Чаще всего отказ радиоэлектронных средств (РЭС) происходит из-за несоблюдения при их проектировании требований по устойчивости к механическим и тепловым воздействиям. В этой связи большое внимание сегодня уделяется разработке и внедрению методов теплофизического проектирования. В качестве тепловых характеристик РЭС могут рассматриваться значения температур элементов конструкций в установившемся тепловом режиме, время достижения элементами конструкций предельно допустимых значений температур и т.п. Требования к тепловым характеристикам могут быть получены на основе критериев оптимальности для специфической задачи, а также исходя из условий обеспечения заданной стабильности остальных физических характеристик аппаратуры и условий минимизации показателей ее безотказности. Для этого требуется реализовать комплексный подход к процессу проектирования РЭС на всех этапах и с учетом всех физических характеристик.
Традиционная технология проектирования, основанная на стендовых испытаниях, устарела. Например, по оценкам специалистов до 50% летательных аппаратов приземляются с отказами аппаратуры; более половины отказов вызвано несоответствием стендовых испытаний реальным условиям эксплуатации. Испытания, не интегрированные с расчетными экспериментами, малоинформативны (из-за невозможности установить датчики во многих точках конструкции) и не позволяют провести исследования в критических режимах работы изделия из-за его разрушения. Нет также возможности распространить результаты испытаний отдельных образцов на все другие экземпляры изделия данного типа из-за случайных значений разбросов параметров. При моделировании есть возможность задавать те или иные параметры из возможного диапазона значений и при расчете подобрать наихудший вариант.
Исходя из этого требуется обеспечить разработчика различными средствами автоматизированного проектирования и моделирования на разных этапах создания РЭС. С учетом временных режимов проектирования и требований нормативно-технической документации эти средства должны позволять проводить моделирование внешних воздействий на различных этапах и в разные сроки. Должны существовать методы и средства, которые позволяли бы проводить экспресс-анализ для получения предварительных результатов. Одновременно, у проектировщика должны быть методы детального анализа того или иного процесса.
Наличие тепловыделяющих элементов в составе конструкций РЭС в сочетании с широким диапазоном температур окружающей среды приводит к появлению паразитного теплового фактора, оказывающего существенное влияние на механические процессы, в том числе за счет появления температурных напряжений. При этом от температуры зависят такие физико-механические параметры, как модуль упругости, коэффициент механических потерь, логарифмический декремент затухания колебаний, предел усталости. Сегодня имеется множество методов автоматизированного проектирования РЭС, а также огромное количество разнообразного универсального программного обеспечения: ANSYS, MARK, NASTRAN и др. Однако универсальные продукты при решении конкретных, узкоспециализированных проектировочных расчетов привносят дополнительные сложности — смоделировать разрабатываемую конструкцию либо очень сложно, либо вообще невозможно, поскольку этот процесс приведет к значительному увеличению времени расчета. Кроме того, из-за универсальности программных средств иногда проблематично быстро выполнить предварительные конструкторские расчеты для подборки необходимых характеристик. Безусловно, системы, подобные ANSYS, UG, CATIA, ProEngineer и др., позволяют провести прикидочные расчеты, однако трудности возникают при построении модели и дальнейшей работе с ней, часто оказывается невозможно изменить те или иные параметры конструкции без переработки всей конструкции. Особенно это мешает при прикидочной подборке параметров конструкции и ее элементов.
Еще одним фактором, усложняющим применение существующих методов анализа тепловых процессов в РЭС, является сложность современной аппаратуры, включающей в себя множество составляющих частей, что затрудняет построение тепловых моделей. Из практики проектирования известно, что неправильно спроектированная конструкция может свести на нет все преимущества, полученные в процессе разработки ее элементов. В то же время, рядом специальных, конструктивных мероприятий можно значительно улучшить тепловые характеристики аппаратуры, и в некоторых случаях скомпенсировать конструкторские решения, нецелесообразные в смысле надежности.
