Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы моделирования тепловых процессов в радиоэлектронных средствах и постановка задач исследования 15
1.1. Анализ современных методов моделирования и программных средств, используемых для тепловых расчетов, проводимых при проектировании РЭС 15
1.2. Задачи проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых воздействий 26
1.3. Основные задачи исследования 31
1.4. Выводы к первой главе 34
ГЛАВА 2. Параметрические модели тепловых процессов в типовых конструкциях РЭС 35
2.1. Математическое обеспечение автоматизированного анализа тепло вых характеристик РЭС 35
2.1.1. Электротепловая аналогия 35
2.1.2. Граничные условия 39
2.1.3. Топологическая форма представления моделей тепловых процессов 46
2.2. Концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М 49
2.3. Тепловая модель БКТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели 56
2.3.1. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции при условии естественного охлаждения 57
2.3.2. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции при эксплуатации в условиях вакуума 59
2.3.3. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции с перфорацией 61
2.3.4. Алгоритм построения МТП типовой кассетной конструкции с принудительным охлаждением 64
2.4. Тепловая модель БЭТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели 66
2.4.1. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции при условии естественного охлаждения 67
2.4.2. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции при эксплуатации в условиях вакуума 68
2.4.3. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции с перфорацией 68
2.4.4. Алгоритм построения МТП типовой этажерочной конструкции с принудительным охлаждением 72
2.5. Тепловая модель БЭТС: структура модели, варьируемые парамет ры, алгоритм построения модели 73
2.5.1. Алгоритм построения МТП БЭТС при условии естественного охлаждения 74
2.5.2. Алгоритм построения МТП БЭТС в условиях вакуума 78
2.53. Алгоритм построения МТП БЭТС с перфорацией 80
2.5.4. Алгоритм построения МТП МТП БЭТС с принудительным охлаждением 84
2.6. Тепловая модель БЦТ: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели 87
2.7. Тепловая модель шкафа: структура модели, варьируемые параметры, алгоритм построения модели 89
2.7.1. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа при условии естественного охлаждения 90
2.7.2. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа при эксплуатации в условиях вакуума 92
2.7.3. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа с перфорацией 94
2.7.4. Алгоритм построения МТП типовой конструкции шкафа с принудительным охлаждением 97
2.8. Метод построения параметрических тепловых моделей объемных
конструкций РЭС на базе графических интерфейсов 99
2.9. Выводы ко второй главе 102
ГЛАВА 3. Автоматизированная подсистема анализа конструкций рэс на тепловые воздействия асоника-т на базе параметрических моделей 103
3.1. Структура, входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА - Т, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы АСОНИКА-М 103
3.2. Структура, входные и выходные данные модулей БКТ, БЭТ, БЦТ.. 108
3.3. Структура, входные и выходные данные модуля БЭТС 112
3.4. Алгоритмы графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов РЭС 116
3.5. Выводы к третьей главе 118
ГЛАВА 4. Разработка методики проектирования конструкций рэс с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей 119
4.1. Методика проектирования типовых конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей 119
4.2. Методика испытаний для проверки правильности и идентификации параметров тепловых моделей 125
4.2.1. Проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции 125
4.2.2. Проверка правильности построения МТП радиатора 127
4.3. Вычислительные эксперименты 131
4.3.1. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БКТ 131
4.3.2. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЭТ 141
4.3.3. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЦТ 148
4.3.4. Вычислительный эксперимент для тепловой модели БЭТС 156
4.3.5. Вычислительный эксперимент для тепловой модели шкафа . 171
4.4. Внедрение результатов диссертационной работы 179
4.5. Выводы к четвертой главе 180
Заключение 181
Список использованных источников
- Задачи проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых воздействий
- Концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М
- Структура, входные и выходные данные модулей БКТ, БЭТ, БЦТ..
- Проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции
Введение к работе
В настоящее время при проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) обязательными требованиями технических заданий на разработку являются требования к обеспечению жестких тепловых режимов работы.
