элементов МАП, 55 элементов МТП) провести изменение 1 геометрического параметра за 1 операцию (в непараметризован-ной для изменение того же параметра требуется 68 операций). 2. Методика 2 позволила обнаружить следующие ошибки: некорректные значения геометрических параметров ветвей с вынужденной конвекцией (ВК); ошибки в связях элементов подмоделей; ошибки в выборе типа тепловой ветви ВК.

2. Макет гироинерциальмого блока ГИБ-60 (Гос. ИИЛ). Физические экспериментальные исследования тепловых и механических процессов. 1. Проверка метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ и погрешностей моделирования интегральных температур и ускорений. 2. Проверка методики 3 (комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ для комплексного моделирования тепловых и механических процессов). 1. Для ПУ погрешность комплексного расчета составила: - интегральных температур I - 7 %; - резонансных частот ПУ 5-20%; - максимальных амплитуд ускорений ПУ 8-12%; - максимальных амплитуд ускорений точек креплений ПУ 14 %, что удовлетворило проектировщиков Гос. НИИП. 2. Методика 3 позволяет путем комплексного моделирования получать граничные условия и передавать их в другие подсистемы АСОНИКА-Т, -ТМ для расчета тепловых и механических характеристик электрорадиоэлементов.

3. Базовая несущая конструкция БНК-3 (КБ ИГАС). Полунатурные исследования тепловых и механических процессов. 1. Проверка погрешности механической макромодели амортизированного блока БЭУ. 2. Проверка программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П. 1. Для корпуса БНК-3 погрешность расчета составила: - по амплитуде виброускорения 9 %; - по резонансной частоте 11 %.

4. Модуль унифицированного тепловизионного канала УМТК-2(ЦНИИ «Циклон»), Физические экспериментальные исследования тепловых и механических процессов. 1. Проверка методики 1 в части моделирования тепловых и механических процессов на параметризованной модели. 2. Проверка программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П в части моделирования и обучения. 1. Методика 1 позволяет для комплексной тепломеханической модели проводить изменение 1 параметра при параметризации за 1 операцию, без параметризации за 8-24 операции. 2. Применение ПО подсистемы АСОНИКА-П позволило улучшить технический уровень за счёт выявления слабых мест конструкции и повысить творческий потенциал коллектива за сч$т подготовки специалистов, владеющих теоретическими и практическими вопросами комплексного моделирования.

• сократить временные затраты на разработку БЭУ за счёт сокращения объёма натурных испытаний и уменьшения количества возвратов на предыдущие стадии в циклах разработки.

Разработанные и апробированные в практике проектирования БЭУ макромодель, метод, методическое и программное обеспечение использовались для создания методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам «Основы математического моделирования» и «Теоретические основы надёжности и управления качеством РЭС».

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложениях к диссертационной работе приведены акты внедрения результатов диссертационной работы, результаты расчетов объектов БЭУ в подсистеме «АСОНИККА-П».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся применением комплексной параметризованной модели, что позволяет увеличить гибкость модели, по сравнению с непараметризованной, за счет появления возможности её автоматизированной перенастройки под заданный объект БЭУ путем управления параметрами элементов через внутренние модельные параметры. В методе так же расширена библиотека аналитических моделей, увеличено количество выходных данных моделирования и рассмотрен процесс поддержки создания комплексных моделей. Это позволяет расширить область применения метода на большее количество объектов БЭУ, автоматизировать процесс решения трудоемких задач по изменению параметров типовых комплексных моделей под конкретный объект моделирования.

2. В рамках комплексной модели разработана топологическая макромодель механических процессов в амортизированном блоке БЭУ, позволяющая моделировать многоуровневые системы виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий, подключать к макромодели фрагменты, описывающие печатные узлы и другие конструктивные элементы, использовать макромодель в составе комплексных моделей БЭУ.

3. Разработана архитектура подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ АСОНИКА-П и отдельных программ, входящих в её состав. Это дало возможность улучшить преемственность между различными этапами разработки программного обеспечения подсистемы, а так же позволило присоединяющимся к работе сотрудникам быстрее входить в суть и приступать к продуктивной работе.

4. Выполнена программная реализация разработанного метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы.

5. Разработано методическое обеспечение подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, состоящее из методик:

• составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ;

• верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента;

• комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ.

6. Выполнена экспериментальная проверка разработанных метода, макромодели, методического и программного обеспечения подсистемы и подтверждена эффективность их применения при автоматизированном проектировании БЭУ.

Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования БЭУ на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов, а также использовались при выполнении научно-исследовательской работы № 100378 по договору с министерством образования РФ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Кофанов Ю.Н., Воловиков В.В., Игнатовский А.Н. Автоматизация поддержки профессионального творчества в проектировании радиоэлектронных средств. // Информационные технологии в проектировании и производстве: науч.-техн. журн. - М.: ГУЛ «ВИМИ», 2002. - № 3. - С. 2 - 8.

2. Воловиков В.В. Разработка учебной программы моделирования разнородных физических процессов. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ: тезисы докладов. — М: МГИЭМ, 1998.-С. 133 - 134.

3. Воловиков В.В. Расчёт функций чувствительности во временной области для задач диагностики. // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Материалы Международной научно-технической конференции и Российской школы молодых ученых и специалистов. Часть 3. - М.: НИИ «Автоэлектроника», 1998. -С. 37-38.

4. Воловиков В.В. Принципы построения программы комплексного моделирования физических процессов для учебно-исследовательской подсистемы // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Материалы Международной научно-технической конференции и Российской школы молодых ученых и

специалистов: Тезисы докладов. - М.: НИИ "Автоэлектроника", 2000. — С. 43 — 44.

5. Воловиков В.В. Применение ЭВМ для поддержки профессионального творчества в технических областях. // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий: Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1.-М.: 2001. - С. 152.

6. Кофанов Ю.Н., Воловиков В.В. Межотраслевая система компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях. // III Международная выставка-конференция «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании»: Тезисы докладов. — М.: 2001. -С. 61-62.

7. Воловиков В.В. Система автоматизированной поддержки профессионального творчества в радиоэлектронике // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий: Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1, книга 1. - М.: Радио и связь, 2002. - С. 50 - 52.

8. Воловиков В.В. Поддержка поискового проектирования и развитие навыков профессионального творчества // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященная 40-летию МИЭМ: Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2002. - С. 176 -177.

9. Воловиков В.В. Использование математического моделирования при профессиональном творчестве в радиоэлектронике // Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. - Ковров: КГТА, 2002. - С. 12 -13.

10. Воловиков В.В. Топологическая модель амортизированного объекта для анализа многоуровневых систем виброизоляции // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. -М.: МИЭМ, 2003. -С. 193.

11. Воловиков В.В. Проектирование БЭУ с использованием средств информационной поддержки жизненного цикла // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2003. - С. 194 - 195.

12. Кофанов Ю.Н., Сарафанов А.В., Воловиков В.В. Метод информационной поддержки ранних стадий проектирования радиоэлектронной аппаратуры. // Информационные технологии в проектировании и производстве: науч.-техн. журн. -М.: ГУП «ВИМИ», 2003. - № 3. - С. 51 - 56.

Подписано к печати 'ОТ-" М 2004 г. Отпечатано в типографии МИЗМ. Москва, ул. М. Пионерская, 12 Заказ № . Объем п.л. Тираж 4РО экз.

Р-71 67

Введение.

Глава 1. Исследование технологии автоматизированного проектирования бортовых электронных устройств.

1.1. Обзор программных средств моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов в бортовых электронных устройствах.

1.2. Концепция комплексного математического моделирования разнородных физических процессов при разработке

БЭУ в рамках системы АСОНИКА.

1.3. Постановка задачи диссертации.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ.

2.1. Требования к методу комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ.

2.2. Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ.

2.3. Разработка макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУ.

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка программного обеспечения подсистемы комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах АСОНИКА-П.

3.1. Требования к подсистеме комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах.

3.2. Место подсистемы комплексного моделирования физических процессов в рамках системы АСОНИКА.

3.3. Архитектура программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П.

3.3.1. Структурная схема подсистемы комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах АСОНИКА-П.

3.3.2. Модель классов программы моделирования SCHMAKER.EXE

3.3.3. Модель классов графического редактора LIBMAKER.EXE

3.3.4. Модель классов программы MMODELS.EXE.

3.4. Программная реализация подсистемы.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка методического обеспечения подсистемы, экспериментальная проверка и внедрение научных результатов диссертации.

4.1. Разработка методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях

4.2. Разработка методики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.

4.3. Разработка методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ.

4.4. Описание экспериментальных исследований.

4.4.1. Экспериментальное исследование тепловых процессов в изделии ГИБ.

4.4.2. Экспериментальное исследование комплексных тепло-аэродинамических процессов в БЦВМ-486

4.4.3. Экспериментальное исследование тепловых и механических процессов в конструкции БНК-3.

