автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Тепловые макромодели конструкций бортовых электронных средств для САПР инженерного анализа

На правах рукописи

Саратовский Николай Владимирович

ТЕПЛОВЫЕ МАКРОМОДЕЛИ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ САПР ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования (в электронике, радиотехнике и связи)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2314

Москва-2013

005544886

Работа выполнена на кафедре «Конструирование, технология и производств диоэлектронных средств» Московского авиационного института (национального ис довательского университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ушкар Михаил Николаевич

Официальные оппоненты:

Руфицкий Михаил Всеволодович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государствен университет имени Александра Григорьевич Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), профессор

Луценко Александр Владимирович кандидат технических наук, ОАО "НПО "Лиа зовский электромеханический завод", заместит технического директора по информационным т нологиям

Ведущая организация:

ОАО «Радиотехнический институт им академика А.Л. Минца»

Защита диссертации состоите декабря 2013г. в 10 часов на заседании

сертационного сонета Д 212.125.02 н Москонском авиационном институте (национ ном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, В коламское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Петраков Александр Михайлов

Актуальность работы.

Развитие современных бортовых электронных средств (БЭС) характеризуется едующими тенденциями:

- рост степени интеграции элементной базы электронных средств (ЭС). Как пока-но в диссертации за период с 2005 по 2013гг. количество транзисторов в цифровых икропроцессорах увеличилось с 100 млн. до 2600 млн. Это обуславливает увеличение ощности, рассеиваемой микросхемами.

- увеличение доли цифровых устройств в составе бортовых радиолокационных анций. Проведенный в диссертации анализ бортовых радиолокационных станций TJ1C), показал, что за период с 1995 по 2013гг. доля цифровых устройств в их составе

зросла с 20% до 50%.

- рост быстродействия цифровых микросхем, таких как микропроцессоры, па-.ять и др., привел к повышению рассеиваемой ими мощности. Так за период с 2006 по 013гг. быстродействие микропроцессоров возросла в 5 раз, а рассеиваемая мощность величилась в 4,3 раза.

Эти тенденции положительным образом сказались на массогабаритных характе-истиках конструкций БЭС. В диссертации показано, что за период с 1995 по 2013гг. бъем, занимаемый вертолетными многоцелевыми бортовыми радиолокационными анциями (МБРЛС), сократился почти в 20 раз.

Вместе с тем, снижение массогабаритных характеристик современных БЭС при-ло к повышению объемной плотности теплового потока. Так за период с 1995 по 2013 . значение объемной плотности теплового потока для вертолетных МБРЛС увеличи-ось в 4 раза. Аналогичная тенденция прослеживается и для авиационных МБРЛС. На-ример, увеличение объемной плотности привело к усложнению систем охлаждения БРЛС. Так в БРЛС для летательных аппаратов (ЛА) пятого поколения системы охлаж-ения занимают 20% объема станции.

Рассмотренные тенденции развития современных БЭС обуславливают актуаль-ость задач инженерного анализа их тепловых режимов.

В настоящее время, для решения задач анализа тепловых режимов БЭС, исполь-уется широкий спектр САПР инженерного анализа, в том числе ANSYS, ELCUT,

CATIA, SolidWorks и др. Анализ современных САПР теплового моделирования, прове денный в диссертации, показал, что в основе большинства решателей, данных САП лежит представление тепловой модели системой дифференциальных уравнений, решае мой с помощью метода конечных элементов (МКЭ) или метода конечных объёмо (МКО).

В диссертации определены особенности конструкций современных БЭС и пока зано, что эти особенности (разнородность конструкционных материалов, большой раз брос линейных размеров и многообразие форм БЭС) обуславливают резкий рост числ конечных элементов (КЭ), что в свою очередь приводит к снижению эффективное™ САПР при решении задач анализа тепловых режимов БЭС.

Выполненный в диссертации анализ методов повышения эффективности прим нения САПР инженерного анализа показал, что в настоящее время существует два о новных направления повышения эффективности САПР:

- динамическое управление сеткой КЭ;

- тепловое макромоделирование.

Динамическое управление сеткой КЭ широко описано в литературе, посвященно МКЭ (работы Чернявского А.О., Шимановского А.О., Путято A.B.), диссертации и ст тьи Репнева Д.Н. и др. В последние годы этот метод в ограниченном виде вводится САПР инженерного анализа, например, в САПР SolidWorks Flow Simulation.

Методы теплового макромоделирования рассмотрены в работах Дульнева Г.Н Варламова Р.Г и др. В работах Дульнева Г.Н. рассмотрены теоретические основы и м тоды макромоделирования, для регулярных конструкций радиоэлектронных средс (РЭС) с источниками тепла, равномерно распределенными в объеме конструкции. Ка показано в диссертации, современные конструкции отличаются большим разбросом зн чений рассеиваемой мощности источников тепла, что ограничивает область применени тепловых макромоделей (ТММ) конструкций с регулярной структурой. В диссертаци Полушкина A.B. получена ТММ для герметичного блока и одного типа функционально ячейки (ФЯ) с одним направлением распространения теплового потока и фиксированны расположением одного источника тепла, что ограничивает область применение этих р зультатов. Кроме того, эти методы не адаптированы к САПР инженерного анализа.

иссертации Шалумовой H.A. были получены ТММ только для базовых несущих конст-кций электронных модулей второго уровня и не рассмотрены ТММ электронных молей нулевого и первого уровней.

Анализ современного состояния САПР анализа тепловых режимов конструкций ЭС показывает, что задача повышения их эффективности путём разработки тепловых акромоделей является актуальной.

Выполненный в диссертации анализ особенностей конструкций современных ЭС, позволил определить самые распространённые конструкции электронных модулей улевого уровня (ЭМО) и электронных модулей первого уровня (ЭМ1), которые и стали бъектом исследования:

1. БИС и СБИС, выполненные в корпусах BGA, PGA, QFP, SOT, SOP.

2. Несущие конструкции ЭМ1, выполненные по стандарту IEEE 1101.2, VITA 30.1 VITA 20, с повышенным уровнем рассеиваемой мощности с различными системами

ондуктивного охлаждения (СКО).

Кроме того, требование обеспечения высокой эффективности САПР анализа теп-овых режимов конструкций БЭС на системном этапе проектирования приводит к необ-одимости постановки задачи анализа тепловых режимов ЭМ1, в условиях отсутствия ешения задачи компоновки, что приводит к необходимости решения задачи анализа те-лового режима для произвольного расположения источников тепла на печатной плате.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности САПР инженерного анализа теплового режима конст-укций БЭС на различных этапах проектирования путем разработки тепловых макромо-елей ЭМО и ЭМ1, обеспечивающих существенное сокращение времени анализа тегаю-ого режима конструкций БЭС при заданной точности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо ешить следующие задачи:

1. Разработать метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с иксированным расположением источников тепла, обеспечивающий возможность фор-шрования макромоделей ЭМО и несущих конструкций ЭМ1;

2. Разработать тепловые макромодели ЭМО и несущих конструкций ЭМ1 с фик сированными источниками тепла, позволяющие существенно сократить время инженер нога анализа средствами САПР конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированным расположе нием источников тепла;

3. Провести экспериментальные исследования адекватности и точности, разра ботанных ТММ ЭМО и ЭМ1, позволяющие связать время и точность анализа тепловог режима конструкций ЭМО и ЭМ1;

4. Разработать метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным рас положением источников тепла, обеспечивающий получение ТММ ЭМ1 с учетом их ме стоположения на печатной плате (ПП);

5. Разработать ТММ конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источ ников тепла, обеспечивающие существенное сокращение времени анализа теплового р жима конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла.

