Выпуск #7/2015
А.Сарафанов, В.Воловиков
Применение параметризированных моделей и макромоделей тепловых процессов конструкций РЭА в рамках программного комплекса ТРиАНА
Применение параметризированных моделей и макромоделей тепловых процессов конструкций РЭА в рамках программного комплекса ТРиАНА
Просмотры: 1033
Описаны методические аспекты исследования тепловых характеристик РЭА при помощи программного комплекса ТРиАНА с применением параметризированных фрагментов моделей, макромоделей и моделей тепловых процессов отдельных узлов и законченных конструкций РЭА.
Теги: asonika cad of electronic equipment method of electronic equipment thermal simulation method of thermal conditions analysis thermal study of electronic equipment triana thermal simulation software автоматизированное проектирование электронного оборудования метод анализа термических условий метод теплового симулирования электронного оборудования программные средства теплового моделирования термическое изучение электронного оборудования
П
ечатные узлы различного конструкторско-технологического исполнения почти всегда являются сборочными единицами нижнего уровня в составе стоечных конструкций или блоков РЭА. Соответственно, современные программные средства, предназначенные для исследования их тепловых характеристик (ТХ), в качестве исходных данных требуют информации об условиях охлаждения, определяемых тепловыми характеристиками структур следующего уровня конструктивной иерархии – стоек, крейтов, блоков, – в состав которых входят исследуемые печатные узлы. Получить ТХ печатных узлов можно при помощи специализированных программных средств (Sauna, FloTHERM, CoolItPCB, BETAsoft, PCAnalyze, Qfin и др. [1]). Однако применение ряда этих пакетов – в частности, FloTHERM, CoolItPCB, BETAsoft, Qfin – для получения ТХ конструкций более высокого уровня иерархии, особенно в нетиповом исполнении, носит ограниченный характер или приводит к значительным временнґым затратам. Это связано с тем, что уровень автоматизации формирования тепловых моделей в этих программных средствах недостаточно высок по сравнению с аналогичными средствами, имеющимися сегодня для анализа ТХ печатных узлов. Такая ситуация объясняется низким уровнем формализации конструкций верхних уровней иерархии, реализуемых в алгоритмах программ-синтезаторов МТП. В первую очередь это касается блоков с нерегулярной компоновкой конструктивными узлами и обособленными элекрорадиоэлементами (ЭРЭ). В результате, когда для таких блоков выполняется поисковое проектирование с рассмотрением нескольких вариантов их конструкторско-технологической реализации, формирование для них математических моделей тепловых процессов требует больших временнґых затрат, а в ряде случаев не позволяет сформировать корректную МТП для проведения последующих исследований.
Авторы статьи в составе коллектива разработчиков ПК ТРиАНА провели с его применением и привлечением других программных средств достаточно большое количество исследований тепловых характеристик отечественных образцов РЭА различного исполнения, в том числе морского, авиационного и космического базирования [1‒3, 5, 6]. Некоторые наиболее типовые проектные задачи, в рамках которых проводились эти работы, приведены в таблице. Используемая при этом схема иерархического процесса исследования ТХ средствами математического моделирования показана на рис.1.
На основании полученного опыта был разработан и реализован в графическом редакторе ПК ТРиАНА [1] метод параметризации топологических МТП с возможностью формирования библиотечных элементов в виде параметризованных макромоделей (упрощенная МТП со сосредоточенными параметрами), фрагментов МТП (часть МТП, например, кассета в крейте) или МТП конструкции РЭА в целом. При этом в качестве переменных параметров в таких моделях выступают математические зависимости, описывающие геометрические и теплофизические данные, которые могут легко меняться в рамках различных вариаций в процессе проводимых исследований. Это значительно повышает уровень автоматизации формирования МТП высших уровней конструктивной иерархии РЭА, сокращая время на разработку и описание МТП, а также на синтез МТП из библиотечных элементов в процессе поискового проектирования конструкции РЭА, обеспечивающей заданный (в техническом задании) тепловой режим.
Процесс формирования, например, фрагмента параметризованной МТП связан с выполнением процедуры дефрагментации полного графа МТП. При этом в качестве критериев могут выступать, в частности, повторяющиеся группы компонентов МТП (характерно для регулярных структур), их функциональная (фрагмент может объединять МТП нескольких конструктивных узлов и элементов РЭА, на которых реализуются функциональный узел РЭА) или конструктивная завершенность (в общей модели РЭА выделяются МТП конструктивных узлов или конструкции в целом) и т. п.