4.5. Выводы по главе 4.

В настоящее время применение автоматизированных средств проектирования в процессе разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) стало нормой. Одновременно с ростом сложности электронной аппаратуры, к которой относятся и БЭУ, происходит совершенствование средств проектирования, разрабатываются новые методы, модели и методики, на основе которых создается математическое, методическое, программное, информационное обеспечение. Главная цель всех этих разработок — повысить оперативность и качество проектирования, что, в свою очередь, позволит повысить конкурентоспособность изделий.

Одним из основных направлений в данной области является применение средств математического моделирования разнородных физических процессов (электрического, теплового, аэродинамического и механического) в БЭУ, которые позволяют заменить дорогостоящие длительные испытания более быстрыми и дешевыми вычислительными экспериментами.

Таким образом, с помощью математического моделирования решаются следующие задачи:

1. Обоснование изменений в конструкции БЭУ, необходимых для удовлетворения требований технического задания, без проведения испытаний. Предпосылкой к этому является невозможность эмпирических поисков приемлемого варианта конструкции БЭУ, представляющего собой систему многих тел с источниками и стоками энергии, сложным образом распределенных в пространстве и времени [41]. При этом конструктивные элементы БЭУ имеют большое количество возможных комбинаций размеров, форм, условий размещения в пространстве, параметров материалов и т.д.

2. Выявление скрытых системных отказов, проявляющихся при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляющихся, если воздействие тех же факторов разнесено во времени. Проведение комплексного математического моделирования для выявления системных отказов может иметь решающее значение при обеспечении надежности работы аппаратуры в реальных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что проведение соответствующих испытаний отсутствует необходимая испытательная база.

Однако данный подход имеет недостатки, главный из которых состоит в том, что комплексное моделирование устройства в целом осуществляется на этапах проектирования, когда принципиальные решения относительно многих параметров конструкции (габаритных размеров, размещения компонентов, способов виброизоляции и отвода тепла и т.д.) приняты и детально проработаны. Но их объединение не позволяет обеспечить требования технического задания ввиду того, что между отдельно разрабатывавшимися частями существовали связи, о которых проектировщики не подозревали. В результате получается, что выявленные недостатки невозможно устранить путем лишь частичного изменения отдельных конструктивных элементов, так как в процессе разработки возникновения именно такой ситуации не было учтено. Причем затраты на кардинальную переделку конструкции и электрической схемы БЭУ к этому моменту становятся сравнимыми с началом новой разработки. Причина данного явления кроется в высокой сложности процессов, протекающих в современных БЭУ. Поэтому разработчик, руководствуясь только собственным опытом, часто не в состоянии предсказать режимы их работы даже качественно.

Выходом из положения может быть применение методов и средств информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ (следующих непосредственно за этапом получения технического задания) в виде программ и методик комплексного математического моделирования.

Так как для ранних этапов проектирования нет какого-нибудь единодушно принятого определения, в данной диссертационной работе к ним отнесен этап эскизного проектирования, в особенности те его стадии, когда принимаются принципиальные решения (определяются габаритные размеры, компоненты, способы виброизоляции, система охлаждения и т.д.). Причем данные принципиальные решения должны позволять обеспечить две основных характеристики БЭУ: выполнение электрической схемой функций, определенных в техническом задании, при наличии жёстких внешних физических воздействий тепловых и механических факторов, изменяющих электрические параметры радиоэлементов; надёжность, т.е. высокую первичную безотказность (при нормальных условиях эксплуатации), а также надежность при комплексном воздействии электрической, тепловой и механической нагрузки на электрорадиоэлементы.

Поэтому в данной диссертационной работе к средствам информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ отнесено следующее: программное, математическое, методическое и информационное обеспечение комплексного моделирования электрического, теплового, аэродинамического и механического процессов в БЭУ с использованием параметризованных моделей; программное обеспечение обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ (теоретическая информация, практические задания и лабораторные практикумы для обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов в БЭУ); программное и информационное обеспечение, предназначенное для предоставления информации в рамках предметной области, к которой относятся: параметризованные комплексные модели физических процессов в БЭУ; геометрические и теплофизические параметры элементов конструкций БЭУ; примеры конструкторских решений и экспертные рекомендации по разработке БЭУ.