Современные РЭС характеризуются не только сложными алгоритмами работы, но и сложной физической реализацией. С точки зрения теплового анализа картина представляется следующей: с одной стороны плотность монтажа и мощности растут, а с другой - повышается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации становится все сложнее и сложнее обеспечить заданные тепловые режимы работы РЭС.
В настоящее время существует большое количество современных программных продуктов, позволяющих проводить тепловые расчеты конструкций любой сложности.
Проведенный в рамках диссертации анализ программных средств, применяемых для тепловых расчетов, проводимых при проектировании РЭС, показал, что в настоящее время рынок наполнен достаточно большим количеством зарубежных программных продуктов: BETAsoft, COSMOS, NeiNastran, ANSYS, MENTOR GRAPHICS, FLOTHERM и др.
При проведении тепловых расчетов с помощью зарубежных программных комплексов возникает ряд проблем, например, сложность их освоения: отсутствие методического обеспечения, отсутствие документации на русском языке, отсутствие сопровождения и обучения представителями фирмы-разработчика; невозможность изменения параметров модели без переработки всей конструкции, отсутствие баз данных отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ), несоответствие ГОСТам (для расчета РЭС). Кроме того, при моделировании тепловых процессов в сложных конструкциях трудоемким является ввод исходных данных для расчета. Также из-за универсальности программных средств затруднительно
осуществить в минимальные сроки предварительные расчеты и получить необходимые для принятия решения результаты.
Среди отечественных программных продуктов можно выделить подсистему АСОНИКА-Т системы АСОНИКА, программные продукты Пилот, Триана. Система АСОНИКА специально разрабатывалась для нужд отечественной промышленности. В ней отсутствуют все выше перечисленные недостатки. Это первая российская автоматизированная система моделирования, которая рекомендуется специальными руководящими документами Министерством обороны РФ для замены натурных испытаний РЭС моделированием на ранних этапах проектирования. Система АСОНИКА внедрена более чем на 60 отечественных предприятиях промышленности, разрабатывающих РЭС военного и народнохозяйственного назначения, а также на ряде предприятий стран СНГ. Но в системе АСОНИКА, а также в выше приведенных отечественных программных продуктах практически отсутствуют средства автоматизированного синтеза параметрических моделей тепловых процессов (МТП) несущих конструкций РЭС. Создан лишь препроцессор для построения МТП ПУ. Однако реально существует стандартизированный ряд типовых конструкций РЭС - шкафы, блоки этажерочного и кассетного типов, блоки цилиндрического типа и др., для которых могли бы быть созданы автоматы для построения МТП. При этом тепловые модели должны не просто строиться автоматически, но быть параметрическими, то есть автоматически перестраиваться при изменении отдельных параметров конструкции, задаваемых пользователем.
Над созданием систем моделирования тепловых процессов в РЭС работали многие отечественные специалисты. Анализу тепловых процессов в РЭС посвящены работы Дульнева Г.Н. [26-31], Вермишева Ю.Х. [32,33], Норенкова И.П. [34-39], Кофанова Ю.Н. [40-46], Шалумова А.С. [40,42,43,45,49-52], Сарафанова А.В. [41,44-46] и других авторов. Но в
данных работах специально не рассматривались вопросы автоматизации синтеза параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций.
Анализ показал, что в настоящее время существующие программные комплексы не предоставляют в достаточной мере средств автоматизированного синтеза параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций РЭС.
Таким образом, на сегодняшний день актуальна разработка программного и методического обеспечения, позволяющего повысить эффективность - сократить время и снизить трудоемкость - при моделировании тепловых процессов в конструкциях РЭС на ранних этапах проектирования за счет автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования теплонагруженных конструкций РЭС за счет автоматизации создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций радиоэлектронных средств.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Проведение исследований моделей тепловых процессов основных
типовых конструкций РЭС - блока кассетного типа (БКТ), блока
этажерочного типа (БЭТ), блока цилиндрического типа (БЦТ), блока
этажерочного типа сложного (БЭТС), шкафов - с целью определения
исходных данных, необходимых для построения параметрических тепловых
моделей. Отбор минимального набора входных данных для организации
диалогового ввода моделей типовых конструкций.
