Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 18
1.1. Задачи проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых воздействий 18
1.2. Анализ современных автоматизированных систем, используемых для проектирования РЭС 27
1.3. Основные задачи исследования 37
1.4. Выводы к первой главе 39
ГЛАВА 2. Моделирование тепловых процессов в произвольных конструкциях РЭС 40
2.1. Математические модели тепловых процессов 40
2.2. Алгоритм ввода конструкции 44
2.3. Алгоритм разбиения конструкции на элементарные объемы для автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций 46
2.4. Алгоритм прорисовки конструкции 48
2.5. Алгоритм автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС для стационарного режима 50
2.6. Алгоритм автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС для нестационарного режима 57
2.7. Структура входного файла расчетного ядра 60
2.8. Алгоритм вывода результатов расчета при стационарном и нестационарном режиме 65
2.9. Выводы ко второй главе 67
ГЛАВА 3. Автоматизированная подсистема моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции 69
3.1. Роль и место автоматизированной подсистемы в общей системе моделирования 69
3.2. Структура автоматизированной подсистемы 75
3.3. Входные данные автоматизированной подсистемы 77
3.4. Выходные данные автоматизированной подсистемы 86
3.5. Программная реализация подсистемы 90
3.5.1. Аппаратные требования к подсистеме 91
3.5.2. Программные требования к подсистеме 92
3.6. Оценка эффективности алгоритмов, методик и компьютерной программы 93
3.7. Выводы к третьей главе 105
ГЛАВА 4. Разработка методики моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции на ранних этапах проектирования 106
4.1. Методика моделирования тепловых процессов в РЭС произвольной конструкции 106
4.2. Вычислительные эксперименты 112
4.2.1. Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции при стационарном режиме 113
4.2.2. Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях космоса при стационарном режиме 120
4.2.3. Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции при нестационарном режиме 125
4.2.4. Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях космоса при нестационарном режиме 130
4.3. Внедрение результатов диссертационной работы 137
4.4. Выводы к четвертой главе 138
Заключение 139
Список использованных источников
- Основные задачи исследования
- Алгоритм разбиения конструкции на элементарные объемы для автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций
- Входные данные автоматизированной подсистемы
- Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции при стационарном режиме
Введение к работе
Актуальность темы. При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС) сегодня особенно остро стоит проблема обеспечения тепловых режимов.
Разрабатываемые в настоящее время РЭС имеют не только сложные алгоритмы работы, но и сложную физическую реализацию. С точки зрения анализа тепловых режимов вырисовывается следующая картина: с одной стороны, растут мощности и увеличивается плотность размещения элементов, а с другой – снижается стойкость электрорадиоизделий (ЭРИ) к тепловым воздействиям. При этом обеспечить требуемую температуру для стабильной работы РЭС, опираясь на традиционные методы проектирования, становится все сложнее.
В рамках диссертационной работы был проведен анализ имеющихся на рынке компьютерных программ, предназначенных для проведения тепловых расчетов произвольных конструкций. Таких программ достаточно много. При этом в расчет брались различные критерии сравнения, в частности, учет специфики электронной аппаратуры при моделировании тепловых процессов, наличие баз данных ЭРИ и материалов по теплофизическим параметрам, адекватность математических моделей, возможность анализа стационарных и нестационарных тепловых режимов, задаваемых в технических заданиях на разработку РЭС, и т.д. Среди известных и широко применяемых для моделирования РЭС зарубежных программных комплексов можно выделить такие, как ANSYS, COSMOS/M, BETAsoft, NeiNastran, FLOTHERM, MENTOR GRAPHICS и др.
Практика применения зарубежных компьютерных программ для проведения тепловых расчетов РЭС выявила ряд серьезных проблем: слабый учет специфики электронной аппаратуры при моделировании тепловых процессов, отсутствие баз данных ЭРИ и материалов по теплофизическим параметрам, отсутствие методического обеспечения, сложность освоения программ и построения адекватных моделей тепловых процессов РЭС и т.д. Но самое главное – сложность и высокая трудоемкость подготовки и ввода исходных данных: геометрических параметров конструкции РЭС, особенно для сложного шкафа или блока, теплофизических параметров материалов конструкции, тепловых граничных условий. Универсальность данных программ не позволяет выполнить предварительные расчеты за минимальное время и получить результаты, необходимые для принятия решения, на ранних этапах
4 проектирования РЭС, когда либо отсутствуют еще 3D-модели, либо они созданы в самом приближенном виде.
Из российских специализированных компьютерных программ моделирования тепловых процессов в РЭС стоит отметить такие, как АСОНИКА-Т, Триана, Пилот. Однако ни одна из вышеприведенных отечественных программ не позволяет производить автоматизированный синтез моделей тепловых процессов (МТП) произвольных конструкций РЭС с учетом граничных условий и осуществить автоматическое построение МТП для стационарного и нестационарного тепловых режимов с использованием графических средств автоматизации создания МТП произвольных конструкций на ранних этапах проектирования РЭС.