Схема разработанного метода представлена на рис.2.
Первичные параметры топологических моделей (ТМ), применяемые в ПК ТРиАНА [1], определяют геометрию конструктивных элементов и физические свойства конструкционных материалов РЭА. Согласно методу, их описание (в графическом редакторе ПК ТРиАНА – MTPEditor [1]) может выполняться не в числовом виде, а в виде функций, аргументами которых являются параметры – арифметические, тригонометрические выражения и т. п. На их основе вычисляются (в MTPEditor), в конечном итоге, числовые значения, которые затем используются для расчета тепловых проводимостей ветвей ТМ в математическом ядре ПК ТРиАНА (triana [1]). Сформированные таким образом в графическом редакторе МТП (GT) хранятся в специальных библиотеках в виде типовых формализованных структур, которые отражают определенные конструкторско-технологические решения РЭА с точки зрения обеспечения ТХ.
Исследование ТХ РЭА в процессе решения различных проектных задач (см. табл.1) требует применения в ряде случаев различных по структуре МТП, которые могут быть представлены в виде совокупности определенных фрагментов МТП (фрагментов моделей, макромоделей и моделей в целом) тепловых процессов с их параметрическим описанием (GT). Такое описание, как отмечалось выше, позволяет постоянно хранить в библиотеках созданные структуры, выполнять их "сборку" в различные композиции, а после первичного определения геометрических параметров конкретного узла или всей конструкции анализируемой РЭА (Es), используя значения ее первичных параметров, переходить к автоматическому вычислению необходимых компонентов топологических моделей на основе используемых функций (ϕi, i = 1, n). Структура общей (результирующей) модели может "собираться" из различных фрагментов, что позволяет разработчику исследовать характеристики тепловых процессов сложных нетиповых конструкций РЭА, состоящих из множества типовых и нетиповых конструктивных узлов. "Сборка" таких моделей может осуществляться при помощи дополнительных компонентов топологических моделей, имеющих также параметрическое описание. Дополнительные элементы, в общем случае, моделируют способы крепления конструктивных элементов в блоке и (или) дополнительные условия охлаждения, например, локальные (тепловые трубы, элементы Пельтье, тепловые шины и т. п.).
На рис.3а и рис.3б приведены примеры параметризированной МТП стойки аппаратуры цифровой обработки сигналов морского базирования. Стойка имеет воздушно-водяное охлаждение. Для проведения исследований ТХ, связанных с выяснением допустимых мощностей тепловыделений в печатных узлах, а также с определением ряда конструктивных решений и выбором параметров теплоносителей, была выполнена параметризация МТП. На рис.3а приведен пример описания одной из ветвей топологической модели через комплекс параметров, а на рис.3б – процесс определения численных значений для параметров, используемых при исследовании ТХ стойки с конкретными размерами, мощностями тепловыделения и условиями охлаждения.
На рис.3в приведены МТП, сформированные на основе параметризированных макромоделей тепловых процессов. Первая МТП разработана для системы жидкостного охлаждения спутниковой аппаратуры. Основой системы служит термостатическая плита, макромодель которой приведена на том же рисунке. Вторая МТП представляет собой макромодель корпуса (кожуха) РЭА, в которой каждая панель (грань) является изотермической. На модели также отражаются ветви, описывающие граничные условия (gтдоп на рис.2).
Описанный выше метод реализуется в блоках 2.1–2.3 формализованного процесса, приведенного на рис.1. Процедуры, связанные с формализацией исследуемой конструкции, последующей разработкой и параметризацией МТП или ее фрагмента или макромодели, а также дальнейшее ее применение в виде библиотечного элемента были интегрированы в состав методического обеспечения ПК ТРиАНА [1]. Подробное описание методического обеспечения ПК ТРиАНА для исследования ТХ РЭА средствами математического моделирования, в том числе в виде функций IDEF0-диаграммы, приведено в [1].