2. Разработка концепции построения параметрических тепловых
моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов
подсистемы АСОНИКА-М.
Разработка алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа.
Разработка структуры автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М.
Разработка программных модулей «БКТ», «БЭТ», «БЦТ», «БЭТС», «ШКАФ» для ввода исходных данных и автоматического построения моделей тепловых моделей с учетом параметризации.
Разработка методики проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей.
Организация вычислительных экспериментов по проверке разработанных алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа. Анализ временных затрат в сравнении с ручным построением моделей.
Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.
В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории тепло- и массообмена, объектно-ориентированного программирования.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.
В первой главе анализируется современное состояние проблемы и ставится задача исследования. В данной главе проводится анализ современного состояния существующих методов моделирования тепловых процессов и программных средств и обосновывается необходимость и целесообразность разработки методик и программных средств
автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций РЭС на базе подсистемы АСОНИКА-Т и на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М, а также использования метода электротепловой аналогии (ЭТА). Сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе на основе методов математического моделирования тепловых процессов конструкций РЭС, применяемых в подсистеме АСОНИКА-Т, и на основе графических интерфейсов ввода конструкции подсистемы АСОНИКА-М разрабатывается метод построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов.
Для практической реализации данного метода разрабатываются алгоритмы автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа.
Рассмотрен метод электротепловой аналогии. Дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие тепловые процессы в конструкциях, заменяются уравнениями в конечных разностях. Представлено дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа в применении к твердым изотропным телам при решении стационарной задачи в декартовой системе координат.
Рассматриваются граничные условия первого, второго, третьего и четвертого родов. Используя модели элементарных объемов твердого тела и используя заданные граничные условия, можно распространить метод ЭТА на описание процессов теплопередачи во всем РЭС и перейти к его МТП.
При этом конструкция РЭС разбивается на элементарные объемы такого размера, что с достаточной точностью можно их считать изотермичными. Представление конструкции РЭС совокупностью тепловых проводимостей между всеми объемами, через которые проходит тепловой
поток, приводит к электрической цепи большой размерности, которая может быть проанализирована методами; применяемыми при анализе на ЭВМ электрических;схем. .
При решении; нестационарных-".задач в электрическую эквивалентную цепь, вводятся конденсаторы, которые моделируют теплоемкости соответствующих условно; изотермичных объемов конструкции РЭС. Для анализа моделей тепловых процессов; используется; топологическая, форма представления моделей тепловыхпроцессов..
Разработана концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе подсистемы АСОНИКА-Т и на безе графических интерфейсов подсистемы АСОІШЖА-М.
Создан* общий алгоритм; построения; МТШ блока РЭС, а; также представлены разработанные: алгоритмы построения МТП типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БИТ, БЭТС, шкафа для всех возможных условий охлаждения^
В третьей главе разработана; структура; автоматизированной подсистемыs анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических. моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций P3G на механические воздействия; АСОНИКА-М: Разработана, структура, входные и выходные данные модулей БКТ, БЭТ, БЦТ,.БЭТС, «Шкаф».
В четвертой главе разработана методика проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающаяся:-- от существующих возможностью; существенно повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по тепловым характеристикам.
Разработана методика испытаний для проверки правильности и идентификации параметров тепловых моделей. При этом проведена
-. ''''. 11
проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции, а также проверка правильности построения МТП радиатора.
Для проверки разработанного метода проведена серия вычислительных экспериментов. Цели вычислительных экспериментов: 1) проверка правильности построения моделей; 2) оценка времени на подготовку и ввод каждой модели. Временные затраты на построение МТП сокращаются в десятки раз, что в итоге значительно повышает эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС.