6. Исследовать адекватность и точность ТММ ЭМ1 с произвольным расположе нием источников тепла, позволяющие связать время и точность расчета теплового режи ма конструкций ЭМО и ЭМ1 на системном этапе проектирования;

7. Разработать метод адаптации реальных конструкций БЭС к задаче анализа и теплового режима, позволяющий упростить исходную модель, используемую в САП инженерного анализа теплового режима, и сократить время анализа теплового режим средствами САПР.

Методы исследований.

При проведении исследований использовались основы теории тепломассообмен в РЭС, теория метода конечных элементов, теория оптимизации, теория планировани экспериментов, теория математической статистики и методы статистической обработк результатов эксперимента.

Научная новизна диссертационной работы:

Научной новизной обладают следующие результаты, полученные в диссертации:

1. Метод ТММ конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источнико тепла, отличающийся от известных, возможностью оценки теплового сопротивления перегрева ЭМО и ЭМ1 в зависимости от местоположения источников тепла на ПП.

2. Тепловая макромодель несущей конструкции ЭМ1, отличающаяся от извест-ых, возможностью оценки теплового сопротивления и перегрева элементов конструк-ии в зависимости от местоположения источников тепла на ПП, а так же адаптацией

их моделей к САПР.

3. Тепловые макромодели ЭМО, отличающиеся от известных, возможностью кор-ектировки точности и времени анализа теплового режима конструкций ЭС.

4. Тепловые макромодели несущих конструкций ЭМ1 с различными СКО, отли-ающиеся от известных, возможностью учета теплоотводящего мезонина, теплоотводя-ей рамки и комбинации теплоотводящего основания и мезонина, а так же возможно-

тью корректировки точности и времени анализа теплового режима конструкций БЭС. Практическая ценность.

1. Практической ценностью обладают ТММ: ЭМО и ЭМ1 с фиксированными ис-очниками тепла; ФЯ с произвольным расположением источников тепла, позволяющие роизводить расчет конструкций РЭС в САПР при ограниченных аппаратных ресурсах, а акже снизить трудоемкость использования САПР и затраты машинного времени при асчете показателей теплового режима БЭС.

2. Алгоритм перехода от полного факторного эксперимент (ПФЭ) к дробному акторному эксперименту (ДФЭ) средствами САПР SolidWorks Simulation, позволяю-ий сократить объем вычислений при сохранении точности решения. Разработанный ал-

оритм может использоваться для решения задач механической и электрической прочно-ти средствами САПР SolidWorks.

Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты работы были использованы на предприятии ОАО "Корпорация "Фазо-он-НИИР":

- при анализе теплового режима цифровой вычислительной машины Ц501;

- при разработке системы охлаждения для блока цифрового преобразователя 181 и блока цифровой вычислительной машины Ц501, входящих в состав МБРЛС "Бу-еранг";

- при анализе теплового режима модуля передатчика.

Что подтверждено соответствующим актом использования результатов работы.

Достоверность результатов

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается: путе корректного использования основ теории тепло-массообмена в РЭС, теории метода ко нечных элементов, теории оптимизации, теории планирования экспериментов, теорт математической статистики и методов статистической обработки результатов экспери мента, апробацией результатов исследований на научно-практических конференциях результатом экспериментальных исследований с помощью САПР SolidWorks и физиче ских экспериментов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Тепловые макромодели ЭМО, адаптированные к САПР и позволяющие вычис лять тепловое сопротивление и коэффициент теплопроводности корпусов типа: PG. BGA, QFP, SOP, SOT;

2. Тепловые макромодели несущих конструкций унифицированных ЭМ1 с С К выполненных в соответствии со стандартом IEEE 1101.2, VITA 30.1 и VITA 20, позво ляющие вычислять тепловое сопротивление и коэффициенты теплопроводности несущи конструкций ЭМ1 с СКО;

3. Метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположение источников тепла, позволяющий формировать тепловые макромодели, содержащие до 1 источников тепла с учетом их произвольного расположения на печатной плате;

4. Тепловые макромодели ЭМ1 с произвольным расположением источников те ла, позволяющие вычислить величину перегрева и тепловое сопротивление между те ловым стоком и источником тепла, с учетом наведенного перегрева от соседних источ ников тепла, с учетом их произвольного расположения на ПП.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

- Международной конференции "Авиация и космонавтика 2011", Москва, МА

2011г.

- Международной молодежной конференции "XIX Туполевские чтения", Казан 24-26 мая 2011г.

- Научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ "Инно-ации в авиации и космонавтике - 2011", Москва, МАИ, 2011г.

- Научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ "Инно-ации в авиации и космонавтике - 2012", Москва, МАИ, 2012г.

- Научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ "Инно-ации в авиации и космонавтике - 2013", Москва, МАИ, 2013г.

Публикации.

Результаты диссертационной работы отражены в 10 научных работах, в том числе статьи в периодических печатных изданиях входящих в перечень ВАК, тезисах 7 док-адов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используе-ой литературы. Диссертация изложена на 137 листах основного текста, содержит 52 рисунков и 15 таблиц к основному тексту, список литературы из 86 наименований и 20 траниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формируется цель задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а акже положения, выносимые на защиту. Излагается краткое содержание работы.

В первой главе проанализированы методы теплового моделирования и САПР нженерного анализа теплового режима ЭС. Показано, что особенности конструкций со-ременных БЭС приводят к увеличению размерности задачи анализа теплового режима ЭС и, как следствие, к снижению эффективности САПР инженерного анализа. Сформу-ирована цель и задачи исследования диссертационной работы, обеспечивающие повы-ение эффективности САПР инженерного анализа.

В диссертационной работе в результате анализа были выявлены следующие осо-енности ЭМ:

1. Большой разброс геометрических размеров конструктивных элементов. Как по-азано в диссертационной работе, для ЭМ0 разброс размеров составляет два порядка,

при переходе к ЭМ1 - три порядка; для ЭМЗ разброс размеров может достигать четыре порядков.

2. Неоднородность конструкций, под которой понимаем сочетание различных ма териалов, клеевых соединений, заливок компаундами и прочее.

3. Наличие криволинейных поверхностей, под которыми понимаем наличие в ре альных конструкциях фасок, скруглений и других геометрических неровностей.

4. Разброс значений температур в пределах элемента конструкции. Как было по казано в диссертационной работе, разброс температур в пределах кристалла процессор может достигать более 60°С.

5. Разброс мощностей рассеивания источников тепла в пределах конструкции, диссертации, при анализе ЭМ1, было показано, что активные радиоэлементы, в предела одного ЭМ1, имеют разброс рассеиваемых мощностей в пределах от одного до трех п рядков.

6. Зависимость перегрева от местоположения источника тепла. В диссертаци экспериментально показано, что в зависимости от места расположения источника тепл-на ПП, разница между наилучшим и наихудшим случаем, в пределах одного ЭМ1, може достигать 54°С.