Над созданием автоматизированных систем моделирования тепловых процессов в РЭС работали многие советские и российские ученые. Анализу тепловых процессов в РЭС посвящены работы Дульнева Г.Н., Вермишева Ю.Х., Норенкова И.П., Шалумова А.С., Сарафанова А.В., Орлова А.В., Шалумовой Н.А., Васильчикова С.А. и некоторых других авторов. Однако в этих работах не рассматривались вопросы автоматизации синтеза МТП произвольных конструкций РЭС.
Итак, в результате проведенного анализа было выяснено, что на сегодняшний
день существующие зарубежные и отечественные программные комплексы не
позволяют осуществить автоматическое построение моделей тепловых процессов
произвольных конструкций РЭС на ранних этапах проектирования. Таким образом,
актуальной является задача разработки методического и программного обеспечения,
позволяющего производить автоматизированный синтез МТП произвольных
конструкций РЭС и моделирование тепловых режимов на ранних
этапахпроектирования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования теплонагруженных конструкций радиоэлектронных средств за счет автоматизации создания моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Проведение исследований моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС с целью определения исходных данных, необходимых для автоматизации построения МТП произвольных конструкций. Отбор минимального набора этих данных.
-
Разработка алгоритма ввода конструкции на основе импорта 3D-модели из подсистемы АСОНИКА-В, из стандартных форматов IGES и SAT, а также с помощью ручного построения геометрии.
-
Разработка алгоритма разбиения конструкции на элементарные объемы для автоматизированного синтеза МТП произвольных конструкций.
4. Разработка алгоритма прорисовки конструкции.
-
Разработка алгоритма автоматизированного синтеза МТП произвольных конструкций РЭС для стационарного теплового режима.
-
Разработка алгоритма автоматизированного синтеза МТП произвольных конструкций РЭС для нестационарного теплового режима.
-
Разработка структуры промежуточного файла между препроцессором и расчетным ядром.
-
Разработка алгоритма вывода результатов расчета при стационарных и нестационарныхтепловых режимах.
-
Определение роли и места подсистемы АВТОМАТ-Т в общей структуре системы АСОНИКА.
10. Разработка структуры автоматизированной подсистемы АВТОМАТ-Т.
11. Разработка структуры входных и выходных данных в подсистеме
АВТОМАТ-Т.
12. Программная реализация подсистемы АВТОМАТ-Т.
-
Проведение исследований по оценке эффективности алгоритмов и компьютерной программы.
-
Разработка методики моделирования тепловых процессов в РЭС произвольной конструкции.
15. Проведение вычислительных экспериментов с целью проверки
разработанных алгоритмов автоматического построения МТП произвольной
конструкции РЭС.
16. Внедрение разработанного методического и программного обеспечения в
практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.
Методы исследований. При решении поставленных задач применялись принципы системного подхода, теории тепло- и массообмена, а также объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы. При решении задач, поставленных в
диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработан алгоритм разбиения конструкции на элементарные объемы для
автоматизированного синтеза МТП произвольных конструкций РЭС, позволяющий
значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные
затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность
возникновения ошибки.
2. Разработаны алгоритмы автоматизированного синтеза моделей тепловых
процессов произвольных конструкций РЭС, позволяющие осуществить
автоматическое построение МТП для стационарного и нестационарного тепловых
режимов с использованием графических средств автоматизации создания МТП
произвольных конструкций.
3. Разработана структура автоматизированной подсистемы моделирования
тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции,
включающая специализированный графический интерфейс ввода произвольной
конструкции РЭС, импорт 3D-моделей, созданных в CAD-системах в форматах IGES
и SAT, базу данных материалов, постпроцессор для вывода результатов
моделирования и модуль автоматического построения МТП для стационарного и
нестационарного тепловых режимов.
4. Разработана методика моделирования тепловых процессов в РЭС
произвольной конструкции на ранних этапах проектирования, отличающаяся от
существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования
теплонагруженных произвольных конструкций РЭС и сократить сроки
проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации
по тепловым характеристикам.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование созданной методики и программных средств автоматизированного создания тепловых моделей произвольных конструкций РЭС позволяет повысить эффективность и сократить сроки проектирования с соблюдением требований научно-технической документации по тепловым характеристикам.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 (двенадцать) научных работ, в том числе 10 (десять) статей, 6 (шесть) из них в журналах из перечня ВАК РФ, 2 (две) статьи в иностранном журнале, 1 (одна) монография.
Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на международных и российских
7 конференциях: Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования и инфотелекоммуникационных технологий в инновационных проектах (Инноватика – 2012)» (г. Сочи, 2012 г.), Международной научной конференции «Технические науки и современное производство» (Франция, Париж, 2012 г.), Международной научной конференции «Актуальные проблемы образования» (Греция, Крит, 2012 г.), Международной научной конференции «Компьютерное моделирование в науке и технике» (ОАЭ, Дубай, 2013г.).
Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «РКК „Энергия“ имени С.П. Королева».
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.
Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, основные научные положения и результаты, а также практическая ценность и степень апробации работы.
В первой главе анализируется современное состояние проблемы и ставятся задачи исследований.