В связи с тем, что для выбора верного направления разработки БЭУ необходимо исследовать и сравнить между собой несколько принципиально разных вариантов конструкций, основным требованием к моделированию на ранних этапах является минимальное время его проведения. Использованию программных средств математического моделирования на ранних этапах проектирования мешают такие факторы как: длительное время построения и анализа упрощенных моделей БЭУ (свойственных ранним этапам разработки) сопоставимое со временем исследования полной модели; сложность изменения параметров существующих моделей при исследованиях в рамках работ по приведению их в соответствие с новыми условиями и требованиями; ограниченность информации относительно параметров объекта разработки, без которых моделирование проводиться не может; сложность учета взаимного влияния действующих на БЭУ факторов, в особенности тепловых и механических воздействий; отсутствие квалифицированных кадров и т.д.

Вопросам моделирования тепловых процессов ряд работ таких авторов, как: Алексеев В.А. [2-5], Дульнев Г.Н. [39-41], Кутателадзе С.С. [71], Леонтьев А.И. [103], Лыков А.В. [73, 74], Михеев М.А. [80], Петухов Б.С. [86], и др. Теория моделирования потов жидкости и газа рассмотрена в трудах Идельчика И.Е. [46], Кутателадзе О.С. [70], Норенкова И.П. [82, 83], Трудоношина В.А. [100]. Моделирование тепловых процессов в электронной аппаратуре с учетом аэродинамических факторов описано в работах Дульнева Г.Н. и Резникова Г.В. [94, 95] Моделированию механических процессов посвящены труды Маквецова Е.Н. [75-77], Писаренко Г.С. [87], Тартаковского A.M. [76, 77, 102], Тимошенко С. П. [104]. В данных работах освещены общие вопросы взаимосвязи тепловых и аэродинамических, а так же тепловых и механических процессов.

В МИЭМ вопросами моделирования физических процессов и автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств занимались: Батуев В.П. [9], Борисов Н.И. [10], Галиулин В.М. [32], Грачев Н.Н. [36], Гридин В.Н. [37], Засыпкин С.В. [45, 60], Кожевников A.M. [52], Кофанов Ю.Н. [54-68], Коновальчук А.С. [53], Крищук В.Н. [69], Лисицын А.В. [72], Сарафанов А.В. [34-35, 62, 97-99], Солодовников И.В. [101], Шалумов А.С. [55, 62, 64, 67], Желтов Р.Л. [44].

Эти и другие авторы внесли большой вклад в теорию и практику применения математического моделирования в процессе разработки электронной аппаратуры. Однако, в работах данных авторов недостаточно внимания уделено решению вопросов комплексного моделирования БЭУ на ранних стадиях проектирования, в частности вопросам параметризации моделей и обучения моделированию.

Как показал проведенный в диссертационной работе обзор, большинство из существующих в настоящее время программных средств анализа тепловых и механических процессов, таких как: ANSYS, NASTRAN, WinTherm, Cosmos/Works, SINDA и др., ориентированны на проведение моделирования машиностроительных конструкций, а не электронных устройств, с чем сопряжен ряд трудностей ввода и проведения расчета. В частности для печатного узла невозможно промоделировать его точную трехмерную геометрическую модель, так как возникают ошибки на этапе построения конечно-элементной сетки. Для устранения этого недостатка приходится проводить его идеализацию и упрощение. Однако и после этого остаются трудности, связанные с установкой большого количества сопряжений и задания граничных условий. Кроме того, данные программы позволяют только частично учесть взаимосвязь электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов, протекающих в БЭУ.

С другой стороны системы, ориентированные на анализ электронных устройств, такие как АСОНИКА-Т и BetaSoft не позволяют моделировать механический и аэродинамический процессы, а так же электрические схемы. Поэтому для проведения моделирования всех протекающих в БЭУ физических процессов, даже после того, как все необходимые параметры и характеристики конструкции и электрической схемы определены, необходимо использовать несколько различных систем, причем часто эти системы не совместимы на уровне входной/выходной информации, что создает дополнительные трудности.

Следует отметить, что существующие программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении, поэтому самостоятельное их изучение — процесс длительный и сложный. Понимая это фирмы, являющиеся разработчиками программного обеспечения, предлагают пройти специальные курсы, на которых проводится обучение использованию данных систем в процессе проектирования. Но акцент делается не на изучение самого процесса моделирования, а на то, какие возможности имеют их программы. В результате, когда перед разработчиком встают вопросы идеализации протекающих в конструкции физических процессов, ему приходится действовать методом проб и ошибок.

Поэтому актуальной задачей для создания БЭУ с высокими показателями технического уровня является разработка математического, методического, программного и информационного обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ.