В диссертационной работе были проанализированы методы теплового моделиро вания. Проведен обзор современных САПР инженерного анализа (АшуБ, Е1сШ, СаНа, Б НсМогкв и др.). Выявлено, что рассмотренные САПР используют МКЭ и МКО для р шения широкого спектра инженерных задач. Анализ применения вышеуказанных САП показал, что особенности современных конструкций ЭС ограничивают эффективност применения данных САПР инженерного анализа. В диссертационной работе установле ны следующие причины снижения эффективности применения САПР инженерного ана лиза: разброс диапазона линейных размеров, неоднородность конструкций и наличи криволинейных поверхностей конструкций ЭМ приводит к линейному увеличению КЭ.

В свою очередь, линейное увеличение количества КЭ приводит к резкому (не ли нейному) повышению затрат машинного времени на проведение анализа теплового ре жима.

Поэтому повышение эффективности применения САПР инженерного анализа яв-яется актуальной задачей.

Для повышения эффективности анализа теплового режима конструкций БЭС редствами САПР инженерного анализа, в диссертационной работе поставлены следую-ие задачи:

- разработать метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с иксированным расположением источников тепла;

- разработать тепловые макромодели ЭМО и несущих конструкций ЭМ1 с фик-ированными источниками тепла;

- провести экспериментальные исследования адекватности и точности, разрабо-анных ТММ ЭМО и ЭМ1;

- разработать метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным распо-южением источников тепла;

- разработать тепловые макромодели конструкций ЭМ1 с произвольным распо-ожением источников тепла;

- исследование адекватности и точности ТММ ЭМ1 с произвольным расположе-шем источников тепла;

- разработать метод адаптации реальных конструкций БЭС.

Таким образом, в первой главе выявлены конструктивные особенности ЭМО, ЭМ1 \ ЭМ2 современных БЭС, такие как динамический диапазон линейных размеров конст-укций ЭМ; неоднородность конструкций; наличие криволинейных поверхностей; раз-рос значений температур в пределах элемента конструкции; разброс мощностей рассеи-ания источников тепла в пределах конструкции; зависимость перегрева от местополо-кения источника тепла. Показано снижение эффективности применения САПР инже-ерного анализа, обусловленное линейным ростом числа КЭ и нелинейным ростом вре-ени анализа теплового режима БЭС, вызванное конструктивными особенностями со-ременных БЭС. Показано снижение эффективности применения современных САПР инженерного анализа, обусловленное ростом числа КЭ и потребностью проведения анализа теплового режима конструкций ЭС на системном этапе проектирования. Сформу-

лированы цель и задачи исследования диссертационной работы, обеспечивающие повышение эффективности САПР инженерного анализа.

Во второй главе разработан метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированным расположением источников тепла; ТММ ЭМО и несущи конструкций ЭМ1 с фиксированными источниками тепла; проведены экспериментальные исследования адекватности и точности, разработанных ТММ ЭМО и ЭМ1.

Разработана методика синтеза упрощенных ТММ ЭМО и ЭМ1. ЭМО и ЭМ1, рассмотренные в этой главе, имеют общий признак - фиксированное расположение источника тепла - это позволило разработать общий алгоритм теплового макромоделирования (рисунок 1).

Методика теплового макромоделирования ЭМО и ЭМ1 может быть представлен^ следующей последовательностью:

1. Задание уровня ЭМ (нулевой или первый), тип конструкции, информация физических параметрах конструкции.

2. Анализ конструкции ЭМ. Формирование ограничений и допущений, прини маемых к конструкции.

3. Составление обобщенной ТММ, на основании допущений и ограничений.

4. Вычисление теплового сопротивления всей модели и теплового сопротивле ния всех элементов тепловой схемы. Определение коэффициентов влияния каждого эле мента конструкции.

5. Упрощение обобщенной ТММ, в соответствие с заданной погрешностью.

6. Проверка адекватности полученной упрощенной ТММ.

7. Преобразование в исходные данные для использования ТММ в САПР. Так дл использования в САПР БоНсМогкв такими выходными данными будут: количество тел описывающих модель, их габариты, коэффициенты теплопроводности тел, описываю щих модель, рассеиваемая мощность и плоскость, на которой следует задавать гранично условие типа "рассеиваемая мощность".

Рисунок 1 - Алгоритм разработки ТММ с фиксированным расположением источника

тепла

Для решения задачи разработки ТММ ЭМО были проанализированы конструкции икросхем, выполненных в корпусах PGA, BGA, QFP, SOP и SOT. Данные типы корпу-ов микросхем (MC) выбраны из-за наиболее частого их использования в современных онструкциях БЭС. Исходя из анализа конструкций корпусов ЭМО, были выявлены каналы отвода тепловой нагрузки от источников тепла. В результате для каждого типа корпусов ЭМО была составлена обобщенная ТММ. Для каждой базовой ТММ были рассчитаны тепловые проводимости всех элементов тепловой схемы и суммарная проводимость; вычислены коэффициенты влияния, т.е. доля каждого элемента тепловой цепи от результирующей тепловой проводимости. Для вышеуказанных типов корпусов ЭМО, для погрешности 10% были получены следующие макромодели (таблица 1), так же получено аналитическое выражение, описывающее полученные ТММ и выражения для вычисления значения коэффициентов теплопроводности элементов ТММ.

Таблица 1 - ТММ ЭМО

№ an Тип корпуса Структура корпуса Тепловая схема макромодели Математическое описание Представление ТММ в CAIIP ¡ SolidWorks

Модель Коэффициент теплопроводности

1. BGA F ок |Н=Ъ-| О = ОК + (7П „ anhn Я п = ---— Lxп' Lyn Л к материал крышки корпуса

'„ииПШиии'

2. QFP с ТерМООТВОДОМ OK сгкр • ото 1 Л к материал крьппки корпуса Л то материал термоог-вода

А&-1Л окр ото о - ок +--- сгкр + ото

3. QFP без термоотвода (7КН • СТОСН /1 1 \ V Я = (-+- • — VciKp С70СН/ 5кр V = ¡кр + 1кл + /осн Л к материал крьппки корпуса

Jt- V ооси оки О = (7КВ +-;- С7КН + (JOCH

4. SOP Р оке -□- — С7КН ■ (JOCH 1 Л материал корпуса

5. SOT Л' ' \ о оси окн £7КН + (JOCH

6. PGA 'и и ии иг 1 и ии и и' Р -1=1- опн ош (ТПН • (ГШ /к Я = а SK

7. ' и и и и и ymiuy' С7ПН + СТШ

Анализ адекватности ТММ ЭМО проводился путем сравнения значений, указанных в технических требованиях (Datasheet), со значениями, полученными с помощью: ТММ при расчете теплового режима, выполненным с использованием САПР SolidWorks.