Применение аппарата параметризации для описания компонент фрагмента, модели в целом или макромодели тепловых процессов позволяет максимально повысить универсальность МТП при последующем ее применении. При таком подходе в библиотеках можно хранить структуры типовых фрагментов МТП, не привязанные ни к каким числовым значениям геометрических и теплофизических параметров. Эти параметры – геометрические размеры, теплофизические свойства материалов, рассеиваемые мощности и температуры, задающие граничные и начальные условия, – определяются при исследовании конкретных конструкций РЭА (см. пример на рис. 3б). В целом аппарат параметризации значительно повышает эффективность поискового проектирования, когда в процессе синтеза разрабатываемого конструктива исследуется несколько вариантов конструкторско-технологической реализации РЭА. Для полученных в итоге исследований параметризованных МТП целесообразно проводить процедуры аттестации, позволяющие повысить точность инженерных расчетов при создании новых образцов РЭА.
Литература
1. Исследование тепловых характеристик РЭА с применением программного комплекса ТРиАНА [Электронный ресурс] : Воловиков В.В., Дектерев М.Л., Кофанов Ю.Н. и др. / Под ред. Ю.Н.Кофанова, А.В.Сарафанова. – Версия 1.0. – Электрон. дан. (23 Мб). – М.: ДМК Пресс, 2014. – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; привод DVD; операционная система Microsoft Windows XP / Vista / 7 / 8 ; Adobe Reader 9.0 или выше (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). № гос.регистрации в НТЦ "Информрегистр" 0321401843.
2. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств / В.В.Жаднов, А.В.Сарафанова. – М.: СОЛОН, 2004. 350 с.
3. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография / Гольдин В.В., Журавский В.Г., Кофанов Ю.Н. и др.; Под ред. А.В.Сарафанова. – М.: Радио и связь, 2003. 456 с.
4. Сарафанов А.В. Метод синтеза моделей тепловых процессов блоков бортовой радиоэлектронной аппаратуры / Сарафанов А.В., Трухин А.А., Тюкачев М.В. // Качество. Инновации. Образование: науч.-техн. журн. 2008. № 7. С. 64–68.
5. Воловиков В.В. Моделирование теплового сопротивления при вынужденном конвективном теплообмене в каналах конструкций радиоэлектронной аппаратуры / Воловиков В.В., Сарафанов А.В. // Информационные технологии: Ежемесячный теоретический и прикладной науч.-техн. журн. Новые технологии. 2012. № 2. С. 44–48.
6. Сунцов С.Б. Инженерный анализ при сквозном автоматизированном проектировании радиоэлектронной аппаратуры модульной ракетно-космической техники / Сунцов С.Б., Климкин О.А., Сарафанов А.В., Фень А.М., Худоногов Д.Ю. // Технология машиностроения: науч.-техн. журн. 2011. № 5. С. 25–27.
ечатные узлы различного конструкторско-технологического исполнения почти всегда являются сборочными единицами нижнего уровня в составе стоечных конструкций или блоков РЭА. Соответственно, современные программные средства, предназначенные для исследования их тепловых характеристик (ТХ), в качестве исходных данных требуют информации об условиях охлаждения, определяемых тепловыми характеристиками структур следующего уровня конструктивной иерархии – стоек, крейтов, блоков, – в состав которых входят исследуемые печатные узлы. Получить ТХ печатных узлов можно при помощи специализированных программных средств (Sauna, FloTHERM, CoolItPCB, BETAsoft, PCAnalyze, Qfin и др. [1]). Однако применение ряда этих пакетов – в частности, FloTHERM, CoolItPCB, BETAsoft, Qfin – для получения ТХ конструкций более высокого уровня иерархии, особенно в нетиповом исполнении, носит ограниченный характер или приводит к значительным временнґым затратам. Это связано с тем, что уровень автоматизации формирования тепловых моделей в этих программных средствах недостаточно высок по сравнению с аналогичными средствами, имеющимися сегодня для анализа ТХ печатных узлов. Такая ситуация объясняется низким уровнем формализации конструкций верхних уровней иерархии, реализуемых в алгоритмах программ-синтезаторов МТП. В первую очередь это касается блоков с нерегулярной компоновкой конструктивными узлами и обособленными элекрорадиоэлементами (ЭРЭ). В результате, когда для таких блоков выполняется поисковое проектирование с рассмотрением нескольких вариантов их конструкторско-технологической реализации, формирование для них математических моделей тепловых процессов требует больших временнґых затрат, а в ряде случаев не позволяет сформировать корректную МТП для проведения последующих исследований.