Цель диссертационной работы состоит в снижении погрешностей моделирования бортовых электронных устройств при их автоматизированном проектировании за счет учета в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов.

Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач: выполнение анализа существующих программных средств комплексного математического моделирования разнородных физических процессов и исследование возможности их применения для решения задач автоматизированного проектирования БЭУ; разработку метода комплексного моделирования физических процессов в при автоматизированном проектировании БЭУ; разработку в рамках комплексной модели топологической макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУ; разработку архитектуры подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ; выполнение программной реализации разработанного метода комплексного моделирования разнородных физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы; разработку методического обеспечения подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ; проведение экспериментальной проверки разработанных в рамках концепции метода, макромодели, методического и программного обеспечения подсистемы, путем внедрения в практику проектирования БЭУ и учебный процесс вузов.

В процессе выполнения диссертационной работы использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования физических процессов, дидактические основы обучения, теория вероятности и математической статистики, принципы объектно-ориентированного программирования.

При решении поставленных в работе задач получены следующие новые научные результаты.

1. Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся возможностью проведения анализа БЭУ на основе комплексных параметризованных моделей тепловых, аэродинамических и механических процессов в БЭУ.

2. В рамках комплексной модели разработана макромодель амортизированного блока, позволяющая проводить анализ механических режимов БЭУ с многоуровневой системой виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий всех элементов (от шкафа до печатного узла), входящих в конструкцию (учитывается динамический характер взаимодействия), в рамках одной модели. За счет этого достигается увеличение точности моделирования. Причем время анализа модели конструкции с тремя уровнями виброизоляции на гармоническую вибрацию не превышает 10 секунд на компьютере с частотой процессора 500 Мгц.

3. На основе разработанных метода и программных средств предложены методики: комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ; составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ; верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.

Методики основаны на проведении комплексного моделирования разнородных физических процессов с помощью параметризованных моделей и взаимодействии подсистемы АСОНИКА-П с проблемными подсистемами системы АСОНИКА.

Практическая полезность работы состоит в том, разработанные в ней концепция, метод, макромодель, программные средства и методики позволяют:

1. Сокращать сроки проектирования за счет более раннего исключения из дальнейшего рассмотрения вариантов конструкций, не удовлетворяющих требованиям технического задания.

2. Улучшать технический уровень БЭУ за счет раннего выявления предпосылок к появлению системных отказов и принятия адекватных мер по их устранению.

3. Проводить подготовку и переподготовку специалистов в области автоматизированного проектирования БЭУ на основе комплексного математического моделирования.

Разработанные концепция, метод, методическое обеспечение и программные средства использовались в научно-исследовательской работе, проводившейся кафедрой «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ по заказу министерства образования Российской Федерации с 2000 по 2002 год «Создание межотраслевой системы компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях» № 100378.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Ковровской государственной технологической академии, Красноярского государственного технического университета, Сибирской аэрокосмической академии, а так же использовались при проектировании БЭУ на предприятиях: государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи» дочернее предприятие федерального государственного предприятия «НПП «Волна» (г. Москва); ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (г. Москва); Государственный научно-исследовательский институт приборостроения (г. Москва); ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» (г. Москва);

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1997-2000 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2001-2002 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.), 53-й и 57-й научных сессиях, посвященных дню радио (г. Москва, 1998г., 2002 г.), 3 Международной выставке-конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании» (г. Москва, 2001 г.), научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1998 г.), научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Москва, 1998 г., 1999 г., 2001-2003 г.), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.)

По теме диссертационной работы опубликовано двадцать научных трудов, в том числе две статьи, материалы вошли в два отчета по НИР.

Диссертационная работа содержит введение, 4 главы с выводами, заключение, список литературы и приложения, включающие в себя акты внедрения, результаты расчётов, описание и руководство пользователя разработанных программных средств.

9. Результаты работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы №100378 по договору с министерством образования РФ в 2001-2002 г.г.

10. Отдельные результаты, а так же работа в целом докладывались и обсуждались на шестнадцати конференциях (в том числе на восьми международных конференциях) с 1997 по 2003 г.г.

11. По результатам диссертационной работы опубликовано двадцать работ, в том числе две статьи в центральных изданиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ существующих программных средств, использующихся для моделирования тепловых, аэродинамических и механических процессов при проектировании БЭУ и обоснована необходимость разработки подсистемы комплексного моделирования основанной на применении параметризованных моделей.