Рассмотрены результаты внедрения диссертационной работы.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:
метода построения параметрических тепловых моделей объемных конструкций РЭС на базе графических интерфейсов, отличающегося от существующих наличием графических средств автоматизации создания МТП типовых конструкций;
алгоритмов автоматического построения тепловых моделей типовых конструкций РЭС - БКТ, БЭТ, БЦТ, БЭТС, шкафа, позволяющих значительно сократить по сравнению с ручным построением моделей временные затраты на осуществление анализа тепловых процессов и снизить вероятность возникновения ошибки;
структуры автоматизированной подсистемы анализа конструкций РЭС на тепловые воздействия АСОНИКА-Т на базе параметрических моделей, интегрированной с графическими интерфейсами подсистемы анализа объемных конструкций РЭС на механические воздействия АСОНИКА-М;
методики проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых характеристик на основе параметрических моделей, отличающейся от существующих возможностью существенно повысить эффективность
проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по тепловым характеристикам.
Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданной методики и программных средств автоматизированного создания параметрических тепловых моделей типовых конструкций РЭС позволяет повысить эффективность проектирования теплонагруженных конструкций РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по тепловым характеристикам.
Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НЛП «Волна» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании БЭТС ОАО «РКК «Энергия».
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2008 г.), Восьмом Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (Нижний Новгород, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2006 г.), IX, X, XI, XII, XIII Научно-технической конференции с участием зарубежных
специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, МИЭМ, 1997 г., 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2000 г.), III Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах - XXI век» (Ковров, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 104-й годовщине Дня радио «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, КГТУ, 1999 г.), Всероссийском совещании-семинаре «Высокие технологии в региональной информатике» (Воронеж, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1998 г.), LIII Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, 1998 г.), Российской научно-технической конференции «Проблемы повышения надежности и эффективности в машино- и приборостроении» (Ковров, 1997 г.), Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Системы управления - конверсия - проблемы» (Ковров, 1996 г.)
По материалам диссертационных исследований опубликовано 25 научных работ [1-25], в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК [1,2], 1 учебное пособие для вузов [4].
Автор выражает благодарность профессору Увайсову СУ. за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление научной деятельности.
Задачи проектирования конструкций РЭС с учетом тепловых воздействий
При проведении тепловых расчетов с помощью зарубежных программных комплексов возникает ряд проблем, например, сложность их освоения: отсутствие методического обеспечения, отсутствие документации на русском языке, отсутствие сопровождения и обучения представителями фирмы-разработчика; невозможность изменения параметров модели без переработки всей конструкции, отсутствие баз данных отечественных ЭРИ, несоответствие ГОСТам (для расчета РЭС). Кроме того, при моделировании тепловых процессов в сложных конструкциях трудоемким является ввод исходных данных для расчета. Также из-за универсальности программных средств затруднительно осуществить в минимальные сроки предварительные расчеты и получить необходимые для принятия решения результаты.
Среди отечественных программных продуктов можно выделить подсистему АСОНИКА-Т системы АСОНИКА, программные продукты Пилот, Триана. Система АСОНИКА специально разрабатывалась для нужд отечественной промышленности. В ней отсутствуют все выше перечисленные недостатки. Это первая российская автоматизированная система моделирования, которая рекомендуется специальными руководящими документами Министерством обороны РФ для замены натурных испытаний РЭС моделированием на ранних этапах проектирования. Система АСОНИКА внедрена более чем на 60 отечественных предприятиях промышленности, разрабатывающих РЭС военного и народнохозяйственного назначения, а также на ряде предприятий стран СНГ. Но в системе АСОНИКА, а также в выше приведенных отечественных программных продуктах практически отсутствуют средства автоматизированного создания параметрических моделей тепловых процессов несущих конструкций РЭС. Создан лишь препроцессор для построения МТП ПУ. Однако реально существует стандартизированный ряд типовых конструкций РЭС — шкафы, блоки этажерочного и кассетного типов, блоки цилиндрического типа и др., для которых могли бы быть созданы автоматы для построения МТП. При этом тепловые модели должны не просто строиться автоматически, но быть параметрическими, то есть автоматически перестраиваться при изменении отдельных параметров конструкции, задаваемых пользователем.