Проанализированы возможные проблемы, возникающие в процессе
проектирования РЭС с учетом тепловых режимов. В результате проведенных исследований были обнаружены факторы, усложняющие процесс моделирования тепловых процессов на ранних этапах проектирования. Эти исследования доказывают, что обеспечение эффективного моделирования тепловых процессов конструкций РЭС на ранних этапах проектирования невозможно без применения информационных технологий и специализированных средств автоматизации.
В результате анализа была определена актуальность диссертационных исследований, необходимость создания информационных технологий ранних этапов
8 проектирования РЭС с учетом тепловых воздействий. Определена потребность в разработке средств автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС. Были исследованы известные методы и средства моделирования тепловых процессов, определены их недостатки.
Проведен анализ современных отечественных и зарубежных
автоматизированных систем, используемых для проектирования РЭС в части моделирования тепловых процессов. Указаны их характеристики и основные недостатки с точки зрения применения на ранних этапах проектирования РЭС. Наиболее приемлемым вариантом является подсистема АСОНИКА-Т, входящая в систему АСОНИКА (автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры). Перечислен список подсистем, входящих в систему АСОНИКА. Указаны недостатки системы АСОНИКА, в частности, отсутствие возможности моделирования тепловых процессов в конструкциях произвольной формы.
Сформулированы основные цели и задачи диссертационных исследований.
Во второй главе разработаны алгоритмы, поддерживающие 3 варианта ввода конструкции: ручной ввод конструкции, импорт конструкции из компьютерной программы АСОНИКА-В и импорт конструкции из промежуточного формата IGES программ 3D-моделирования. Наиболее эффективным способом ввода является ввод из формата IGES. Если такой возможности нет, то придется выбирать между ручным вводом и вводом в программе АСОНИКА-В. Несмотря на то, что ручной ввод оказывается более быстрым, в пользу ввода через программу АСОНИКА-В говорит тот факт, что она является более наглядной и сразу же представляет пользователю 3D-модель конструкции, тогда как ручной ввод предполагает простое введение координат.
В расчетном ядре, для работы которого предназначены разработанные алгоритмы, заложены математические модели тепловых процессов при стационарном и нестационарном режимах, построенные на основе метода электротепловой аналогии (ЭТА). Метод ЭТА дает возможность с достаточно высокой точностью проводить исследование тепловых полей в произвольных конструкциях РЭС, учитывая при этом системы охлаждения и особенности конструкции. Метод ЭТА дает возможность представить протекающие в конструкциях РЭС тепловые процессы в виде эквивалентной электрической цепи. Эта цепь в дальнейшем подвергается анализу с применением достаточно проработанного на сегодняшний день математического
9 аппарата численного анализа электрических цепей. Такой способ математически можно осуществить путем замены дифференциальных уравнений в частных производных, которые описывают тепловые процессы в конструкциях, на уравнения в конечных разностях.
Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа при решении стационарной задачи в декартовой системе координат в применении к твердым изотропным телам имеет вид:
AV2T + qv=0 , (1)
где X - коэффициент теплопроводности материала изотропного твердого тела; V -оператор Лапласа; Т - температура; qv - удельная мощность внутренних источников энергии.
Описывающее теплообмен в элементарном теле конечно-разностное уравнение приведено в диссертационной работе к следующему виду:
fo.fc -Т0)-ах-{Т0 -Т2)]+[ау .(Г3 -Т0)-ау -(Г0 -Г4)]+
(2)
+к-(г5-г0)-а1-(г0-г6)]+а=0,
где *, y, z, имеют физический смысл и размерность (Вт/К) тепловых проводимостей между соседними элементарными объемами твердого тела по осям ОХ, ОY и OZ соответственно:
п X-Ay-Az Л-Ax-Az X-bi-Ay
G = , G = , G = , (3)
Ах у Ay Az
ТЇ - температура соседних элементарных объемов; x, y, z - размеры параллелепипедов, на которые условно разбивается твердое тело.
Конечно-разностное уравнение (1), описывающее теплообмен в элементарном объеме твердого тела, имеет аналогичное уравнение, которое записано на основе 1 -го закона Кирхгофа для суммы токов 0-го узла электрической цепи. Пример такой цепи представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 -Фрагмент электрической схемы, которая моделирует процессы теплопередачи в элементарном объеме V0
Конечно-разностное уравнение, описывающее теплообмен в элементарном объеме твердого тела, путем преобразований приведено в диссертации к следующему виду:
[сх-^-Т0)-сх^0-Т^АТг-Т0иАТ0-Ф
(4) + [аг.(Г5-Г0)-аг-(Г0-Г6)]+Є0=0,
где x = y z - тепловая проводимость от поверхности твердого тела в окружающую среду.
Разработан алгоритм разбиения конструкции на элементарные объемы для автоматизированного синтеза МТП произвольных конструкций РЭС, позволяющий значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность возникновения ошибки. Схема алгоритма представлена на рисунке 2.
Разработан алгоритм прорисовки конструкции, представляющий собой алгоритм двухмерной визуализации трехмерного объекта путем его разделения на слои. Данный алгоритм поддерживает возможность выбора слоя конструкции. Также имеется возможность определения и вывода на дисплей ЭВМ названия элемента, содержащегося в выделенном элементарном объеме, а также внутреннего уникального номера этого элементарного объема.