Авторы статьи в составе коллектива разработчиков ПК ТРиАНА провели с его применением и привлечением других программных средств достаточно большое количество исследований тепловых характеристик отечественных образцов РЭА различного исполнения, в том числе морского, авиационного и космического базирования [1‒3, 5, 6]. Некоторые наиболее типовые проектные задачи, в рамках которых проводились эти работы, приведены в таблице. Используемая при этом схема иерархического процесса исследования ТХ средствами математического моделирования показана на рис.1.
На основании полученного опыта был разработан и реализован в графическом редакторе ПК ТРиАНА [1] метод параметризации топологических МТП с возможностью формирования библиотечных элементов в виде параметризованных макромоделей (упрощенная МТП со сосредоточенными параметрами), фрагментов МТП (часть МТП, например, кассета в крейте) или МТП конструкции РЭА в целом. При этом в качестве переменных параметров в таких моделях выступают математические зависимости, описывающие геометрические и теплофизические данные, которые могут легко меняться в рамках различных вариаций в процессе проводимых исследований. Это значительно повышает уровень автоматизации формирования МТП высших уровней конструктивной иерархии РЭА, сокращая время на разработку и описание МТП, а также на синтез МТП из библиотечных элементов в процессе поискового проектирования конструкции РЭА, обеспечивающей заданный (в техническом задании) тепловой режим.
Процесс формирования, например, фрагмента параметризованной МТП связан с выполнением процедуры дефрагментации полного графа МТП. При этом в качестве критериев могут выступать, в частности, повторяющиеся группы компонентов МТП (характерно для регулярных структур), их функциональная (фрагмент может объединять МТП нескольких конструктивных узлов и элементов РЭА, на которых реализуются функциональный узел РЭА) или конструктивная завершенность (в общей модели РЭА выделяются МТП конструктивных узлов или конструкции в целом) и т. п.
Схема разработанного метода представлена на рис.2.
Первичные параметры топологических моделей (ТМ), применяемые в ПК ТРиАНА [1], определяют геометрию конструктивных элементов и физические свойства конструкционных материалов РЭА. Согласно методу, их описание (в графическом редакторе ПК ТРиАНА – MTPEditor [1]) может выполняться не в числовом виде, а в виде функций, аргументами которых являются параметры – арифметические, тригонометрические выражения и т. п. На их основе вычисляются (в MTPEditor), в конечном итоге, числовые значения, которые затем используются для расчета тепловых проводимостей ветвей ТМ в математическом ядре ПК ТРиАНА (triana [1]). Сформированные таким образом в графическом редакторе МТП (GT) хранятся в специальных библиотеках в виде типовых формализованных структур, которые отражают определенные конструкторско-технологические решения РЭА с точки зрения обеспечения ТХ.
Исследование ТХ РЭА в процессе решения различных проектных задач (см. табл.1) требует применения в ряде случаев различных по структуре МТП, которые могут быть представлены в виде совокупности определенных фрагментов МТП (фрагментов моделей, макромоделей и моделей в целом) тепловых процессов с их параметрическим описанием (GT). Такое описание, как отмечалось выше, позволяет постоянно хранить в библиотеках созданные структуры, выполнять их "сборку" в различные композиции, а после первичного определения геометрических параметров конкретного узла или всей конструкции анализируемой РЭА (Es), используя значения ее первичных параметров, переходить к автоматическому вычислению необходимых компонентов топологических моделей на основе используемых функций (ϕi, i = 1, n). Структура общей (результирующей) модели может "собираться" из различных фрагментов, что позволяет разработчику исследовать характеристики тепловых процессов сложных нетиповых конструкций РЭА, состоящих из множества типовых и нетиповых конструктивных узлов. "Сборка" таких моделей может осуществляться при помощи дополнительных компонентов топологических моделей, имеющих также параметрическое описание. Дополнительные элементы, в общем случае, моделируют способы крепления конструктивных элементов в блоке и (или) дополнительные условия охлаждения, например, локальные (тепловые трубы, элементы Пельтье, тепловые шины и т. п.).