Система АСОНИКА
На основе детального исследования существующих конструкций РЭС были определены типовые элементы (пластина, этажерка, радиатор и др.) и построена библиотека их тепловых моделей. Используя данную библиотеку, можно достаточно быстро собирать тепловые модели сложных произвольных конструкций. При этом не нужно волноваться по поводу построения тепловой модели всей конструкции, которая будет формироваться автоматически, путем взаимосвязи тепловых моделей типовых элементов между собой. Кроме того, конструкцию РЭС, созданную таким способом, легко изменить или модифицировать, заменив необходимые элементы или их параметры, не переделывая конструкцию в целом. При внесении изменений в конструкцию, происходит автоматический пересчет всех параметров, непосредственно связанных с изменившимся элементом.
Метод синтеза тепловых моделей РЭС, а также возможность оперировать готовыми библиотеками элементов позволяют проводить моделирование без длительной предварительной подготовки, что важно для разработчиков, не имеющих времени на освоение сложных программных продуктов и серьезного опыта в построении тепловых математических моделей. Например, освоение тепловых расчетов в системе ANSYS может занять несколько месяцев и некоторое время на ввод конструкции. Здесь же время освоения не превышает и часа, время ввода конструкции в зависимости от ее сложности может составлять от нескольких минут до 1 часа.
На основе разработанных методов создана подсистема АСОНИКА-Т, входящая в состав системы АСОНИКА (Автоматизированная Система Обеспечения Надежности и Качества Аппаратуры), предназначенной для проведения комплексного анализа тепловых процессов в РЭС. С помощью АСОНИКА-Т осуществляется моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы нелинейных (в общем случае) уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции, установленных в РЭС конструктивных узлов, элементов, а также определенных конструктором граничных условий, решение системы уравнений и вывод результатов в удобной для дальнейшего анализа форме. Система уравнений формируется программой на основе топологической модели, построенной пользователем.
Топологическая модель тепловых процессов (МТП) представляет собой граф, вершины (узлы) которого моделируют соответствующие конструктивные элементы и узлы конструкции РЭС (они представляются в виде условно нагретых зон), а ветви (ребра) отражают тепловые потоки. Переменными узлов МТП являются расчетные значения температур, переменными ветвей будут тепловые потоки, а параметрами ветвей — тепловые проводимости. Данная модель позволяет в простой форме задавать различные граничные условия по объемам и поверхностям конструкции РЭС при помощи соответствующих компонентов графа (ветвей, источников заданной температуры и/или источников с заданной тепловой мощностью). К достоинствам топологических моделей следует отнести: возможность простого перехода, в случае необходимости, к другим унифицированным видам математических моделей РЭС; возможность применения единых методов формирования и решения математических моделей, включая аппарат теории чувствительности.
Исходные данные для моделирования на ЭВМ теплового режима РЭС подготавливаются на основе следующей информации:
- сборочного чертежа или деталировки конструкции РЭС (либо соответствующих эскизов);
- теплофизических параметров материалов, элементов конструкции РЭС и хладоносителей;
- значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы РЭС (приводятся в карте электрических режимов работы электрорадиоэлементов принципиальной схемы анализируемой РЭС);
- температуры окружающей среды;
- параметров охлаждения конструкции (температуры и скорости хладоносителей).
В то же время в подсистему включены алгоритмы автоматизированного синтеза МТП РЭС, на основе типовых элементов конструкций, а также алгоритмы создания своих собственных МТП типовых элементов и добавления их в общую базу данных.
Необходимым условием правильного выполнения расчета является задание источника температуры и мощности. В случае нестационарного процесса данные величины задаются в виде зависимости от времени или таблично, кроме того, необходимо наличие связи, определяющей теплопроводность.
 |
| Рис. 1. Макромодель многополюсников в развернутом виде |
Типовые элементы представляются в виде многополюсников различной формы, отображающей конструктивные особенности данного элемента. Например, печатный узел или пластина представляется в виде плоского прямоугольника с указанием ветвей нагрузок, которые связывают его с другими элементами конструкции (рис. 1). Есть возможность просмотреть макромодель многополюсника и задать недостающие связи.