Расчетные значения тепловых сопротивлений с достаточной для практического применения точностью совпали со значениями, приведенными в техническом описании;

I

Так, например, среднее значение погрешности теплового сопротивления перехода корпусу - окружающая среда составило 4,83%, а для перехода поверхность нагретой зоны - по-; верхность корпуса - 9,87%. Так же наблюдался значительный выигрыш во времени, -| среднее значение выигрыша во времени для корпусов типа QFP - 78 минут, а для BGAj корпусов составляет 124 минуты, что в процентном соотношении составляет 64,43% и| 83,91% соответственно. |

Для решения задачи разработки ТММ теплонагруженных ЭМ1 с фиксированным; расположением источников тепла были проанализированы современные ФЯ. Самым, распространенным методом эффективного охлаждения тепловыделяющих элементов и| отвода тепловых потоков от них является использование ФЯ с кондуктивным теплоотво-

ом. Кондуктивный метод охлаждения применяется в устройствах с высокой плотностью юнтажа, где невозможно организовать воздушное охлаждение. Было выделено три типа есущих конструкций теплонапряженных ЭМ1: с теплоотводящим основанием и рамкой ФЯ первого типа); с теплоотводящим мезонином (под мезонином будем понимать ме-аллическую пластину, расположенную поверх ЭМО) (ФЯ второго типа); ФЯ с теплоот-одящим основанием и мезонином (ФЯ третьего типа).

Для выбранных типов ЭМ1 проанализирована структура и составлены их тепло-ые схемы и математические описания. Для каждого типа ЭМ1, используя полученное атематическое описание, рассчитана суммарная тепловая проводимость, коэффициенты лияния каждого элемента на суммарную проводимость и рассеиваемые мощности в ка-дой ветви схемы. После чего были выбраны элементы тепловой схемы, вносящие ос-ювной вклад в результирующую тепловую проводимость, и на их основе составлены прощенные тепловые схемы.

Перегрев каждого ЭМО относительно температуры корпуса блока рассчитывался ак сумма собственного и наведенного перегревов:

¿', = 3+ Е $ 0)

где г?, - собственный перегрев 1-го ЭМО от внутренних источников тепла; /}/- наеденный тепловой перегрев на /-го ЭМО от (N-1) внешних тепловых источников.

Собственные и наведенные перегревы ЭМО рассчитывались по формулам (2) и

3):

(2)

я/ = Щ ■ Р;; (3)

где Ц - мощность, выделяемая У-ым ЭМО, Вт; - суммарная тепловая проводимость СКО от /-го ЭМО до корпуса блока, Вт/К; /?] - тепловое сопротивление между У-ым и/ым ЭМО, К/Вт; Р} - мощность, выделяемая_/-ым ЭМО, Вт.

С учетом наведенного перегрева в диссертационной работе разработаны тепловые макромодели несущих конструкций ЭМ1. Выполнен сравнительный анализ точности и эффективности разработанных тепловых макромоделей. Анализ проводился в САПР

SolidWorks Flow Simulation путем сравнения несущих конструкций реальных ЭМ1 ЭМ1, разработанных с помощью макромоделей. Анализ полученных результатов пока зал, что среднее значение перегрева на поверхности корпуса ЭМО для ФЯ первого тип составило 2,4%, для ФЯ второго типа 1% , а для ФЯ третьего типа 0,3 %.При этом сокра тились затраты машинного времени: для ФЯ первого типа на 21%, для ФЯ второго тип на 38%, а для ФЯ третьего типа на 37%.

Таким образом, во второй главе решены следующие задачи: разработан метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированным расположением источников тепла, обеспечивающий возможность формирования макромоделей ЭМ и несущих конструкций ЭМ1; разработаны тепловые макромодели ЭМО и несущих конструкций ЭМ1 с фиксированными источниками тепла, позволяющие существенно сократить время инженерного анализа средствами САПР конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированными источниками тепла: получено представление ТММ ЭМО и ТММ1 для использования в САПР SolidWorks, позволяющее существенно сократить машинное время при анализе теплового режима конструкций РЭС; экспериментальные исследования адекватности и точности, разработанных ТММ ЭМО и ЭМ1, позволяющие связать время и точность расчета теплового режима конструкций ЭМО и ЭМ1.

В третьей главе разработаны: метод теплового макромоделирования ЭМ1 с про извольным расположением источников тепла; ТММ конструкций ЭМ1 с произвольны расположением источников тепла; выполнены экспериментальные исследования адек ватности и точности ТММ ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла.

Метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположением ис точника тепла, представлен на рисунке 2 блок-схемой алгоритма.

В основе методики лежит статистический метод. Это связано с тем, что при ис пользовании аналитических методов построения ТММ с ростом количества источнико тепла происходит резкое увеличение переменных и повышается сложность оценки наве денных перегревов. Поэтому в настоящее время существуют аналитические решения этой задачи с числом источников тепла не более трех, что для практического использования является существенным ограничением.

Метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположением ис-чников тепла может быть представлен следующей последовательностью:

1. Задание исходной конструкции и погрешности ТММ.

2. На основе анализа конструкции выделяются влияющие факторы, т.е. происхо-

ит определение степеней свободы конструкции ФЯ.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма формирования ТММ с произвольным расположени-

ем источников тепла.

3. Составление матрицы планирования эксперимента. При составлении матрицы ланирования эксперимента необходимо минимизировать количество экспериментов. С той целью использовалось трехуровневое планирование эксперимента и D критерий оптимальности, суть которого заключена в том, что требуется выбирать планы, обеспечивающие минимальный объем эллипсоида рассеяния оценок коэффициентов математической модели, вычисляемых по экспериментальным данным. Так же для сокращения количества экспериментов будем использовать матрицу дробного факторного эксперимента.

4. Экспериментальное исследование с использованием САПР SolidWorks Simulation. Данная САПР позволяет за одно исследование проводить несколько расчетов с

варьируемыми переменными, например, с изменяемыми шагами установки ЭМО по ося\ X и У. Реальный эксперимент заменен на эксперимент с использованием САПР из-за за трат времени на проведение макетирования, высокой стоимости цифровых ЭМО и други факторах сопутствующих макетированию и натурным экспериментам.

5. Вычисление коэффициентов регрессии. Для повышения эффективности и точности вычисления использовалась система БТАТБИСА. Так же использование данной математической программы обусловлено тем, что в случае неоднозначности типа математического распределения, требуется произвести вычисления с помощью всех видов распределений и выбрать, то, которое имеет минимальную ошибку. Такое исследовани требует больших временных затрат, в то время как вышеуказанная система позволяв, произвести этот расчет за несколько минут.

6. С учетом заданной погрешности вычисляется значимость каждого члена уравнения регрессии.

7. Сравнение экспериментальных значений и значений, рассчитанных с помощью ТММ, выраженных системой уравнений регрессии.

Для решения задачи разработки обобщенной ТММ ЭМ1 с произвольным расположением источника тепла за основу была взята ФЯ МВЗБ/С-К - высокопроизводитель ный вычислительный модуль на базе системы на кристалле с архитектурой "Эльбрус 2С+" в конструктиве "Евромеханика-611" с СКО. Для того чтобы разрабатываемая ТМ; была обобщенной, в качестве переменных, помимо позиционирования ЭМО по осям X У, были введены следующие переменные: геометрические размеры корпусов ЭМО по ос X и У; коэффициент теплопроводности материала корпуса ЭМО; величина рассеиваемо мощности; коэффициент теплопроводности материала многослойной ПП; коэффициен теплопроводности термооснования; величина контактного сопротивления в местах пере хода ПП - клиновый зажим, клиновый зажим - корпус блока и термооснование - корпу блока.