Разработаны алгоритмы автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС, позволяющие осуществить автоматическое построение МТП для стационарного и нестационарного тепловых режимов с использованием графических средств автоматизации создания МТП произвольных конструкций. Схема разработанного алгоритма для стационарного теплового режима представлена на рисунке 3. В диссертации подробно перечислены
11 поддерживаемые варианты охлаждения, виды теплообмена. Предусмотрен расчет для следующих вариантов охлаждения: конструкции с естественным воздушным охлаждением; конструкции, эксплуатирующиеся в вакууме; конструкции с принудительным воздушным охлаждением; конструкции с перфорацией; конструкции с теплоотводом.
Схема разработанного алгоритма для нестационарного теплового режима
представлена на рисунке 4. В диссертации подробно рассмотрены способы задания
переменной мощности, температуры и теплоемкости для элементов произвольной
конструкции РЭС. Поддерживаются 4 варианта функций: импульсная,
синусоидальная, пилообразная, сложная.
Проведен анализ структуры входного файла расчетного ядра. Математическая модель теплового процесса конструкции, которая синтезируется в результате работы разработанных в диссертационной работе алгоритмов, является входным файлом с расширением DAT для внешнего расчетного ядра. В диссертации подробно описан формат всех 4-х частей файла: 1) ключевая управляющая информация; 2) описание параметров ветвей; 3) описание таблиц; 4) описание параметров интегрирования и начальных условий.
В зависимости от того, стационарный режим или нестационарный, используется определенный алгоритм вывода результатов расчета. Текстовый вывод представляет собой построение таблицы температур. Графический вывод представляет собой представление трехмерной модели конструкции, где цветами обозначена температура элементов.
Рисунок 2 –Схема алгоритма разбиения конструкции на элементарные объемы
Температура
окружающей
среды
2 ~^~~^^V
Циклы по осям X f ^
X, Y, Z \ JT Конец Л
(перебор Ж *А подпрограммы I
элем. объемов) / V ^
Кондукция
Контактный теплообмен
Излучение
Конвекция (естественная и вынужденная)
Теплоотводящее основание
Перфорация
Источники
постоянной мощности и температуры
Рисунок 3 –Схема алгоритма построения МТП произвольной конструкции для стационарного режима
2 ^^~^^^V
Циклы по осям ^k f ^
Конец подпрограммы
X, Y, Z X jT Конец Л
(перебор Ж г\ подпрограммы I
элем. объемов) / V У
Рисунок 4 –Схема алгоритма построения МТП произвольной конструкции для нестационарного режима
В третьей главе разработана структура автоматизированной подсистемы
моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной
конструкции АВТОМАТ-Т, включающая специализированный графический
интерфейс ввода произвольной конструкции РЭС, импорт 3D-моделей, созданных в CAD-системах в форматах IGES и SAT, базу данных материалов, постпроцессор для вывода результатов моделирования и модуль автоматического построения МТП для стационарного и нестационарного тепловых режимов. Структура автоматизированной
подсистемы АВТОМАТ-Т представлена на рисунке 5. В диссертации подробно описан процесс функционирования данной подсистемы.
Исходные данные (АСОНИКА-В)
Управляющая программа
Вывод результатов(график)
Вывод результатов (3D-модель)
Вывод
результатов(таблиц
а)
I
Рисунок 5 –Структура автоматизированной подсистемы АВТОМАТ-Т
Инженер вводит исходные данные вручную, либо импортирует их из внешних программ. При ручном вводе пользователь указывает название каждого из объектов конструкции, а также его координаты. Также поддерживается импорт данных из внешних программ. Можно импортировать геометрию модели из подсистемы АСОНИКА-В. Также возможно импортировать данные из форматов SAT или IGES, которые формируются программами SolidWorks, ProEngineer и другими CAD-системами.
Прочие параметры, необходимые для построения тепловой модели, вводятся при помощи управляющей программы. Для упрощения ввода некоторых данных к системе подключается база данных АСОНИКА. Управляющая программа формирует промежуточный файл между препроцессором и расчетным ядром, в который записываются все исходные данные, и структура которого разработана в диссертации.
Затем формируется файл с математической тепловой моделью, который отправляется внешнему расчетному ядру подсистемы АСОНИКА-Т. После окончания расчета файл с результатами отправляется в управляющую программу, которая преобразует его в файл с результатами расчета.
В диссертации подробно рассмотрены структура автоматизированной системы АСОНИКА, а также роль и место автоматизированной подсистемы АВТОМАТ-Т в системе АСОНИКА.
В диссертации разработаны структуры входных и выходных данных
подсистемы АВТОМАТ-Т. Осуществлена программная реализация подсистемы
АВТОМАТ-Т. Разработаны программные модули ввода конструкции, разбиения
конструкции на элементарные объемы, прорисовки конструкции, создания
промежуточного файла между препроцессором и расчетным ядром, автоматического
построения МТП произвольных конструкций РЭС, вывода результатов расчета при
стационарном и нестационарном режиме, на базе которых реализована
автоматизированная подсистема моделирования тепловых процессов в
радиоэлектронных средствах произвольной конструкции.
