Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование технологии автоматизированного проектирования бортовых электронных устройств 13
1.1. Обзор программных средств моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов в бортовых электронных устройствах 14
1.2. Концепция комплексного математического моделирования разнородных физических процессов при разработке БЭУ в рамках системы АСОНИКА 36
1.3. Постановка задачи диссертации 46
1.5. Выводы по главе 1 48
Глава 2. Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ 49
2.1. Требования к методу комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ 49
2.2. Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ 50
2.3. Разработка макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУ 92
2.4. Выводы по главе 2 101
Глава 3. Разработка программного обеспечения подсистемы комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах АСОНИКА-П 102
3.1. Требования к подсистеме комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах 102
3.2. Место подсистемы комплексного моделирования физических процессов в рамках системы АСОНИКА 103
3.3. Архитектура программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П 108
3.3.1. Структурная схема подсистемы комплексного моделирования физических процессов в бортовых электронных устройствах АСОНИКА-П 110
3.3.2. Модель классов программы моделирования SCHMAKER.EXE 115
3.3.3. Модель классов графического редактора LIBMAKER.EXE . 127
3.3.4. Модель классов программы MMODELS.EXE 129
3.4. Программная реализация подсистемы 132
3.5. Выводы по главе 3 133
Глава 4. Разработка методического обеспечения подсистемы, экспериментальная проверка и внедрение научных результатов диссертации 134
4.1. Разработка методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ 134
4.2. Разработка методики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента 141
4.3. Разработка методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ 144
4.4. Описание экспериментальных исследований 153
4.4.1. Экспериментальное исследование тепловых процессов в изделии ГИБ 155
4.4.2. Экспериментальное исследование комплексных тепло-аэродинамических процессов в БЦВМ-486-2 156
4.4.3. Экспериментальное исследование тепловых и механических процессов в конструкции БНК-3 160
4.5. Выводы по главе 4 164
Заключение 165
Список литературы
- Концепция комплексного математического моделирования разнородных физических процессов при разработке БЭУ в рамках системы АСОНИКА
- Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ
- Архитектура программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П
- Экспериментальное исследование комплексных тепло-аэродинамических процессов в БЦВМ-486-2
Введение к работе
В настоящее время применение автоматизированных средств проектирования в процессе разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) стало нормой. Одновременно с ростом сложности электронной аппаратуры, к которой относятся и БЭУ, происходит совершенствование средств проектирования, разрабатываются новые методы, модели и методики, на основе которых создается математическое, методическое, программное, информационное обеспечение. Главная цель всех этих разработок - повысить оперативность и качество проектирования, что, в свою очередь, позволит повысить конкурентоспособность изделий.
Одним из основных направлений в данной области является применение средств математического моделирования разнородных физических процессов (электрического, теплового, аэродинамического и механического) в БЭУ, которые позволяют заменить дорогостоящие длительные испытания более быстрыми и дешевыми вычислительными экспериментами.
Таким образом, с помощью математического моделирования решаются следующие задачи:
Обоснование изменений в конструкции БЭУ, необходимых для удовлетворения требований технического задания, без проведения испытаний. Предпосылкой к этому является невозможность эмпирических поисков приемлемого варианта конструкции БЭУ, представляющего собой систему многих тел с источниками и стоками энергии, сложным образом распределенных в пространстве и времени [41]. При этом конструктивные элементы БЭУ имеют большое количество возможных комбинаций размеров, форм, условий размещения в пространстве, параметров материалов и т.д.
Выявление скрытых системных отказов, проявляющихся при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляющихся, если воздействие тех же факторов разнесено во времени. Проведение комплексного математического моделирования для выявления системных отказов может иметь решающее значение при обеспечении надежности работы аппаратуры в реальных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что проведение соответствующих испытаний отсутствует необходимая испытательная база.