Для сокращения количества экспериментов был выбран ДФЭ (9-4), т.е. 4 пере менных были рассмотрены как результат парного взаимодействия линейных членов. В качестве 4 реплик были взяты следующие переменные: величина рассеиваемой мощности; коэффициент теплопроводности материала многослойной ПП; коэффициент тепло

роводности термооснования; величина контактного сопротивления в местах перехода П - клиновый зажим, клиновый зажим - корпус блока и термооснование - корпус блока.

Исследование адекватности и точности проводилось по методике, изложенной в

лаве 2. В результате исследования установлено, что в зависимости от числа рассматри-

аемых факторов погрешность может меняться от 1% до 30%. При этом время анализа

окращается на 50-85%. В диссертационной работе получены две системы уравнений для

М1, позволяющие вычислять наведенные перегревы на корпуса ЭМО с погрешность

10% (формула 4) и 5% (формула 5).

ВЪ + В} ■ X} + В\ ■ Х$ + В\ ■ Х\[+# ■ Х\ + ■ XI + В1 ■ XI + В) ■ X| + В1 ■ XI + В\ • XI = У1 В1 + ВI ■ XI + В\ ■ Х\ + В| ■ Х1+В1 ■ XI + В| • XI + В1 ■ XI + В? • Хгп + В| • XI + В| • Х\ = У2 В1 + В1 ■ X? + В23 ■ Х% + в! ■ Х1+ВI ■ XI + В| ■ XI + В1 ■ XI + В73 • X] + В| • XI + В| • XI = КЗ Во + В} • X} + В\ ■ X} + В1 ■ Х$+В* •Х1 + В%-Х1+В£-Х£ + В}-Х} + В1-Х1 + В$-Х$ = У4 ; с; В| + в! ■ X? + В| • XI + В| • Х1+В% ■ XI + В| -Х1 + В1-Х1 + В1- + ■ + В;] • XI = К5 В0б + В16 ■ X? + В| • + В| • XI+В4б ■ Х% + • х! + • XI + В! ■ Х$ + B|■Xi + B|■X| = Y6

'Во1 +1?=1 в} ■ х! + Е?=11;5=1 в}, ■ хь + 15и=1 в* ■ (*2)2 = п В о + В? • X,2 + £р=1 Еу=1 Вц • Ху + Еи=1 В2 • = У2 Во + 1.Ы1 вI ■ х? + 2р=1 Еу=1 Вц • Хц + Еи=1 Вц • (^и)2 = уз ' в0* + в,4 ■ X? +1?ш1 в?, ■ 4 + Е*=1 в* ■ (Х*У = У4 ' В1 + В! ■ XI + ни 2у=1 в,7 • ХЬ + Еи=1 ви • (Хи5)2 = Г5

В6 . _1_ п6 уб I пб . ( у6"\2 _ ид

. -Л^ • ЛЦ + 1,и=1Ьи -(Ли) — ГО

где Вд-свободный член уравнения; б'-коэффициент, учитывающий линейные ффекты; коэффициент, характеризующий эффекты парного взаимодействия; В^-оэффициент, учитывающий квадратичные эффекты; — У6 - значение максимальной емпературы на поверхности корпусов МС1-МС6; Х[ и Х^ - позиционирование ЭМО на ПП по оси X и У, соответственно; Х^ и Х^ - размеры корпуса ЭМО по оси X и У, соответственно; - коэффициент теплопроводности корпуса ЭМ1; Х^ - рассеиваемая мощно-стьЭМО; Ху - коэффициент теплопроводсти материала ПП; Хд - коэффициент теплопроводности материала теплоотводящего основания; Хд - тепловое сопротивление контакта ПП - клиновый зажим; I- номер уравнения регрессии, входящего в систему уравнений.

Таким образом, в третьей главе решены следующие задачи: разработан метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, обеспечивающий получение ТММ ЭМ1 с учетом их местоположения на ПП; разработа-

ны тепловые макромодели конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источн ков тепла, обеспечивающие существенное сокращение времени анализа теплового реж ма конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла на ранних эт пах проектирования; исследована адекватность и точность ТММ ЭМ1 с произвольны расположением источников тепла, позволяющая связать время и точность расчета тепло вого режима конструкций ЭМО и ЭМ1.

В четвертой главе разработан метод адаптации реальных конструкций БЭС, по зволяющий понизить размерность решаемой задачи инженерного анализа с помощь САПР. Выполнены экспериментальные исследования, целью которых было сопоставле ние расчета теплового режима блоков БРЛС в САПР БоМШогкБ, с применением ТМ нулевого и первого уровней, с результатами физических экспериментов.

Проанализированы конструкции ЭС, выполненные в виде моделей в САПР Бо НсМогкв, выявлено влияние различных конструктивных элементов ЭМ на количество К и, как следствие, на время проведения и точность анализа теплового режима конструк ций ЭС. В результате анализа разработана последовательность упрощения реальных кон струкций ЭМ, позволяющая сократить время инженерного анализа теплового режим конструкций ЭМ при сохранении заданной точности, которая представлена на рисунке 3.

Были выполнены экспериментальные исследования тепловых режимо следующих БЭС: блок бортовой цифровой вычислительной машины Ц501 и бло цифрового преобразователя Ц181, входящих в состав МБРЛС «Бумеранг», а так ж модуля передатчика.

Рисунок 3 - Последовательность приведения подробной модели ЭМ к упрощенной Для указанных БЭС проведено экспериментальное определение температур в оответствии со схемой эксперимента представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Общая схема эксперимента Исследуемые БЭС помещались в камеру тепла и холода "ТБК-18м3". контрольные точки устанавливались термодатчики ТД 1 - ТД 11 (термодатчик ТД 1 измерял температуру внутри термокамеры). С помощью потенциометра КСП-4 данные термодатчиков автоматически отслеживались и регистрировались на милиметрово ленте, установленной внутри КСП-4. В экспериментальной установке предусмотрен возможность подключения персонального компьютера для снятия теплово характеристики с ЭМО, в конструкцию которых входят терморезисторы.

Результаты экспериментальных исследований и оценка эффективност применения ТММ ЭМО и ЭМ1, приведенны на рисунках 5-7.

На рисунке 5 представлена диаграмма, отражающая сокращение количества КЭ полученная при сравнении подробных моделей БЭС с моделями с упрощенно! конструкцией и моделями с совместным использованием упрощенных конструкций ТММ ЭМО и ЭМ1. Результатом использования упрощенной конструкции ЭМ и ТМ стало сокращение КЭ в среднем на 45% и 89%, соответственно.

г

I I

1Ш

Ц181+501 Ц501 Ц181 ПРД

Рисунок 5 - Изменение количества КЭ от уровня детализации модели

Рисунок 6 - Влияние детализации модели на время разбиения на сетку КЭ На рисунке 6 представлена диаграмма, отражающая сокращение машинного времени, требуемого для построения сетки КЭ в САПР SolidWorks Flow Simulation, полученная для описанных выше случаев. Из диаграммы следует, что использование упрощенных конструкций ЭМ позволяет сократить затраты машинного времени требуемого для разбиения на сетку КЭ в среднем на 30%, а в случае совместного использования упрощенной конструкции и ТММ ЭМО и ЭМ1 на 75%.