Определены требования к аппаратному и программному обеспечению подсистемы АВТОМАТ-Т. При этом стоит учесть, что скорость расчета напрямую зависит от тактовой частоты процессора. Также скорость расчета зависит от того, какой размер элементарного объема (кубика) был задан пользователем (чем меньше размер кубика – тем больше их количество, тем точнее результаты расчета, но и время расчета будет увеличиваться).
Рисунок 6 – Время, необходимое для построения моделей
Проведены исследования по оценке эффективности разработанных алгоритмов и компьютерных программ. Для этого были оценены временные затраты на составление математических моделей тепловых процессов для радиатора ручным способом в программе АСОНИКА-Т и автоматическим способом с помощью программы АВТОМАТ-Т. Результаты в случае ручного построения модели тепловых процессов и
17 с помощью подсистемы АВТОМАТ-Т практически совпали. В диссертации приведены временные затраты на построение модели конструкции в АСОНИКА-Т и АВТОМАТ-Т. Приведенные данные для большей наглядности были оформлены в виде графика (рисунок 6).
График наглядно показывает, что при усложнении конструкции время на ручное построение модели теплового процесса резко возрастает. При этом время, затраченное на построение 3D-модели в АСОНИКА-В, увеличивается незначительно, а время на построение модели теплового процесса в АВТОМАТ-Т ничтожно мало.
В четвертой главе разработана методика моделирования тепловых процессов в
РЭС произвольной конструкции на ранних этапах проектирования, отличающаяся от
существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования
теплонагруженных произвольных конструкций РЭС и сократить сроки
проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации по тепловым характеристикам.
Проектирование начинается с получения технического задания, после чего инженер производит анализ конструкции. Работа с программой начинается с ввода геометрических параметров конструкции, а также параметров для теплового расчета: коэффициента теплопроводности материала, рассеиваемой на элементе мощности, температуры окружающей среды и т.д. Затем программа производит автоматическое формирование модели теплового процесса. Далее пользователь производит расчет конструкции.
Если результаты расчета не устраивают инженера (превышены допустимые
температуры), то он может принять различные меры для снижения температуры.
Предусмотрены различные варианты охлаждения: перфорация, радиатор, обдув
вентилятором, теплоотводящее основание. Расчет с учетом выбранных вариантов
охлаждения производится итерационно, циклично. Если ни один из
вышеперечисленных способов охлаждения не помог, то производится изменение конструкции: ее геометрических размеров, толщин стенок, материалов элементов конструкции и их параметров, вводятся защитные тепловые экраны или кожухи и т.д. Также возможны изменения параметров электрических схем функциональных узлов, замена ЭРИ.
Если температуры не превышают допустимых пределов и инженера устраивают результаты расчета, то дальше производится вывод результатов. В графическом виде выводится 3D-модель конструкции, на которой цветами отмечены температуры
18 поверхностей. Для нестационарного режима возможен просмотр трехмерной модели в любой момент времени. Также при нестационарном режиме расчета возможен вывод графиков изменения температуры в зависимости от времени в выбранных пользователем точках. Поддерживается текстовый вывод результатов в форме таблицы. Для каждого элемента конструкции указываются средняя температура элемента и средняя температура воздуха вокруг элемента (при нестационарном расчете – для каждого момента времени). Таблицу с результатами расчета можно сохранить для дальнейшего использования одним из трех вариантов: в виде простого текстового файла, в виде файла в формате HTML или непосредственным выводом таблицы в окно Microsoft Word.
Разработанная автором диссертации методика позволяет проводить
проектирование произвольных конструкций с учетом тепловых воздействий, что в значительной степени повышает эффективность моделирования РЭС на ранних
Рисунок 7– Результаты расчета в форме 3D-модели
этапах проектирования.
Рисунок 8– Результаты расчета в форме таблицы
Проведенные вычислительные эксперименты показали эффективность
разработанной методики моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции на ранних этапах проектирования на примерах моделирования тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции и космоса при стационарном и нестационарном режимах.
Для примера на рисунках 7 и 8 приведены результаты вычислительного эксперимента по моделированию тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях космоса при стационарном режиме.
Основные задачи исследования
В диссертации разработаны структуры входных и выходных данных подсистемы АВТОМАТ-Т. Осуществлена программная реализация подсистемы АВТОМАТ-Т. Разработаны программные модули ввода конструкции, разбиения конструкции на элементарные объемы, прорисовки конструкции, создания промежуточного файла между препроцессором и расчетным ядром, автоматического построения МТП произвольных конструкций РЭС, вывода результатов расчета при стационарном и нестационарном режиме, на базе которых реализована автоматизированная подсистема моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции.
Определены требования к аппаратному и программному обеспечению подсистемы АВТОМАТ-Т. При этом стоит учесть, что скорость расчета напрямую зависит от тактовой частоты процессора. Также скорость расчета зависит от того, какой размер элементарного объема (кубика) был задан пользователем (чем меньше размер кубика – тем больше их количество, тем точнее результаты расчета, но и время расчета будет увеличиваться).
