Автоматизований аналіз теплових процесів

1. система АСОНІКА
2. Архітектура АСОНІКА-Т
3. висновок

21.02.2002 Олексій Орлов, Ілля Скворцов, Олександр Шалумов

Найчастіше відмова радіоелектронних засобів (РЕЗ) відбувається через недотримання при їх проектуванні вимог по стійкості до механічних і теплових впливів. У зв'язку з цим велика увага сьогодні приділяється розробці і впровадженню методів теплофізичного проектування. Як теплових характеристик РЕЗ можуть розглядатися значення температур елементів конструкцій в сталому тепловому режимі, час досягнення елементами конструкцій гранично допустимих значень температур і т.п. Вимоги до теплових характеристиках можуть бути отримані на основі критеріїв оптимальності для специфічної завдання, а також виходячи з умов забезпечення заданої стабільності інших фізичних характеристик апаратури і умов мінімізації показників її безвідмовності. Для цього потрібно реалізувати комплексний підхід до процесу проектування РЕЗ на всіх етапах і з урахуванням всіх фізичних характеристик.

Традиційна технологія проектування, заснована на стендових випробуваннях, застаріла. Наприклад, за оцінками фахівців до 50% літальних апаратів приземляються з відмовами апаратури; більше половини відмов викликано невідповідністю стендових випробувань реальних умов експлуатації. Випробування, які не інтегровані з розрахунковими експериментами, малоінформативні (через неможливість встановити датчики в багатьох точках конструкції) і не дозволяють провести дослідження в критичних режимах роботи вироби через його руйнування. Немає також можливості поширити результати випробувань окремих зразків на всі інші екземпляри вироби даного типу через випадкових значень разбросов параметрів. При моделюванні є можливість задавати ті чи інші параметри з можливого діапазону значень і при розрахунку підібрати найгірший варіант.

Виходячи з цього потрібно забезпечити розробника різними засобами автоматизованого проектування та моделювання на різних етапах створення РЕМ. З урахуванням тимчасових режимів проектування і вимог нормативно-технічної документації ці кошти повинні дозволяти проводити моделювання зовнішніх впливів на різних етапах і в різні терміни. Повинні існувати методи і засоби, які дозволяли б проводити експрес-аналіз для отримання попередніх результатів. Одночасно, у проектувальника повинні бути методи детального аналізу того чи іншого процесу.

Наявність тепловиділяючих елементів в складі конструкцій РЕЗ в поєднанні з широким діапазоном температур навколишнього середовища призводить до появи паразитного теплового фактора, що робить істотний вплив на механічні процеси, в тому числі за рахунок появи температурних напружень. При цьому від температури залежать такі фізико-механічні параметри, як модуль пружності, коефіцієнт механічних втрат, логарифмічний декремент загасання коливань, межа втоми. Сьогодні є безліч методів автоматизованого проектування РЕЗ, а також величезна кількість різноманітного універсального програмного забезпечення: ANSYS, MARK, NASTRAN і ін. Проте універсальні продукти при вирішенні конкретних, вузькоспеціалізованих проектувальних розрахунків привносять додаткові складності - змоделювати розроблювану конструкцію або дуже складно, або взагалі неможливо, оскільки цей процес призведе до значного збільшення часу розрахунку. Крім того, через універсальність програмних засобів іноді проблематично швидко виконати попередні конструкторські розрахунки для підбірки необхідних характеристик. Безумовно, системи, подібні ANSYS, UG, CATIA, ProEngineer і ін., Дозволяють провести приблизні розрахунки, однак труднощі виникають при побудові моделі і подальшій роботі з нею, часто виявляється неможливо змінити ті чи інші параметри конструкції без переробки всієї конструкції. Особливо це заважає при приблизних добірці параметрів конструкції і її елементів.

Ще одним фактором, що ускладнює застосування існуючих методів аналізу теплових процесів в РЕМ, є складність сучасної апаратури, що включає в себе безліч складових частин, що ускладнює побудову теплових моделей. З практики проектування відомо, що неправильно спроектована конструкція може звести нанівець всі переваги, отримані в процесі розробки її елементів. У той же час, поряд спеціальних, конструктивних заходів можна значно поліпшити теплові характеристики апаратури, і в деяких випадках компенсувати конструкторські рішення, недоцільні в сенсі надійності.