0 Подробная модель

и Упрощенная конструкция

Упрощенная конструкция + ТММ

9

Ц181+501 Ц501 Ц181 ПРД

Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений

На рисунке 7 представлена диаграмма отклонений температур, отражающая изменение погрешности расчета теплового режима ЭС от уровня детализации. Следует от метить, что расчет теплового режима ЭС для подробных моделей выполнен не бых вследствие остановки расчета из-за нехватки системных ресурсов, а в случае анализа теплового режима передатчика имело место принудительная остановка расчета, так ка? предполагаемое время анализа составило 11 дней. Таким образом, из диаграммы следует что снижение точности, в зависимости от уровня детализации, в среднем не превышав; 4,6% при использовании последовательного преобразования ЭМ, а в случае использова! ния ТММ ЭМО и ЭМ1 - 6,8%.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективно! сти применения теплового макромоделирования для расчета тепловых режимов РЭС.

В четвертой главе были решены следующие задачи: разработана последователь-! ность преобразования моделей ЭМ для сокращения размерности задачи; выполнены экспериментальные исследования, в результате которых сопоставлены значения температур в контрольных точках блоков БРЛС в САПР БоШШогкз, с применением ТММ ЭМО и ЭМ1, с результатами физических экспериментов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены следующие особенности конструкций современных БЭС:

- разброс геометрических размеров конструктивных элементов;

- неоднородность конструкций, под которой понимаем сочетание различных ма-риалов, клеевых соединений, заливок компаундами и прочее;

- наличие криволинейных поверхностей, под которыми понимаем наличие в ре-тьных конструкциях фасок, скруглений и других геометрических неровностей;

- разброс значений температур в пределах элемента конструкции;

- разброс мощностей рассеивания источников тепла в пределах конструкции;

- зависимость перегрева от местоположения источника тепла.

2. Показано снижение эффективности применения САПР инженерного анализа, бусловленное линейным ростом числа КЭ и нелинейным ростом времени анализа теп-ового режима БЭС, вызванное конструктивными особенностями современных БЭС.

3. Метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксирован-ым расположением источников тепла, обеспечивающий возможность формирования ткромоделей ЭМО и несущих конструкций ЭМ1;

4. Тепловые макромодели ЭМО и несущих конструкций ЭМ1 с фиксированными сточниками тепла, позволяющие существенно сократить время инженерного анализа редствами САПР конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированными источниками тепла;

5. Результаты экспериментальных исследований адекватности и точности, разра-отанных ТММ ЭМО и ЭМ1, позволяющие связать время и точность расчета теплового ежима конструкций ЭМО и ЭМ1;

6. Метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположением сточников тепла, обеспечивающий получение ТММ ЭМ1 с учетом их местоположения аПП;

7. Тепловые макромодели конструкций ЭМ1 с произвольным расположением ис-очников тепла, обеспечивающие существенное сокращение времени анализа теплового

режима конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла на ранних этапах проектирования;

8. Результаты экспериментального исследования адекватности и точности ТМ1 ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, позволяющее связать время точность расчета теплового режима конструкций ЭМО и ЭМ1;

9. Алгоритм преобразования матрицы ПФЭ в ДФЭ, позволяющий повысит эффективность применения САПР SolidWorks Simulation.

10. Метод адаптации реальных конструкций БЭС, позволяющий упростить ис ходную модель, используемую в САПР инженерного анализа теплового режима конст рукций ЮС, и сократить время анализа теплового режима средствами САПР.

11. Результаты экспериментального исследования адекватности тепловых моде лей с помощью физического эксперимента и расчета теплового режима конструкци БЭС в САПР SolidWorks, подтверждающего адекватность и эффективность разработан ных ТММ ЭМ0иЭМ1.

12. Основные результаты опубликованы в 10 научных работах и докладывалис на 5 научно-технических конференциях.

13. Результаты диссертации внедрены на предприятии ОАО «Корпорация «Фа зотрон-НИИР» при разработке БЦВМ Ц501 МБРЛС «Бумеранг» и модуля передатчик что подтверждено соответствующим актом о внедрении.

Публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Саратовский Н.В., Репнёв Д.Н., Филатова А.И., «Нелинейная дискретизаци сетки конечных элементов как метод снижения размерности тепловой модели» // «Ин формационно-измерительные и управляющие системы», №12, т.9, 2011 г., стр. 142-145.

2. Саратовский Н.В., Репнёв Д.Н., Ушкар М.Н., «Библиотека тепловых макромо делей БИС и СБИС» // «Наукоемкие технологии», №1, т.13, 2012 г., стр. 15-26.

3. Саратовский Н.В., Апухтин М.С., Репнев Д.Н., «Разработка тепловых макромо делей функциональных ячеек»// «Информационно-измерительные и управляющие сис темы», №10, т. 10, 2012 г., стр. 55-61.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

4.Саратовский Н.В., Репнёв Д.Н., Филатова А.И., «Особенности применени SolidWorks при расчёте теплового режима сложных устройств» // Сборник тезисов науч

но-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011», 2011г., стр.65.

5. Саратовский Н.В., Репнёв Д.Н., Ушкар М.Н., «Разработка библиотеки тепловых макромоделей БИС и СБИС» // Сборник тезисов научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011», 2011г., стр. 67-68.

6. Саратовский Н.В. «Тепловые макромодели БИС и СБИС» // «XIX Туполевские чтения» Международная молодежная конференция 24-26 мая 2011 года, Казань, том IV, стр. 217-218.

7. Саратовский Н.В., Репнев Д.Н., Ушкар М.Н., «Разработка макромоделей БИС и СБИС для теплового анализа конструкций РЭС» // Международная конференция "Авиация и космонавтика 2011", 8-10 ноября 2011г., Москва, МАИ, стр. 211-212.

8. Саратовский Н.В., Репнёв Д.Н., Репнёва А.И., «Особенности систем охлаждения малогабаритных PJ1C» // Сборник тезисов Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012», Москва, МАИ, 2012г., стр. 120-121.

9. Саратовский Н.В., Апухтин М.С., Репнев Д.Н., «Разработка тепловых макромоделей функциональных ячеек, выполненных в соогвегс!вии со стандартом IEEE 1101.2.» II «Сборник тезисов Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012», Москва, МАИ, 2012г., стр. 126-127.

10. Саратовский Н.В., «Тепловые макромодели функциональных ячеек с произвольным расположением источников тепла» // «Сборник тезисов Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2013», Москва, МАИ, 2013г., стр. 258.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

САРАТОВСКИЙ НИКОЛАЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ТЕПЛОВЫЕ МАКРОМОДЕЛИ КОНСТРУКЦИЙ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ САПР ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования (в электронике, радиотехнике и связи)"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Ушкар М.Н.