Однако данный подход имеет недостатки, главный из которых состоит в том, что комплексное моделирование устройства в целом осуществляется на этапах проектирования, когда принципиальные решения относительно многих параметров конструкции (габаритных размеров, размещения компонентов, способов виброизоляции и отвода тепла и т.д.) приняты и детально проработаны. Но их объединение не позволяет обеспечить требования технического задания ввиду того, что между отдельно разрабатывавшимися частями существовали связи, о которых
проектировщики не подозревали. В результате получается, что выявленные недостатки невозможно устранить путем лишь частичного изменения отдельных конструктивных элементов, так как в процессе разработки возникновения именно такой ситуации не было учтено. Причем затраты на кардинальную переделку конструкции и электрической схемы БЭУ к этому моменту становятся сравнимыми с началом новой разработки. Причина данного явления кроется в высокой сложности процессов, протекающих в современных БЭУ. Поэтому разработчик, руководствуясь только собственным опытом, часто не в состоянии предсказать режимы их работы даже качественно.
Выходом из положения может быть применение методов и средств информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ (следующих непосредственно за этапом получения технического задания) в виде программ и методик комплексного математического моделирования.
Так как для ранних этапов проектирования нет какого-нибудь единодушно принятого определения, в данной диссертационной работе к ним отнесен этап эскизного проектирования, в особенности те его стадии, когда принимаются принципиальные решения (определяются габаритные размеры, компоненты, способы виброизоляции, система охлаждения и т.д.). Причем данные принципиальные решения должны позволять обеспечить две основных характеристики БЭУ:
выполнение электрической схемой функций, определенных в техническом задании, при наличии жёстких внешних физических воздействий тепловых и механических факторов, изменяющих электрические параметры радиоэлементов;
надёжность, т.е. высокую первичную безотказность (при нормальных условиях эксплуатации), а также надежность при комплексном воздействии электрической, тепловой и механической нагрузки на электрорадиоэлементы.
Поэтому в данной диссертационной работе к средствам информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ отнесено следующее:
программное, математическое, методическое и информационное обеспечение комплексного моделирования электрического, теплового, аэродинамического и механического процессов в БЭУ с использованием параметризованных моделей;
программное обеспечение обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ (теоретическая информация, практические задания и лабораторные практикумы для обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов в БЭУ);
программное и информационное обеспечение, предназначенное для предоставления информации в рамках предметной области, к которой
относятся: параметризованные комплексные модели физических процессов в БЭУ; геометрические и теплофизические параметры элементов конструкций БЭУ; примеры конструкторских решений и экспертные рекомендации по разработке БЭУ.
В связи с тем, что для выбора верного направления разработки БЭУ необходимо исследовать и сравнить между собой несколько принципиально разных вариантов конструкций, основным требованием к моделированию на ранних этапах является минимальное время его проведения. Использованию программных средств математического моделирования на ранних этапах проектирования мешают такие факторы как:
длительное время построения и анализа упрощенных моделей БЭУ (свойственных ранним этапам разработки) сопоставимое со временем исследования полной модели;
сложность изменения параметров существующих моделей при исследованиях в рамках работ по приведению их в соответствие с новыми условиями и требованиями;
ограниченность информации относительно параметров объекта разработки, без которых моделирование проводиться не может;
сложность учета взаимного влияния действующих на БЭУ факторов, в особенности тепловых и механических воздействий;
отсутствие квалифицированных кадров и т.д.
Вопросам моделирования тепловых процессов ряд работ таких авторов, как: Алексеев В.А. [2-5], Дульнев Г.Н. [39-41], Кутателадзе С.С. [71], Леонтьев А.И. [103], Лыков А.В. [73, 74], Михеев М.А. [80], Петухов Б.С. [86], и др. Теория моделирования потов жидкости и газа рассмотрена в трудах Идельчика И.Е. [46], Кутателадзе О.С. [70], Норенкова И.П. [82, 83], Трудоношина В.А. [100]. Моделирование тепловых процессов в электронной аппаратуре с учетом аэродинамических факторов описано в работах Дульнева Г.Н. и Резникова Г.В. [94, 95] Моделированию механических процессов посвящены труды Маквецова Е.Н. [75-77], Писаренко Г.С. [87], Тартаковского A.M. [76, 77, 102], Тимошенко С. П. [104]. В данных работах освещены общие вопросы взаимосвязи тепловых и аэродинамических, а так же тепловых и механических процессов.