Проведены исследования по оценке эффективности разработанных алгоритмов и компьютерных программ. Для этого были оценены временные затраты на составление математических моделей тепловых процессов для радиатора ручным способом в программе АСОНИКА-Т и автоматическим способом с помощью программы АВТОМАТ-Т. Результаты в случае ручного построения модели тепловых процессов и с помощью подсистемы АВТОМАТ-Т практически совпали. В диссертации приведены временные затраты на построение модели конструкции в АСОНИКА-Т и АВТОМАТ-Т, которые показывают, что при усложнении конструкции время на ручное построение модели теплового процесса резко возрастает. При этом время, затраченное на построение 3D-модели в АСОНИКА-В, увеличивается незначительно, а время на построение модели теплового процесса в АВТОМАТ-Т ничтожно мало.
В четвертой главе разработана методика моделирования тепловых процессов в РЭС произвольной конструкции на ранних этапах проектирования, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования теплонагруженных произвольных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации по тепловым характеристикам.
Проектирование начинается с получения технического задания, после чего инженер производит анализ конструкции. Работа с программой начинается с ввода геометрических параметров конструкции, а также параметров для теплового расчета: коэффициента теплопроводности материала, рассеиваемой на элементе мощности, температуры окружающей среды и т.д. Затем программа производит автоматическое формирование модели теплового процесса. Далее пользователь производит расчет конструкции.
Если результаты расчета не устраивают инженера (превышены допустимые температуры), то он может принять различные меры для снижения температуры. Предусмотрены различные варианты охлаждения: перфорация, радиатор, обдув вентилятором, теплоотводящее основание. Расчет с учетом выбранных вариантов охлаждения производится итерационно, циклично. Если ни один из вышеперечисленных способов охлаждения не помог, то производится изменение конструкции: ее геометрических размеров, толщин стенок, материалов элементов конструкции и их параметров, вводятся защитные тепловые экраны или кожухи и т.д. Также возможны изменения параметров электрических схем функциональных узлов, замена ЭРИ. Если температуры не превышают допустимых пределов и инженера устраивают результаты расчета, то дальше производится вывод результатов. В графическом виде выводится 3D-модель конструкции, на которой цветами отмечены температуры поверхностей. Для нестационарного режима возможен просмотр трехмерной модели в любой момент времени. Также при нестационарном режиме расчета возможен вывод графиков изменения температуры в зависимости от времени в выбранных пользователем точках. Поддерживается текстовый вывод результатов в форме таблицы. Для каждого элемента конструкции указываются средняя температура элемента и средняя температура воздуха вокруг элемента (при нестационарном расчете – для каждого момента времени). Таблицу с результатами расчета можно сохранить для дальнейшего использования одним из трех вариантов: в виде простого текстового файла, в виде файла в формате HTML или непосредственным выводом таблицы в окно MicrosoftWord.
Разработанная автором диссертации методика позволяет проводить проектирование произвольных конструкций с учетом тепловых воздействий, что в значительной степени повышает эффективность моделирования РЭС на ранних этапах проектирования. Для проверки разработанной методики проведена серия вычислительных экспериментов. Проведенные вычислительные эксперименты показали эффективность разработанной методики моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции на ранних этапах проектирования на примерах моделирования тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции и космоса при стационарном и нестационарном режимах.
Алгоритм разбиения конструкции на элементарные объемы для автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций
Многие российские и иностранные компании занимаются разработкой САПР в приборостроении и радиоэлектронике. Наиболеепопулярныеиностранныекомпьютерныесистемы, предназначенныедляавтоматизацииконструированияэлектронныхприборов: ESATAN, BlueRidgeNumeric, ESC(ElectronicSystemCooling) иTMGThermalAnalysis, FLOTHERM 2.0, SOLVIA, SystemsImprovedNumericalDifferencingAnalyzer (SINDA), ThermalAnalysisSystem (TAS), TAKIII(ThermalAnalysisKitIII), ThermalRadiationAnalyzerSystem (TRASYS),WinTherm, BETAsoft-System.
Указанные выше компьютерные системы используются для проведения анализа нестационарных и стационарных тепловых расчетов в произвольных конструкциях радиоэлектронных средств. FLOTHERM – является наиболее популярной в мире системой теплового анализа электронной аппаратуры[79]. Автором программы является фирма Flomerics. Данная компьютерная программа несет в себе функциональный графический интерфейс пользователя, который основан на большом числе динамически скрепленных окон, что снижает сложность при вводе тепловой модели, ее описания и организации с целью повторного применения на более поздних этапах проектирования. FLOTHERM внедряет подход к управлению данных, применяя как иерархическое представление структур данных в окне Менеджера Проекта (ProjectManager), так и более привычные геометрические виды в окнах Описания геометрии платы и
Визуализации (DrawingBoard, Visualization).Используя динамическое взаимодействие между данными окнами, инженер имеет доступ к обширным функциональным возможностям, нацеленным на снижение трудозатрат при управлении данными в сложных современных задачах анализа. Программа дает пользователю большое количество средств при помощи окна описания геометрии платы, облегчающего введение геометрических параметров изделия:
Большое количество применяемых в РЭС конструктивных элементов -типовые и определяются относительно небольшим количеством параметров. Допустим, для описания радиатора достаточно указать размеры и число ребер, а также размер основания. Сокращение числа вводимых параметров приводит к уменьшению временных затрат на создание модели и снижает вероятность ошибки. Программа FLOTHERMнесет в себе набор типовых объектов, предназначенных для быстрого ввода тепловых моделей произвольных конструкций. Инженер указывает нужные параметры, и программа создает необходимую модель. В данной программе типовые объекты применяются для следующих конструкций:
Программа дает возможность выполнять моделирование нестационарных и стационарных аэродинамических и тепловых процессов в радиоэлектронных средствах. FLOTHERMсовершает полное трехмерное решение уравнений Навье-Стокса, описывающих процессы течения жидкости и теплопередачи. При этом учитываются такие эффекты: тепловое излучение неоднородность тепловой проводимости по разным координатным осям; воздушная вязкость; вынужденная и естественная конвекция; эффекты плавучести; турбулентность.