Москва 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

Глава 1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования..................15

1.2 Анализ методов теплового моделирования конструкций ЭС..........................25

1.3 Современные средства автоматизации анализа тепловых режимов ЭС.........32

1.4 Постановка задачи исследования........................................................................38

Глава 2 Разработка тепловых макромоделей конструкций РЭС с фиксированными источниками тепла.........................................................................................................42

2.1 Методика теплового макромоделирования электронных модулей нулевого и первого уровней с фиксированным расположением источников тепла...............42

2.2 Тепловые макромодели ЭМО...............................................................................46

2.2.1 Каналы отвода тепловой нагрузки от конструкций ЭМО...........................47

2.2.2 Разработка тепловых макромоделей ЭМО....................................................51

2.2.3 Анализ точности и адекватности ТММ ЭМО...............................................68

2.3 Тепловых макромоделиЭМ1................................................................................71

2.3.1 Каналы отвода тепловой нагрузки от конструкций ЭМ1 с фиксированным расположением источников тепла..........................................................................86

2.3.2 Разработка тепловых макромоделей ФЯ с кондуктивным теплоотводом через мезонин...........................................................................................................90

2.3.3 Тепловая макромодель ФЯ с кондуктивным теплоотводом через основание и мезонин................................................................................................92

2.3.4 Анализ точности и адекватности ТММ ЭМ1...............................................93

Глава 3 Разработка тепловых макромоделей конструкций РЭС с произвольным расположением источника тепла.................................................................................96

3.1 Определение параметров влияющих на теплопередачу в конструкциях с произвольным расположением источников тепла..................................................96

3.2 Методика разработки тепловых макромоделей моделей теплонагруженных ФЯ с произвольным расположением источников...................................................99

3.3 Разработка тепловых макромоделей теплонагруженных ФЯ с произвольным

расположением источников тепла..........................................................................107

Глава 4 Апробация результатов.................................................................................113

4.1 Адаптация реальных конструкций БЭС............ .........................................113

4.2 Описание экспериментальной установки.........................................................117

4.3 Оценка точности разработанных методик и ТММ блоков БЭС....................119

4.3.1 Оценка точности ТММ на примере модуля передатчика.........................119

4.3.2 Оценка точности ТММ на примере изделия Ц501 Ф2..............................123

4.3.3 Оценка точности ТММ на примере изделия Ц181 Ф2..............................126

4.4 Обобщенные показатели эффективности разработанных методик...............127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................132

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ..........................................................................................134

СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ......................................................................................143

Приложение А - Зависимость температуры на поверхности корпуса МС от ее

местоположения на ПП 6Uc различными типами СКО..........................................146

Приложение Б - Определение разницы температур на стороне размещения МС и

на противоположной стороне.....................................................................................151

Приложение В - Линии распространения тепловых токов в зависимости от

размещения источника тепла на плате......................................................................152

Приложении Г - Тепловая проводимость Ml 111 с металлическим основанием в

зависимости от размещения ЭРЭ на ней...................................................................153

Приложение Д - Тепловая схема макромодели ФЯ первого типа..........................154

Приложение Е - Тепловая схема ФЯ второго типа..................................................156

Приложение Ж - Тепловая схема конструкций ФЯ с СКО третьего типа.............158

Приложение И - Матрица плана В9..........................................................................160

Приложение К - Матрица плана В 9 для ФЯ с СКО 1 типа.....................................163

Приложение Л - Аналитические выражения для определения величины перегрева

на поверхности корпуса МС, с погрешностью определения 10% и 5 %...............168

Приложение М - Погрешность между аналитическим выражением и

экспериментальным.....................................................................................................171

3

Приложение Н - Места установки термодатчиков...................................................177

Приложение П - Результаты теплового моделирования..........................................180

Введение

Развитие современных бортовых электронных средств (БЭС) характеризуется следующими тенденциями:

- рост степени интеграции элементной базы БЭС. За период с 2005 по 2013гг. количество транзисторов в цифровых микропроцессорах увеличилось с 100 млн. до 2600 млн. [1]. Это обуславливает увеличение мощности, рассеиваемой микросхемами.

- рост быстродействия цифровых микросхем, таких как микропроцессоры, память и др., привел к повышению рассеиваемой ими мощности. Так, за период с 2006 по 2013гг. быстродействие микропроцессоров возросло в 5 раз, а рассеиваемая мощность увеличилась в 4,8 раза [2, 3,4].

- увеличение доли цифровых устройств в составе бортовых радиолокационных станций. Анализ бортовых радиолокационных станций (БРЛС), показал, что за период с 1995 по 2013гг. доля цифровых устройств в их составе возросла с 20% до 50% [5].

600000

500000

^ 400000

I 300000 £

§ 200000

100000 о

г

Рисунок 1 - Объем, занимаемый современными БРЛС

Эти тенденции положительным образом сказались на массогабаритных характеристиках конструкций БЭС. Сравним объем, занимаемый вертолетными многоцелевыми бортовыми радиолокационными станциями (МБРЛС), следующих современных станций: "Арбалет", "Копье-А", МБРЛС и многоцелевая радиолокационная целевая нагрузка (МРЛЦН) [6, 7, 8]. Из рисунка 1 видно, что за пе-

•-МЫ 1ЛС "Арбалет »

——-

«чрлс "Копье-А"

МБРЛС ►МРЛЦН

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

Год

риод с 1995 по 2013гг. объем, занимаемый вертолетными МБРЛС, сократился почти в 20 раз.

Вместе с тем, снижение массогабаритных характеристик современных БЭС привело к повышению объемной плотности теплового потока. Так, за период с 1995 по 2013 гг. значение объемной плотности теплового потока для вертолетных МБРЛС увеличилось в 4 раза, рисунок 2 [6, 7, 8]. Аналогичная тенденция прослеживается и для авиационных МБРЛС. Например, увеличение объемной плотности привело к усложнению систем охлаждения МБРЛС. Так в БРЛС для летательных аппаратов (ЛА) пятого поколения системы охлаждения занимают 20% объема станции.

0,025 0.020 0.015

и

е о.ою

0,005 0,000

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

Год

Рисунок 2 - Объемная плотность теплового потока современных МБРЛС Рассмотренные тенденции развития современных БЭС обуславливают актуальность задач инженерного анализа их тепловых режимов.

В настоящее время, для решения задач анализа тепловых режимов БЭС, используется широкий спектр САПР инженерного анализа, в том числе АЫ8У8, ЕЬСиТ, САТ1А, 8оПс1\¥огк8 и др. В основе большинства решателей, современных САПР, лежит представление тепловой модели системой дифференциальных уравнений, решаемой с помощью метода конечных элементов (МКЭ) или метода конечных объёмов (МКО).

Особенностью конструкций современных БЭС является то, что они имеют разнородность конструкционных материалов, большой разброс линейных размеров и многообразие форм БЭС, что обуславливает резкий рост числа конечных

МБРЛС

МРЛЦН

---"Г^ЛС "Копье -А"

МБР НС "Арбалет'

элементов (КЭ), что в свою очередь приводит к снижению эффективности САПР при решении задач анализа тепловых режимов БЭС.

В настоящее время существует два основных направления повышения эффективности САПР:

х

- динамическое управление сеткой КЭ;

- тепловое макромоделирование.

Динамическое управление сеткой КЭ широко описано в литературе, посвященной МКЭ (работы Чернявского А.О., Шимановского А.О., Путято А.В.), диссертации и статьи Репнева Д.Н. и др. В последние годы этот метод в ограниченном виде вводится в САПР инженерного анализа, например, в САПР SolidWorks Flow Simulation.