Ветви, определяющие взаимодействие между элементами модели, имеют специальное обозначение: сплошная линия — кондукция, штриховая — конвекция, и т.д.. Кроме того, имеются разновидности связей, которые обозначаются более сложно и задают комплексное воздействие, например, конвективно-кондуктивную связь оребренной поверхности радиатора.
При задании типовых элементов в диалоге с системой можно ввести все необходимые параметры для автоматического построения модели элемента. Кроме того, в любой момент можно изменить тот или иной параметр узла или ветви. При необходимости есть возможность взять данные из базы элементов и материалов, которые автоматически подключаются к модулям создания моделей. Базы данных содержат полную информацию о внесенных в нее элементах и теплофизических характеристиках материалов (теплопроводность, коэффициент черноты, коэффициент облученности).
С помощью подсистемы АСОНИКА-Т возможно рассчитывать конструкции любой сложности и любой степени детализации. Причем на каждом уровне детализации присутствуют свои универсальные типовые элементы, характерные для РЭС. Например, при моделировании несущих конструкций РЭС типовыми являются стойки, шкафы, кассетные конструкции и т.п. В свою очередь, входящие в состав кассетной конструкции печатные узлы, также являются типовыми, а элементы, из которых строятся печатные узлы, являются типовыми непосредственно для самого печатного узла, и т.д. Также, важную роль в данном процессе играет возможность создания новых универсальных типовых элементов.
После проведения расчета полученная информация отображается в двух вариантах. При стационарном тепловом расчете получается таблица температур в каждом узле модели, при нестационарном — таблица температур в зависимости от времени в каждом узле модели, а также графики зависимости функции T = y(t).
Архитектура АСОНИКА-Т
В основе подсистемы АСОНИКА-Т лежит монитор (рис. 2), через который производится взаимодействие с пользователем. С монитором связаны все элементы и модули, а также базы данных. Данную структуру можно разделить на три основных процесса, связанных через монитор: подготовительный (препроцессор), расчетная часть и отображение результатов (постпроцессор). В состав препроцессора входят: модуль подготовки эскиза конструкции и комплекс программ подготовки исходных данных. В состав постпроцессора входят. В данный модуль включены средства объемного отображения распределения тепла в конструкции с использованием стандартной библиотеки OpenGL.
Рис. 2. Структура подсистемы АСОНИКА-Т
Расчетный модуль включает в себя набор программ, которые выполняют задачи идентификации недостающих параметров расчета, ведение протокола расчета и интерфейсы связи с комплексной подсистемой АСОНИКА-ТМ.
Помимо основных процессов, существуют дополнительные: интерфейсы связи с базами данных материалов и элементов конструкции, интерфейс связи с подсистемой АСОНИКА-Э расчета электрических параметров РЭС для получения мощностей излучения тепловой энергии. Кроме того, имеются интерфейсы с универсальными системами проектирования P-Cad и ACCEL EDA для печатных узлов.
Заключение
Эффективность работы с АСОНИКА-Т неоднократно проверялась на различных объектах, в частности на электронных устройствах систем управления при инспекционных проверках специальной аппаратуры, проводимых Центральным научно-исследовательским испытательным институтом МО РФ. Кроме того, по моделированию тепловых процессов в печатных узлах получено свидетельство об официальной регистрации программы, выданное Российским агентством по патентам и товарным знакам.
Алексей Орлов (Alexey_Orlov@mail.ru) — ассистент кафедры прикладной математики и САПР Ковровской государственной технологической академии; Илья Скворцов — сотрудник кафедры; Александр Шалумов — зав. кафедрой.