система АСОНІКА

На основі детального дослідження існуючих конструкцій РЕЗ були визначені типові елементи (пластина, етажерка, радіатор і ін.) І побудована бібліотека їх теплових моделей. Використовуючи дану бібліотеку, можна досить швидко збирати теплові моделі складних довільних конструкцій. При цьому не потрібно хвилюватися з приводу побудови теплової моделі всієї конструкції, яка буде формуватися автоматично, шляхом взаємозв'язку теплових моделей типових елементів між собою. Крім того, конструкцію РЕЗ, створену таким способом, легко змінити або модифікувати, замінивши необхідні елементи або їх параметри, які не переробляючи конструкцію в цілому. При внесенні змін у конструкцію, відбувається автоматичний перерахунок всіх параметрів, безпосередньо пов'язаних зі зміненим елементом.

Метод синтезу теплових моделей РЕЗ, а також можливість оперувати готовими бібліотеками елементів дозволяють проводити моделювання без тривалої попередньої підготовки, що важливо для розробників, які не мають часу на освоєння складних програмних продуктів і серйозного досвіду в побудові теплових математичних моделей. Наприклад, освоєння теплових розрахунків в системі ANSYS може зайняти кілька місяців і деякий час на введення конструкції. Тут же час освоєння не перевищує і години, час введення конструкції в залежності від її складності може становити від декількох хвилин до 1 години.

На основі розроблених методів створено підсистему АСОНІКА-Т, що входить до складу системи АСОНІКА (Автоматизована Система Забезпечення Надійності і Якості Апаратури), призначеної для проведення комплексного аналізу теплових процесів в РЕМ. За допомогою АСОНІКА-Т здійснюється моделювання стаціонарних і нестаціонарних теплових режимів конструкцій РЕЗ при різних умовах охолодження шляхом формування системи нелінійних (в загальному випадку) рівнянь або системи звичайних диференціальних рівнянь за заданим геометричним і теплофізичними параметрами конструкції, встановлених в РЕМ конструктивних вузлів, елементів, а також певних конструктором граничних умов, рішення системи рівнянь і виведення результатів у зручній для подальшого аналізу формі. Система рівнянь формується програмою на основі топологічної моделі, побудованої користувачем.

Топологічна модель теплових процесів (МТП) являє собою граф, вершини (вузли) якого моделюють відповідні конструктивні елементи і вузли конструкції РЕМ (вони представляються у вигляді умовно нагрітих зон), а гілки (ребра) відображають теплові потоки. Змінними вузлів МТП є розрахункові значення температур, змінними гілок будуть теплові потоки, а параметрами гілок - теплові провідності. Дана модель дозволяє в простій формі задавати різні граничні умови за обсягами і поверхонь конструкції РЕМ за допомогою відповідних компонентів графа (гілок, джерел заданої температури і / або джерел із заданою тепловою потужністю). До переваг топологічних моделей слід віднести: можливість простого переходу, в разі необхідності, до інших уніфікованим видам математичних моделей РЕЗ; можливість застосування єдиних методів формування і розв'язання математичних моделей, включаючи апарат теорії чутливості.

Вихідні дані для моделювання на ЕОМ теплового режиму РЕЗ готуються на основі такої інформації:

• складального креслення або деталювання конструкції РЕМ (або відповідних ескізів);
• теплофізичних параметрів матеріалів, елементів конструкції РЕЗ та холодоносіїв;
• значення теплових потужностей, що розсіюються елементами схеми РЕМ (наводяться в карті електричних режимів роботи електрорадіоелементів принципової схеми аналізованої РЕМ);
• температури навколишнього середовища;
• параметрів охолодження конструкції (температури і швидкості холодоносіїв).

У той же час в підсистему включені алгоритми автоматизованого синтезу МТП РЕМ, на основі типових елементів конструкцій, а також алгоритми створення своїх власних МТП типових елементів і додавання їх в загальну базу даних.

Необхідною умовою правильного виконання розрахунку є завдання джерела температури і потужності. У разі нестаціонарного процесу дані величини задаються у вигляді залежності від часу або таблично, крім того, необхідна наявність зв'язку, що визначає теплопровідність.