На рис.3а и рис.3б приведены примеры параметризированной МТП стойки аппаратуры цифровой обработки сигналов морского базирования. Стойка имеет воздушно-водяное охлаждение. Для проведения исследований ТХ, связанных с выяснением допустимых мощностей тепловыделений в печатных узлах, а также с определением ряда конструктивных решений и выбором параметров теплоносителей, была выполнена параметризация МТП. На рис.3а приведен пример описания одной из ветвей топологической модели через комплекс параметров, а на рис.3б – процесс определения численных значений для параметров, используемых при исследовании ТХ стойки с конкретными размерами, мощностями тепловыделения и условиями охлаждения.
На рис.3в приведены МТП, сформированные на основе параметризированных макромоделей тепловых процессов. Первая МТП разработана для системы жидкостного охлаждения спутниковой аппаратуры. Основой системы служит термостатическая плита, макромодель которой приведена на том же рисунке. Вторая МТП представляет собой макромодель корпуса (кожуха) РЭА, в которой каждая панель (грань) является изотермической. На модели также отражаются ветви, описывающие граничные условия (gтдоп на рис.2).
Описанный выше метод реализуется в блоках 2.1–2.3 формализованного процесса, приведенного на рис.1. Процедуры, связанные с формализацией исследуемой конструкции, последующей разработкой и параметризацией МТП или ее фрагмента или макромодели, а также дальнейшее ее применение в виде библиотечного элемента были интегрированы в состав методического обеспечения ПК ТРиАНА [1]. Подробное описание методического обеспечения ПК ТРиАНА для исследования ТХ РЭА средствами математического моделирования, в том числе в виде функций IDEF0-диаграммы, приведено в [1].
Применение аппарата параметризации для описания компонент фрагмента, модели в целом или макромодели тепловых процессов позволяет максимально повысить универсальность МТП при последующем ее применении. При таком подходе в библиотеках можно хранить структуры типовых фрагментов МТП, не привязанные ни к каким числовым значениям геометрических и теплофизических параметров. Эти параметры – геометрические размеры, теплофизические свойства материалов, рассеиваемые мощности и температуры, задающие граничные и начальные условия, – определяются при исследовании конкретных конструкций РЭА (см. пример на рис. 3б). В целом аппарат параметризации значительно повышает эффективность поискового проектирования, когда в процессе синтеза разрабатываемого конструктива исследуется несколько вариантов конструкторско-технологической реализации РЭА. Для полученных в итоге исследований параметризованных МТП целесообразно проводить процедуры аттестации, позволяющие повысить точность инженерных расчетов при создании новых образцов РЭА.
Литература
1. Исследование тепловых характеристик РЭА с применением программного комплекса ТРиАНА [Электронный ресурс] : Воловиков В.В., Дектерев М.Л., Кофанов Ю.Н. и др. / Под ред. Ю.Н.Кофанова, А.В.Сарафанова. – Версия 1.0. – Электрон. дан. (23 Мб). – М.: ДМК Пресс, 2014. – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; привод DVD; операционная система Microsoft Windows XP / Vista / 7 / 8 ; Adobe Reader 9.0 или выше (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). № гос.регистрации в НТЦ "Информрегистр" 0321401843.
2. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств / В.В.Жаднов, А.В.Сарафанова. – М.: СОЛОН, 2004. 350 с.
3. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография / Гольдин В.В., Журавский В.Г., Кофанов Ю.Н. и др.; Под ред. А.В.Сарафанова. – М.: Радио и связь, 2003. 456 с.
4. Сарафанов А.В. Метод синтеза моделей тепловых процессов блоков бортовой радиоэлектронной аппаратуры / Сарафанов А.В., Трухин А.А., Тюкачев М.В. // Качество. Инновации. Образование: науч.-техн. журн. 2008. № 7. С. 64–68.
5. Воловиков В.В. Моделирование теплового сопротивления при вынужденном конвективном теплообмене в каналах конструкций радиоэлектронной аппаратуры / Воловиков В.В., Сарафанов А.В. // Информационные технологии: Ежемесячный теоретический и прикладной науч.-техн. журн. Новые технологии. 2012. № 2. С. 44–48.
6. Сунцов С.Б. Инженерный анализ при сквозном автоматизированном проектировании радиоэлектронной аппаратуры модульной ракетно-космической техники / Сунцов С.Б., Климкин О.А., Сарафанов А.В., Фень А.М., Худоногов Д.Ю. // Технология машиностроения: науч.-техн. журн. 2011. № 5. С. 25–27.
Отзывы читателей