В МИЭМ вопросами моделирования физических процессов и автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств занимались: Батуев В.П. [9], Борисов Н.И. [10], Галиулин В.М. [32], Грачев Н.Н. [36], Гридин В.Н. [37], Засыпкин СВ. [45, 60], Кожевников A.M. [52], Кофанов Ю.Н. [54-68], Коновальчук А.С. [53], Крищук В.Н. [69], Лисицын А.В. [72], Сарафанов А.В. [34-35, 62, 97-99], Солодовников И.В. [101], Шалумов А.С. [55, 62, 64, 67], Желтов Р.Л. [44].
Эти и другие авторы внесли большой вклад в теорию и практику применения математического моделирования в процессе разработки электронной аппаратуры. Однако, в работах данных авторов недостаточно
внимания уделено решению вопросов комплексного моделирования БЭУ на ранних стадиях проектирования, в частности вопросам параметризации моделей и обучения моделированию.
Как показал проведенный в диссертационной работе обзор, большинство из существующих в настоящее время программных средств анализа тепловых и механических процессов, таких как: ANSYS, NASTRAN, WinTherm, Cosmos/Works, SINDA и др., ориентированны на проведение моделирования машиностроительных конструкций, а не электронных устройств, с чем сопряжен ряд трудностей ввода и проведения расчета. В частности для печатного узла невозможно промоделировать его точную трехмерную геометрическую модель, так как возникают ошибки на этапе построения конечно-элементной сетки. Для устранения этого недостатка приходится проводить его идеализацию и упрощение. Однако и после этого остаются трудности, связанные с установкой большого количества сопряжений и задания граничных условий. Кроме того, данные программы позволяют только частично учесть взаимосвязь электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов, протекающих в БЭУ.
С другой стороны системы, ориентированные на анализ электронных устройств, такие как АСОНИКА-Т и BetaSoft не позволяют моделировать механический и аэродинамический процессы, а так же электрические схемы. Поэтому для проведения моделирования всех протекающих в БЭУ физических процессов, даже после того, как все необходимые параметры и характеристики конструкции и электрической схемы определены, необходимо использовать несколько различных систем, причем часто эти системы не совместимы на уровне входной/выходной информации, что создает дополнительные трудности.
Следует отметить, что существующие программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении, поэтому самостоятельное их изучение - процесс длительный и сложный. Понимая это фирмы, являющиеся разработчиками программного обеспечения, предлагают пройти специальные курсы, на которых проводится обучение использованию данных систем в процессе проектирования. Но акцент делается не на изучение самого процесса моделирования, а на то, какие возможности имеют их программы. В результате, когда перед разработчиком встают вопросы идеализации протекающих в конструкции физических процессов, ему приходится действовать методом проб и ошибок.
Поэтому актуальной задачей для создания БЭУ с высокими показателями технического уровня является разработка математического, методического, программного и информационного обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ.
Цель диссертационной работы состоит в снижении погрешностей моделирования бортовых электронных устройств при их
автоматизированном проектировании за счет учета в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов.
Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач:
выполнение анализа существующих программных средств комплексного математического моделирования разнородных физических процессов и исследование возможности их применения для решения задач автоматизированного проектирования БЭУ;
разработку метода комплексного моделирования физических процессов в при автоматизированном проектировании БЭУ;
разработку в рамках комплексной модели топологической макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУ;
разработку архитектуры подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ;
выполнение программной реализации разработанного метода комплексного моделирования разнородных физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы;
разработку методического обеспечения подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ;
проведение экспериментальной проверки разработанных в рамках концепции метода, макромодели, методического и программного обеспечения подсистемы, путем внедрения в практику проектирования БЭУ и учебный процесс вузов.