Типові елементи представляються у вигляді багатополюсників різної форми, що відображає конструктивні особливості даного елемента. Наприклад, друкований вузол або пластина представляється у вигляді плоского прямокутника із зазначенням гілок навантажень, які пов'язують його з іншими елементами конструкції (рис. 1). Є можливість переглянути макромодель багатополюсника і поставити відсутні зв'язку.

Гілки, що визначають взаємодію між елементами моделі, мають спеціальне позначення: суцільна лінія - кондукция, штрихова - конвекція, і т.д .. Крім того, є різновиди зв'язків, які позначаються більш складно і задають комплексний вплив, наприклад, конвективно-кондуктивную зв'язок оребренной поверхні радіатора.

При завданні типових елементів в діалозі з системою можна ввести всі необхідні параметри для автоматичної побудови моделі елемента. Крім того, в будь-який момент можна змінити той чи інший параметр вузла або гілки. При необхідності є можливість взяти дані з бази елементів і матеріалів, які автоматично підключаються до модулів створення моделей. Бази даних містять повну інформацію про внесені в неї елементах і теплофізичних характеристиках матеріалів (теплопровідність, коефіцієнт чорноти, коефіцієнт опромінення).

За допомогою підсистеми АСОНІКА-Т можливо розраховувати конструкції будь-якої складності і будь-якого ступеня деталізації. Причому на кожному рівні деталізації присутні свої універсальні типові елементи, характерні для РЕМ. Наприклад, при моделюванні несучих конструкцій РЕЗ типовими є стійки, шафи, касетні конструкції і т.п. У свою чергу, входять до складу касетної конструкції друковані вузли, також є типовими, а елементи, з яких будуються друковані вузли, є типовими безпосередньо для самого друкованого вузла, і т.д. Також, важливу роль в даному процесі відіграє можливість створення нових універсальних типових елементів.

Після проведення розрахунку отримана інформація відображається в двох варіантах. При стаціонарному тепловому розрахунку виходить таблиця температур в кожному вузлі моделі, при нестаціонарному - таблиця температур в залежності від часу в кожному вузлі моделі, а також графіки залежності функції T = y (t).

Архітектура АСОНІКА-Т

В основі підсистеми АСОНІКА-Т лежить монітор (рис. 2), через який проводиться взаємодія з користувачем. З монітором пов'язані всі елементи і модулі, а також бази даних. Дану структуру можна розділити на три основні процеси, пов'язаних через монітор: підготовчий (препроцесор), розрахункова частина і відображення результатів (постпроцесор). До складу препроцесора входять: модуль підготовки ескізу конструкції і комплекс програм підготовки вихідних даних. До складу постпроцесора входять. В даний модуль включені кошти об'ємного відображення розподілу тепла в конструкції з використанням стандартної бібліотеки OpenGL.

Мал. 2. Структура підсистеми АСОНІКА-Т

Розрахунковий модуль включає в себе набір програм, які виконують завдання ідентифікації відсутніх параметрів розрахунку, ведення протоколу розрахунку і інтерфейси зв'язку з комплексної підсистемою АСОНІКА-ТМ.

Крім основних процесів, існують додаткові: інтерфейси зв'язку з базами даних матеріалів і елементів конструкції, інтерфейс зв'язку з підсистемою АСОНІКА-Е розрахунку електричних параметрів РЕЗ для отримання потужностей випромінювання теплової енергії. Крім того, є інтерфейси з універсальними системами проектування P-Cad і ACCEL EDA для друкованих вузлів.

висновок

Ефективність роботи з АСОНІКА-Т неодноразово перевірялася на різних об'єктах, зокрема на електронних пристроях систем управління при інспекційних перевірках спеціальної апаратури, що проводяться Центральним науково-дослідним випробувальним інститутом МО РФ. Крім того, з моделювання теплових процесів в друкованих вузлах отримано свідоцтво про офіційну реєстрацію програми, видане Російським агентством по патентах і товарних знаків.

Олексій Орлов ( [email protected] ) - асистент кафедри прикладної математики та САПР ковровского державної технологічної академії; Ілля Скворцов - співробітник кафедри; Олександр Шалумов - зав. кафедрою.