Анализ показал, что в настоящее время существующие программные комплексы не предоставляют в достаточной мере средств автоматического построения параметрических моделей тепловых процессов типовых конструкций РЭС.
Над подсистемой АСОНИКА-Т трудился целый коллектив разработчиков, по этой тематике защищено несколько кандидатских диссертаций (например, диссертации А. Сарафанова, А. Орлова). Но чем глубже развивается подсистема, тем более сложные задачи возникают и требуют решения.
Для проведения теплового расчета необходим ввод параметров конструкции. Это можно сделать различными способами.
Первый способ: по чертежу конструкции составлять МТП. Например, в подсистеме АСОНИКА-Т для теплового расчета нетиповой конструкции предусмотрен диалоговый режим формирования тепловой модели, пользователь задает узлы, виды тепловых связей между ними и геометрические и теп-лофизические характеристики конструкции в диалоге.
Для упрощения задачи в подсистеме АСОНИКА-Т реализован метод автоматизированного синтеза моделей тепловых процессов нетиповых конструкций РЭС на базе типовых элементов. В подсистеме АСОНИКА-Т реализован алгоритм построения МТП ПУ и плоских конструкций (ПК). Также реализованы алгоритм построения МТП корпуса блока, алгоритм стыковки корпуса и ПУ, алгоритм автоматизированного синтеза МТП блока модульного типа, алгоритм автоматизированного синтеза МТП кассетной (этажероч-ной) конструкции с принудительным и естественным охлаждением.
Таким образом, весь процесс автоматизированного синтеза МТП нетиповых конструкций РЭС разбит на четыре уровня. Причем каждый из них важен и наиболее эффективен при решении тех или иных задач моделирования тепловых процессов, в зависимости от сложности рассматриваемой конструкции.
Первый уровень является наиболее эффективным, так как построение МТП осуществляется полностью в автоматическом режиме. Этот уровень используется в том случае, когда нетиповая конструкция сама по себе является типовым элементом, примером могут служить конструкции шкафа или блока модульного типа. При построении МТП на данном уровне пользователь задает необходимые теплофизические, геометрические параметры, а также, по запросу подсистемы, конструктивные данные.
Второй уровень эффективен в том случае, когда исследуемая нетиповая модель может быть разбита на составляющие типовые элементы. На данном уровне осуществляется анализ исследуемой конструкции для выявления в ней типовых элементов для последующей ее декомпозиции. Далее из библиотеки выбираются необходимые типовые элементы, синтез которых осуществляется автоматически (корпус блока, пластина). Пользователь вручную определяет связи между элементами. Таким образом, МТП типовых элементов строятся автоматически, а связи между ними задаются пользователем вручную.
На третьем уровне автоматизации пользователь при создании модели тепловых процессов использует типовые элементы, созданные им вручную и записанные в библиотеку типовых элементов. Третий уровень аналогичен второму, за исключением того, что точность МТП типового элемента полностью зависит от самого пользователя.
Последний, четвертый уровень самый долговременный и требует наибольших затрат. Он используется только в том случае, когда при декомпозиции исследуемой конструкции нельзя выделить типовые элементы из БД. Пользователь вручную строит МТП конструкции.
Концепция построения тепловых параметрических моделей объемных типовых конструкций на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М
При экспериментальных изучениях теплопроводящих свойств границы раздела при определении закона теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой определяют непосредственное отношение XplAx, которое называют коэффициентом теплоотдачи или коэффициентом теплообмена а. Для границы твердого тела и окружающей среды могут быть заданы граничные условия различных родов.
Граничные условия первого рода заключаются в том, что задается распределение температуры на поверхности тела (Тп) как функция положения точки и времени: Tn=f(xn, уп, zn,x), (2.10) где хп, уп, zn - координаты, т- время (для стационарного режима т исключается).