Методы теплового макромоделирования рассмотрены в работах Дульнева Г.Н., Варламова Р.Г и др. В работах Дульнева Г.Н. изложены теоретические основы и методы макромоделирования, для регулярных конструкций радиоэлектронных средств (РЭС) с источниками тепла, равномерно распределенными в объеме конструкции. Современные конструкции отличаются большим разбросом значений рассеиваемой мощности источников тепла, что ограничивает область применения тепловых макромоделей (ТММ) конструкций с регулярной структурой. В диссертации Полушкина А.В. получена ТММ для герметичного блока и одного типа функциональной ячейки (ФЯ) с одним направлением распространения теплового потока и фиксированным расположением одного источника тепла, что ограничивает область применение этих результатов. Кроме того, эти методы не адаптированы к САПР инженерного анализа. В диссертации Шалумовой Н.А. были получены ТММ только для базовых несущих конструкций электронных модулей второго уровня (ЭМ2) и не рассмотрены ТММ электронных модулей нулевого (ЭМО) и первого уровней (ЭМ1).

Анализ современного состояния САПР анализа тепловых режимов конструкций БЭС показывает, что задача повышения их эффективности путём разработки тепловых макромоделей является актуальной.

К самым распространённым конструкциям ЭМО и ЭМ1 можно отнести:

7

- БИС и СБИС, выполненные в корпусах BGA, PGA, QFP, SOT, SOP;

а) ЭМО к корпусах типа BGA - один из самых распространенных типов корпусирования микросхем [9]. Доля микропроцессоров компаний INTEL и AMD, выполненных в Koonvcax BGA, составляет 90%

[Ю];

б) ЭМО в корпусах типа QFP, SOT и SOT - способы корпусирования, применяемые, преимущественно, при количестве внешних выводов менее 256 [9, 11];

в) ЭМО в корпусах типа PGA - на данный момент в мировой электронике наблюдается спад интереса к данным типам корпусов [10], однако, на рынке отечественных микросхем с большим числом выводов PGA составляют подавляющее большинство. Так, например, процессор типа 1890 в корпусе PGA составляет 70% отечественного рынка процессоров.

- Несущие конструкции ЭМ1, выполненные по стандарту IEEE 1101.2, VITA 30.1 и VITA 20, с повышенным уровнем рассеиваемой мощности с различными системами кондуктивного охлаждения (СКО). ЭМ1, выполненные по данным стандартам, на рынке встраиваемых компьютерных технологий в области оборонных и аэрокосмических применений составляет 70% мирового рынка [12].

Исходя из вышеописанного, данные типы ЭМО и ЭМ1 стали объектом исследования в диссертационной работе.

Кроме того, требование обеспечения высокой эффективности САПР анализа тепловых режимов конструкций БЭС на системном этапе проектирования приводит к необходимости постановки задачи анализа тепловых режимов ЭМ1, в условиях отсутствия решения задачи компоновки, что приводит к необходимости решения задачи анализа теплового режима для произвольного расположения источников тепла на печатной плате.

Целью диссертационной работы является - повышение эффективности

САПР инженерного анализа теплового режима конструкций БЭС на различных

этапах проектирования путем разработки тепловых макромоделей ЭМО и ЭМ1,

8

обеспечивающих существенное сокращение времени анализа теплового режима конструкций БЭС при заданной точности.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод теплового макромоделирования конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированным расположением источников тепла, обеспечивающий возможность формирования макромоделей ЭМО и несущих конструкций ЭМ1;

2. Разработать тепловые макромодели ЭМО и несущих конструкций ЭМ1 с фиксированными источниками тепла, позволяющие существенно сократить время инженерного анализа средствами САПР конструкций ЭМО и ЭМ1 с фиксированным расположением источников тепла;

3. Провести экспериментальные исследования адекватности и точности, разработанных ТММ ЭМО и ЭМ1, позволяющие связать время и точность анализа теплового режима конструкций ЭМО и ЭМ1;

4. Разработать метод теплового макромоделирования ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, обеспечивающий получение ТММ ЭМ1 с учетом их местоположения на печатной плате (1111);

5. Разработать ТММ конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, обеспечивающие существенное сокращение времени анализа теплового режима конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла.

6. Исследовать адекватность и точность ТММ ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, позволяющие связать время и точность расчета теплового режима конструкций ЭМО и ЭМ1 на системном этапе проектирования;

7. Разработать метод адаптации реальных конструкций БЭС к задаче анализа их теплового режима, позволяющий упростить исходную модель, используемую в САПР инженерного анализа теплового режима, и сократить время анализа теплового режима средствами САПР.

Областью исследований диссертационной работы является разработка тепловых макромоделей, алгоритмов и методов анализа проектных решений анализа БЭС.

При проведении исследований использовались основы теории тепломассообмена в РЭС, теория метода конечных элементов, теория оптимизации, теория планирования экспериментов, теория математической статистики и методы статистической обработки результатов эксперимента.

Научной новизной обладают следующие результаты, полученные в диссертации:

1. Метод ТММ конструкций ЭМ1 с произвольным расположением источников тепла, отличающийся от известных возможностью оценки теплового сопротивления и перегрева ЭМО и ЭМ1 в зависимости от местоположения источников тепла на 1111;

2. Тепловая макромодель несущей конструкции ЭМ1, отличающаяся от известных возможностью оценки теплового сопротивления и перегрева элементов конструкции в зависимости от местоположения источников тепла на 1111, а так же адаптацией этих моделей к САПР;

3. Тепловые макромодели ЭМО, отличающиеся от известных возможностью корректировки точности и времени анализа теплового режима конструкций ЭС;

4. Тепловые макромодели несущих конструкций ЭМ1 с различными СКО, отличающиеся от известных возможностью учета теплоотводящего мезонина, те-плоотводящей рамки и комбинации теплоотводящего основания и мезонина, а так же возможностью корректировки точности и времени анализа теплового режима конструкций БЭС.

Практической ценностью обладают:

1. ТММ ЭМО и ЭМ1 с фиксированными источниками тепла; ФЯ с произвольным расположением источников тепла, позволяющие производить расчет конструкций РЭС в САПР при ограниченных аппаратных ресурсах, а также сни-

зить трудоемкость использования САПР и затраты машинного времени при расчете показателей теплового режима БЭС.

2. Алгоритм перехода от полного факторного эксперимент (ПФЭ) к дробному факторному эксперименту (ДФЭ) средствами САПР SolidWorks Simulation, позволяющий сократить объем вычислений при сохранении точности решения. Разработанный алгоритм может использоваться для решения задач механической и электрической прочности средствами САПР SolidWorks.

Результаты работы были использованы на предприятии ОАО "Корпорация "Фазотрон-НИИР":

- при анализе теплового режима изделия Ц501 Ф2;

- при разработке системы охлаждения изделий Ц181 Ф2 и Ц501 Ф2, входящих в состав БРЛС FHA;

- при анализе теплового режима модуля передатчика.

Что подтверждено соответствующим актом использования результатов работы.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается: путем корректного использования основ теории тепло-массообмена в РЭС, теории метода конечных элементов, теории оптимизации, теории планирования экспериментов, теории математической статистики и методов статистической обработки результатов эксперимента, апробацией результатов исследований на научно-практических конференциях и результатом экспериментальных исследований с помощью САПР SolidWorks и физических экспериментов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Тепловые макромодели ЭМО, адаптированные к САПР и позволяющие вычислять тепловое сопротивление и коэффициент теплопроводности корпусов типа: PGA, BGA, QFP, SOP, SOT;

2. Тепловые макромодели несущих конструкций унифицированных ЭМ1 с СКО, выполненных в соответствии со стандартом IEEE 1101.2, VITA 30.1 и VITA 20, позволяющие вычислять т