В процессе выполнения диссертационной работы использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования физических процессов, дидактические основы обучения, теория вероятности и математической статистики, принципы объектно-ориентированного программирования.
При решении поставленных в работе задач получены следующие новые научные результаты.
Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся возможностью проведения анализа БЭУ на основе комплексных параметризованных моделей тепловых, аэродинамических и механических процессов в БЭУ.
В рамках комплексной модели разработана макромодель амортизированного блока, позволяющая проводить анализ механических режимов БЭУ с многоуровневой системой виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий всех элементов (от шкафа до печатного узла), входящих в конструкцию (учитывается динамический характер взаимодействия), в рамках одной модели. За счет этого достигается увеличение точности моделирования. Причем время анализа модели
конструкции с тремя уровнями виброизоляции на гармоническую вибрацию не превышает 10 секунд на компьютере с частотой процессора 500 Мгц.
3. На основе разработанных метода и программных средств предложены методики:
комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ;
составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ;
верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.
Методики основаны на проведении комплексного моделирования разнородных физических процессов с помощью параметризованных моделей и взаимодействии подсистемы АСОНИКА-П с проблемными подсистемами системы АСОНИКА.
Практическая полезность работы состоит в том, разработанные в ней концепция, метод, макромодель, программные средства и методики позволяют:
Сокращать сроки проектирования за счет более раннего исключения из дальнейшего рассмотрения вариантов конструкций, не удовлетворяющих требованиям технического задания.
Улучшать технический уровень БЭУ за счет раннего выявления предпосылок к появлению системных отказов и принятия адекватных мер по их устранению.
3. Проводить подготовку и переподготовку специалистов в области
автоматизированного проектирования БЭУ на основе комплексного
математического моделирования.
Разработанные концепция, метод, методическое обеспечение и программные средства использовались в научно-исследовательской работе, проводившейся кафедрой «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ по заказу министерства образования Российской Федерации с 2000 по 2002 год «Создание межотраслевой системы компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях» № 100378.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Ковровской государственной технологической академии, Красноярского государственного технического университета, Сибирской аэрокосмической академии, а так же использовались при проектировании БЭУ на предприятиях: государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи» дочернее предприятие федерального государственного предприятия «НПП «Волна» (г. Москва); ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (г. Москва); Государственный научно-исследовательский институт
приборостроения (г. Москва); ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» (г. Москва);
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1997-2000 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2001-2002 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.), 53-й и 57-й научных сессиях, посвященных дню радио (г. Москва, 1998г., 2002 г.), 3 Международной выставке-конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании» (г. Москва, 2001 г.), научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1998 г.), научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Москва, 1998 г., 1999 г., 2001-2003 г.), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.)
По теме диссертационной работы опубликовано двадцать научных трудов, в том числе две статьи, материалы вошли в два отчета по НИР.
Диссертационная работа содержит введение, 4 главы с выводами, заключение, список литературы и приложения, включающие в себя акты внедрения, результаты расчётов, описание и руководство пользователя разработанных программных средств.
В первой главе проведен обзор программных средств применяемых при моделировании БЭУ. Показано, что потребность создания математического, программного, информационного и методического обеспечения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ вызвана снижением эффективности применения существующих методов, из-за высокой сложности объекта разработки и высокой вероятности появления системных отказов. Для устранения этих недостатков предлагается использовать комплексное математическое моделирование конструкций БЭУ с применением параметризованных моделей. Так же отмечена необходимость подготовки инженерных работников, владеющих знаниями и навыками проведения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ.
На основе проведенных исследований составлены требования к подсистеме комплексного математического моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработан метод комплексного моделирования физических процессов пи автоматизированном проектировании БЭУ.