Для расчета на стадии проектирования РЭС задание граничных условий первого рода не представляется возможным, т.к. не реализована еще сама конструкция РЭС и не определены экспериментально температуры граничных поверхностей тел.
Граничные условия второго рода заключаются в задании плотностей теплового потока, проходящего через каждый элемент поверхности в функциях координат и времени: qn=f(xn, уп, гшт). (2.10) Такие граничные условия имеют место на границах ЭРИ и элементов конструкции РЭС с воздухом внутри РЭС.
Плотность теплового потока qn можно выразить по формуле Ньютона, куда входит коэффициент а: qn= а (Тп - Тср).
Проведя с формулой (2.9) преобразования, аналогичные преобразованиям с формулой (2.6), получаем: [ ?; -ft „)-Gx -(Т0 -Т2 )\+[Gy .{Т3 -Та )-Gy .(Г0 -Г4)]+ +Н -fc -r0)-G {Т0 s)]+Q, =0, (2.11) где G х= а Ay Az — тепловая проводимость от поверхности твердого тела в окружающую среду.
Это уравнение имеет аналогом уравнение первого закона Кирхгофа для суммы токов узла схемы, представленной на рис.2.5. Граничные условия третьего рода заключаются в задании температуры окружающей среды и закона теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Такие условия имеют место, например, на границе корпуса РЭС с окружающей средой. При задании граничных условий третьего рода формула (2.11) примет вид: G/ {Тср -Г, )- .(Т0 -Тг )\фу -{Т3 -Тл)-0, .(Г0 -Т4)]+ +[G \т5 -т0)-а .(г0 -гб)]+а =о, (2.12)
Отличие (2.12) от (2.11) лишь в том, что известна температура Ть равная Тср. Это уравнение имеет аналогом уравнение первого закона Кирхгофа для суммы токов узла схемы, представленной на рис.2.6. 2оЩ U - Tt p Рис.2.6. Фрагмент электрической схемы, моделирующей процессы теплопередачи в элементарном объеме и на границе с окружающей средой при задании граничных условий третьего рода
Граничные условия четвертого рода заключаются в задании температур или градиента температур в месте раздела сред. Условия такого рода имеют место на поверхности соприкосновения двух или нескольких сред с различными коэффициентами теплопроводности. Таким случаем может быть контакт мощного полупроводникового прибора с теплоотводом, трансформатора с корпусом блока, соединение двух элементов конструкции и т.п.
Структура, входные и выходные данные модулей БКТ, БЭТ, БЦТ..
Модуль — это набор ресурсов (функций, процедур, констант, переменных, типов и т.д.), разрабатываемых и хранимых независимо от использующих их программ. Модуль может содержать достаточно большой набор процедур и функций, а также других ресурсов для разработки программ. Обычно каждый модуль содержит логически связанные между собой программные ресурсы. В основе идеи модульности лежат принципы структурного программирования. Модуль имеет следующую структуру: Unit имя модуля ; {заголовок модуля} Interface {интерфейсная часть} Implementation {раздел реализации} Begin {раздел инициализации модуля} End.
После служебного слова Unit записывается имя модуля, которое должно совпадать с именем файла, содержащего данный модуль.
В разделе Interface объявляются все ресурсы, которые будут в дальнейшем доступны программисту при подключении модуля. Для подпрограмм здесь указывается лишь полный заголовок.
В разделе Implementation реализуются все подпрограммы, которые были ранее объявлены. Кроме того, здесь могут содержаться свои константы, переменные, типы, подпрограммы и т.д., которые носят вспомогательный характер и используются для написания основных подпрограмм. В отличие от ресурсов, объявленных в разделе Interface, все, что дополнительно объявляется в Implementation, уже не будет доступно при подключении модуля. При написании основных подпрограмм достаточно указать их имя (т.е. не нужно полностью переписывать весь заголовок), а затем записать тело подпрограммы.
Наконец, раздел инициализации (который часто отсутствует) содержит операторы, которые должны быть выполнены сразу же после запуска программы, использующей модуль.