2. Разработан метод комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, отличающийся применением комплексной параметризованной модели, объединяющей подмодели отдельных физических процессов в общую комплексную модель на основе общих модельных параметров конструкции. В методе так же расширена библиотека аналитических моделей, увеличено количество выходных данных моделирования и рассмотрен процесс поддержки создания комплексных моделей. Это позволяет расширить область применения метода на большее количество объектов БЭУ, облегчить процесс решения трудоемких задач по изменению параметров типовых комплексных моделей под конкретный объект моделирования.

3. В рамках комплексной модели разработана топологическая макромодель механических процессов в амортизированном блоке БЭУ, позволяющая моделировать многоуровневые системы виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий, подключать к макромодели фрагменты, описывающие печатные узлы и другие конструктивные элементы, использовать макромодель в составе комплексных моделей БЭУ.

4. Разработана архитектура подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ и отдельных программ, входящих в её состав. Это позволило улучшить преемственность между различными этапами разработки программного обеспечения подсистемы, а так же позволило присоединяющимся к работе сотрудникам быстрее входить в суть и приступать к продуктивной работе.

5. Выполнена программная реализация разработанного метода комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы.

6. Разработано методическое обеспечение подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, состоящее из: методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ; методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ; методики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.

7. Выполнена экспериментальная проверка разработанных в диссертации математического, методического, информационного и программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П и подтверждена эффективность их применения в практике разработки конструкций БЭУ.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования БЭУ на четырех промышленных предприятиях и в учебный процесс трёх вузов.

1. Автоматизация поискового конструирования/Под ред. Половинкина А.И. М.: Радио и связь, 1981.- 344 с.

2. Алексеев В.А. Источники вторичного электропитания РЭА: справочник. // Глава 13. Обеспечение тепловых режимов источников вторичного электропитания и их элементов. М.: Радио и связь, 1985. -С. 520-569.

3. Алексеев В.А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. — М.: Энергия, 1975. 88 с.

4. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования РЭА. М.: Энергия, 1979. - 128 с.

5. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Митрошкина М.В. Математическое моделирование тепловых режимов аппаратуры на ранних этапах её разработки. М.: Информатика-Машиностроение, изд. «Вираж-Центр», 1998.-С. 17-22.

6. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973.-296 с.

7. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. Теория решения изобретательских задач. М.: Сов. Радио, 1979. — 249 с.

8. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

9. Батуев В.П. Исследование и разработка методов расчета виброустойчивости электро-коммутационной аппаратуры при случайной вибрации / Дис. канд. техн. наук. -М.: МИЭМ, 1980. 198 с.

10. И. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование: с примерами приложений на С++. СПб.: «Издательство Бином», «Невский диалект», 1998. 560 с.

11. Васильков Ю.В., Василькова Н.Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2001. - 256 с.

12. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. М.: Радио и связь, 1982.- 152 с.

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

14. Вибрации в технике: Справочник // Под. ред. Фролова К.В. М.: Машиностроение, 1995. - Т.6. - 456 С.

15. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 560 с.

16. Воловиков В.В. Автоматизированный контроль знаний обучаемых в подсистеме АСОНИКА-П // LVII научная сессия, посвященная дню радио: Труды Том I. М.: журн. «Радиотехника», 2002. - С. 101 - 102.

17. Воловиков В.В. Поддержка поискового проектирования и развитие навыков профессионального творчества // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященная 40-летию МИЭМ: Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2002. -С.176- 177.

18. Воловиков В.В. Проектирование БЭУ с использованием средств информационной поддержки жизненного цикла // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2003. - С. 194 - 195.

19. Воловиков В.В. Проектный вариант программы моделирования разнородных физических процессов. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ: тезисы докладов. М.: МГИЭМ, 1998. - С. 240.

20. Воловиков В.В. Разработка учебной программы моделирования разнородных физических процессов. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ: тезисы докладов. М.: МГИЭМ, 1998. - С. 133 - 134.

21. Воловиков В.В. Топологическая модель амортизированного объекта для анализа многоуровневых систем виброизоляции // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2003. - С. 193.

22. Воловиков В.В., Желтов P.JL, Белоконев А.С. Программа моделирования разнородных физических процессов, протекающих в РЭА // «Новые информационные технологии»: Тезисы докладов/ Материалы научно-практического семинара. М.:МГИЭМ, 1998. - С. 334-340.

23. Галиулин В.М. Автоматизированное проектирование теплоустойчивых источников вторичного электропитания РЭА. / Дисс. канд. техн. наук. — М.: МИЭМ, 1983.-305 с.33