Моделирование реализуется при помощи метода конечных элементов. Изделие при этом автоматически разбивается на элементы с применением высокоэффективной сетки, дающей возможность выполнять анализ с высокой скоростью и низкими затратами памяти.
Также FLOTHERMавтоматически проводит вычисление коэффициента облученности для выбранных поверхностей, учитывая при этом многократное отражение между поверхностями, полное или частичное затенение.
BETASoft-System позволяет моделировать температурные режимы объемных конструкций - шкафов, блоков, электронных модулей [80]. При этом она учитывает большое количество физических эффектов: температуру окружающей среды, движение теплого воздуха вверх с учетом силы тяжести, силу ветра, препятствия на пути воздушного потока, солнечное излучение, а также наличие контакта с крепежными устройствами. При моделировании печатных узлов учитывается плотность расположения ЭРИ, их высота, предельные температуры переходов, типичное температурное состояние, а также мощность рассеивания каждой платы.
TMG ThermalAnalysis - это программа, предназначенная для всестороннего моделирования процессов теплопередачи и обеспечивающая получение быстрого и точного результата для сложных тепловых задач[81, 82]. Программа дает возможность выполнять моделирование переходных и нелинейных процессов теплопередачи, куда входят излучение, кондукция, поток жидкости и изменение фазы, вынужденная и свободная конвекция.
ESC (ElectronicSystemCooling) - компьютерная программа, способная решать задачи 3 D-моделирования жидкостных потоков в радиоэлектронных системах [83, 84]. Она позволяет выполнять моделирование как отдельных элементов и устройств (печатные узлы, интегральные микросхемы), так и сложных РЭС, используя одну полную модель. Данная система дает возможность выполнять оптимизацию расположения компонентов с наиболее высокой температурой, определять местоположение и размеры вентиляторов, проводить оптимизацию размеров и формы радиаторов с целью улучшения конвективной теплоотдачи.
Программа ESCимеет связь с TMG, что позволяет эффективно и быстро выполнять анализ конструкции РЭС на тепловое воздействие, давая возможность поднять качество производимой продукции.
ESCи TMGработают на основе метода конечных разностей с произвольными элементарными ячейками с целью эффективного числового моделирования процессов теплопередачи. Геометрия определяет тип элементарной ячейки, в случае модификации геометрии ячейка автоматически обновится.
Входные данные автоматизированной подсистемы
При построении МТП блоков РЭС необходимо рассмотреть все возможные виды тепловых взаимодействий и все возможные варианты охлаждения. Предусмотрен расчет для следующих вариантов охлаждения: – конструкции с естественным воздушным охлаждением; – конструкции, эксплуатирующиеся в вакууме; – конструкции с принудительным воздушным охлаждением (продув воздуха между печатными узлами блока); – конструкции с перфорацией; – конструкции с теплоотводом. Режим работы блоков РЭС может быть стационарный (не зависящий от времени) и нестационарный (тепловые процессы зависят от времени), поэтому при построении МТП необходимо учесть оба варианта.
Для построения МТП будем считать, что объем каждого элементарного объема (кубика) изотермичен.
Возможность задания перфорации корпуса конструкции. Указывается общая площадь отверстий, а также скорость воздушного потока. Площадь перфорации делится на количество кубиков воздуха, и к каждому из кубиков подключается ветвь перфорации с таким значением площади.
Возможность задания источника постоянной мощности для данного элемента конструкции. Мощность тепловыделения всего элемента конструкции делится на количество кубиков, на которые этот элемент разбит. Конец подпрограммы
ПостроениеМТП длястационарногорежима ) Рис. 2.7. Схема алгоритма построения МТП произвольной конструкции для стационарного режима (начало) Рис. 2.8. Схема алгоритма построения МТП произвольной конструкции для стационарного режима (продолжение) Рис. 2.9. Схема алгоритма построения МТП произвольной конструкции для стационарного режима (окончание) Блок 22. Возможность задания источника постоянной температуры для данного элемента конструкции. Каждому кубику, на которые поделен элемент конструкции, подключается источник постоянной температуры, значение этой температуры равно температуре элемента конструкции.