Каждый модуль должен быть откомпилирован. Откомпилированные модули подключаются к программе, где планируется его использование.
Модули БКТ, БЭТ, БЦТ имеют имена TeploBkt, TeploBet, TeploBtzt.
В разделе Interface объявляются все стандартные для среды объектно-ориентированного программирования (ООП) Delphi ресурсы, которые будут в дальнейшем доступны программисту при подключении модулей: Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, StdCtrls.
В разделе Implementation каждого модуля дополнительно объявлен модуль сохранения геометрических, механических и тепловых параметров конструкции каждого типа: БКТ, БЭТ, БЦТ подсистемы АСОНИКА-М с именем Udata. Также в этом разделе содержится подпрограмма, формирующая МТП конструкций каждого типа: БКТ, БЭТ, БЦТ для всех условий охлаждения.
Т.к. конструкции указанных типов имеют много общего, алгоритмы создания МТП данных конструкций аналогичны (см. п. 2.2 и 2.3), и модули для создания МТП имеют одинаковую структуру, входные и выходные данные модулей для создания МТП данных конструкций также одинаковы для всех типов конструкций. Рассмотрим их подробно: параметры корпуса блока: - геометрические параметры корпуса блока (длина, ширина, высота блока, толщина стенок); - количество опор; - количество контрольных точек; - тепловые параметры материала корпуса блока: теплопроводность, коэффициент черноты, удельная теплоемкость; - коэффициент облученности конструкции; - условия эксплуатации блока: ? вакуум или среда. При наличии среды условия охлаждения: естественное, перфорация или принудительное. При наличии перфорации или принудительного охлаждения: скорость обдува, коэффициент заполнения канала; ? наличие или отсутствие теплоотводящей поверхности. В случае ее наличия температура теплоотводящей поверхности и коэффициент смазки; ? параметры окружающей среды: температура окружающей среды, давление окружающей среды; параметры ПУ: - геометрические параметры ПУ: длина, ширина и толщина; - параметр расположения в блоке: - количество и диаметр шпилек (для БКТ); - теплофизические параметры материала ПУ: коэффициент теплопроводности, коэффициент черноты, удельная теплоемкость; - мощность тепловыделения ПУ; - коэффициент облученности; параметры шпилек или разъемов ПУ: - координаты положения; - теплофизические параметры материала: коэффициент теплопроводности, коэффициент черноты, удельная теплоемкость; параметры элементов крепления блока: - номер грани блока, на котором располагается крепление; - тепловые параметры материала: теплопроводность, коэффициент черноты, удельная теплоемкость; - форма (круглое или прямоугольное); - геометрические размеры крепления и его расположения: если крепление круглое, то радиус, если прямоугольное, то длина и ширина); параметры контрольной точки: - номер грани блока, на котором располагается контрольная точка; - координаты точки. Выходными данными для построения МТП БКТ, БЭТ, БЦТ является текстовый файл, который содержит модель тепловых процессов для блоков соответствующих типов.
Проверка правильности построения МТП для блоков кассетной конструкции
Проведены тепловые расчеты для блоков этажерочной конструкции сложного типа с различным количеством этажерок - две и три.
Тепловой расчет проводился для БЭТС со следующими параметрами: параметры блока: - геометрические параметры блока (длина - 372 мм, ширина -221 мм, высота блока - 60 мм, толщина стенок - 3 мм); - количество этажерок - две и три; - количество внутренних элементов - 10; - тепловые параметры материала блока: теплопроводность - 170 Вт/м К., коэффициент черноты — 0.04, удельная теплоемкость - 830 Дж/(кг К); - коэффициент облученности конструкции - 0.3; - условия эксплуатации блока: среда, условия охлаждения: естественное; ? наличие теплоотводящей поверхности. Температура теплоотводящей поверхности - 10С и коэффициент смазки - 0.7; ? параметры окружающей среды: температура окружающей среды - 20С , давление окружающей среды - 760 мм. рт. ст; параметры первой этажерки: - смещение по осям относительно левого нижнего угла блока по оси х — 12 мм, по оси у - 27 мм; - количество печатных узлов (ПУ) - 4; - режим прохождения шпилек - крепятся к нижней грани корпуса; параметры второй и третьей этажерок для краткости не укажем; параметры первого ПУ первой этажерки: - смещение по осям относительно левого нижнего угла этажерки по оси х - 0 мм, по оси у - 0 мм.; - геометрические параметры ПУ: длина - 160 мм., ширина - 100 мм. и толщина- 1.5 мм.; - параметр положения в этажерке: расстояние от основания этажерки - 10 мм.; - количество шпилек - 6 шт. и диаметр шпилек - 3 мм.; - теплофизические параметры материала ПУ: коэффициент теплопроводности - 0.5 Вт/м К., коэффициент черноты - 0.8, удельная теплоемкость - 0.4 Дж/(кг К); мощность тепловыделения ПУ - 2 Вт; - коэффициент облученности - 0.3; параметры всех остальных ПУ первой, второй и третьей этажерок не приведены для краткости; параметры первой шпильки первого ПУ первой этажерки: - координаты положения шпильки на поверхности ПУ: расстояние по оси х - 5 мм., по оси у - 5 мм.; - параметр прохождения шпилек (до какого этажа в данной этажерке идут шпильки - до нулевого, т.е. до нижней стенки блока); - теплофизические параметры материала шпильки: теплопроводность - 170 Вт/м К., коэффициент черноты - 0.04, удельная теплоемкость - 830 Дж/(кг К); параметры всех остальных шпилек первого ПУ первой этажерки и всех остальных ПУ всех этажерок не приведены для краткости; параметры первого внутреннего элемента: - номер грани блока, на котором располагается элемент - 4; - признак: внутри или снаружи блока располагается элемент -снаружи; - координаты смещения по поверхности грани блока - по оси х - 33.5 мм., по оси z - 4 мм.; - геометрические параметры: длина - 35 мм., ширина - 35 мм., толщина- 11 мм.; - признак, является ли элемент радиатором или тепловыделяющим элементом - является тепловыделяющим элементом; - для тепловыделяющего элемента: мощность тепловыделения -0.1 Вт; параметры всех остальных внутренних элементов для краткости не приведены. Наименование этапов работ и количественные характеристики затраченного времени на каждый этап для ручного ввода МТП БЭТС приведены в табл. 4.13.
Автоматически созданные МТП для ЭТС, содержащих две и три этажерки, полностью идентичны МТП, созданным вручную. Результаты расчетов на основе автоматически созданных МТП полностью совпадают с результатами, полученными на основе МТП, созданных вручную.
График зависимости времени на создание МТП и проведение теплового расчета с использованием ручного ввода МТП конструкций БЭТС на базе подсистемы АСОНИКА-Т и при автоматизированном синтезе тепловых параметрических моделей на базе графических интерфейсов подсистемы АСОНИКА-М от количества этажерок приведен на рис.4.29.
Проведение теплового расчета с использованием ручного ввода МТП шкафа в подсистеме АСОНИКА-Т.
Проведены тепловые расчеты для конструкций типа «шкаф» с различным количеством блоков - два и три. Тепловой расчет проводился для конструкций типа «шкаф» со следующими параметрами: - естественное охлаждение; - размер шкафа по оси х - 200 мм.; - размер шкафа по оси у - 300 мм.; - размер шкафа по оси z - 500 мм.; - толщина стенок корпуса шкафа - 3 мм.; - температура окружающей среды 20С; - размер каждого блока по оси z - 150 мм.; - мощность тепловыделения каждого блока внутри шкафа - 20 Вт; - давление окружающей среды - 760 мм. рт. ст.; - коэффициент черноты материалов блоков и корпуса шкафа - 0.8; - степень облученности конструкции - 0.3; - коэффициент теплопроводности материалов блоков и корпуса шкафа -170 Вт/м К.
2