В диссертационной работе разработана схемаалгоритма автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов произвольных конструкций РЭС для нестационарного режима. Она представлена на рис. 2.10. Рассмотрим алгоритм более подробно. Блок 1. Возможность задания температуры окружающей среды, зависящей от времени. Задается при помощи функции или таблицы. Блок 2. Задается цикл по оси X, в котором конструкция просматривается по длине с шагом, равным стороне элементарного объема. Блок 3. Задается цикл по оси Y, в котором конструкция просматривается по глубине с шагом, равным стороне элементарного объема. Блок 4. Задается цикл по оси Z, в котором конструкция просматривается по высоте с шагом, равным стороне элементарного объема. Блок 5. Возможность задания для данного элемента конструкцииисточника мощности, зависящего от времени. Задается при помощи функции или таблицы. Мощность тепловыделения всего элемента конструкции делится на количество элементарных объемов (кубиков), на которые этот элемент разбит. Блок 6. Возможность задания для данного элемента конструкцииисточника температуры, зависящего от времени. Задается при помощи функции или таблицы. Каждому элементарному объему, на которые поделен элемент конструкции, подключается источник температуры, зависящей от времени. Блок 7. Возможность задания для данного элемента конструкции вычисляемой теплоемкости.
Моделирование тепловых процессов шкафа произвольной конструкции в условиях естественной конвекции при стационарном режиме
После ввода всех данных о геометрических и тепловых параметрах конструкции и условиях эксплуатации по разработанным автором диссертационной работы алгоритмам компьютерная программа производит автоматическое формирование модели теплового процесса (МТП), протекающего в конструкции
Далее пользователь производит расчет конструкции. Для проведения расчета используется готовая программа, созданная сторонними разработчиками (имя файла CHPAR.EXE). Инженер должен определиться с типом расчета – стационарный или нестационарный. Нестационарный режим, в отличие от стационарного, позволяет получить изменения температуры во времени, однако проведение такого расчета требует большего процессорного времени.
Если результаты расчета не устраивают инженера (превышены допустимые температуры), то он может принять различные меры для снижения температуры (блок 11–21).Если температуры не превышают допустимых пределов и инженера устраивают результаты расчета, то дальше производится вывод результатов (блок 22–29).
Анализ функций параметрической чувствительности (ФПЧ) или целесообразности применения систем охлаждения. Для того чтобы предпринять какие-либо действия для снижения температуры конструкции, нужно знать, какие параметры больше всего на это влияют. Для этого проводится анализ функций параметрической чувствительности. Зная условия эксплуатации и особенности конструкции, пользователь может сам решить, какие системы охлаждения целесообразно применить. Блок 12–17. Предусмотрены различные варианты охлаждения: перфорация (блок 14), радиатор (блок 15), обдув вентилятором (блок 16), теплоотводящее основание (блок 17). Расчет с учетом выбранных вариантов охлаждения производится итерационно, циклично. Предусмотрена возможность выбора не одного способа охлаждения, а комбинирование вышеперечисленных способов. Для этого результаты применения предыдущих способов охлаждения по желанию пользователя (блок 12) сохранить в файл (блок 13). Блок 18. Если ни один из вышеперечисленных способов охлаждения не помог, то производится изменение конструкции одним из возможных способов (блок 19–23). Блок 19. Внесение изменений в ТЗ. Блок 20. Выбор нового варианта структурной схемы конструкции. Блок 21. Внесение изменений в геометрию конструкции. Можно изменять такие параметры, какгеометрические размеры конструкции, 110 толщину стенок, материалы элементов конструкции и их параметры, вводить защитные тепловые экраны или кожухи и т.д. Блок 22. Выбор нового варианта электрической схемы функциональных узлов. Блок 23. Изменение параметров электрических схем функциональных узлов, замена ЭРИ. Блок 24. В графическом виде выводится 3D-модель конструкции, на которой цветами обозначены температуры поверхностей. Данный вид вывода результатов расчета предусмотрен как для стационарного, так и для нестационарного режима. Для нестационарного режима возможен просмотр трехмерной модели в любой момент времени.
Также при нестационарном режиме расчета (блок 25) возможен графический вывод в виде графиков изменения температуры во времени в выбранных пользователем точках (блок 26).
Поддерживается текстовый вывод результатов в форме таблицы. Для каждого элемента конструкции указываются средняя температура элемента и средняя температура воздуха вокруг элемента (этот параметр может использоваться в дальнейшем при более тщательном анализе печатного узла в других компьютерных программах). При нестационарном расчете эти параметры указываются для каждого момента времени. При этом результаты могут, в зависимости от выбора пользователя, сортироваться как по времени, так и по элементам.
Таблицу с результатами расчета можно сохранить для дальнейшего использования (например, для включения в отчет) (блок 28). Пользователь может выбрать наиболее удобный для него способ сохранения результатов расчета – в виде простого текстового файла (блок 29), в виде файла в формате HTML (который без проблем открывается в текстовом редакторе MicrosoftWord и может затем быть сохранен в формате DOCилиDOCX) (блок 30), а также непосредственный вывод таблицы в окно MicrosoftWord (блок 31).