Метод основан на комплексной параметризованной модели разнородных физических процессов в БЭУ, модели поддержки создания комплексных моделей и их взаимодействии с электронным макетом конструкции БЭУ. При этом параметризацией комплексной модели физических процессов называется выделение при её структурном построении таких сквозных параметров и арифметических выражений, с помощью которых можно отождествлять параметры подмоделей единой комплексной модели между собой.
Так же во второй главе разработана топологическая макромодель амортизированного блока, позволяющая проводить анализ механических режимов БЭУ с многоуровневой системой виброизоляции в рамках единой комплексной модели конструкции.
Данные метод и макромодель реализованы в подсистеме комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ АСОНИКА-П, которая используется в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики, а так же применялась для моделирования и разработки БЭУ на предприятиях (КБ ИГАС, ГосНИИП, ЦНИИ «Циклон», ОАО «АВЭКС»), с которыми имеет связь кафедра РТУиС.
В третьей главе Приведена структура системы АСОНИКА и определено место подсистемы комплексного математического моделирования физических процессов при проектировании БЭУ в рамках данной системы. Показано, что использование комплексного математического моделирования БЭУ, как средства обоснования выбора того или иного проектного решения на текущей стадии разработки, позволяет повышать технический уровень изделий и выявлять системные отказы.
Представлены результаты разработки программного и информационного обеспечения подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ, в основу которой положен разработанный в главе 2 метод. В главе 3 отображены следующие вопросы разработки подсистемы: требования к подсистеме, разработка архитектуры подсистемы, программная реализация подсистемы.
В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, а также приведено описание экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе. Кроме этого приведены результаты внедрения разработанных концепции, метода, макромодели и подсистемы на предприятиях промышленности и в высших учебных заведениях.
Работа выполнена на кафедре «Радиотехнические и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики.
Научные консультанты:
по вопросам моделирования процессов тепломассообмена в БЭУ -д.т.н., профессор Сарафанов А.В.;
по вопросам моделирования механических процессов в БЭУ с учетом температуры - д.т.н., профессор Шалумов А.С;
по вопросам надежности - к.т.н., доцент Жаднов В.В.
Концепция комплексного математического моделирования разнородных физических процессов при разработке БЭУ в рамках системы АСОНИКА
К настоящему времени сложность радиоэлектронной аппаратуры достигла такого уровня, что разработчик часто не в состоянии предсказывать режимы ее работы, даже качественно, руководствуясь при этом только собственным опытом и знаниями. Это обстоятельство особенно сильно проявляется при проектировании бортовых радиоэлектронных устройств (БЭУ), характеризующихся высокой степенью интеграции и сложными алгоритмами функционирования при жестких требованиях по надежности, удельным массогабаритным показателям, помехозащищенности. Вопрос осложняется еще и тем, что БЭУ подвергаются воздействиям целого ряда дестабилизирующих факторов, которые могут быть взаимосвязаны между собой. Такого рода взаимодействие приводит к возникновению так называемых системных отказов, имеющих место в моменты одновременного действия нескольких факторов на объект и не проявляющихся, если те же факторы действуют в различные моменты времени. Поэтому многие недостатки конструкций БЭУ выявляются на этапах испытания опытных образцов и после начала выпуска изделия, уже в процессе его эксплуатации. Сократить количество итераций в процессе проектирования БЭУ, связанных с многократными изменениями уже готовых конструкций можно с помощью средств комплексного математического моделирования физических процессов.
Проектирование БЭУ может быть определено как процесс поиска его структуры и характеристик параметров для обеспечения требований к эксплуатационно-техническим характеристикам [84]. Кроме электрических характеристик для БЭУ одними из наиболее важных эксплуатационно-технических характеристик являются тепловые и механические характеристики. Поскольку эти процессы в БЭУ взаимосвязаны, обеспечение требований к ним является сложной комплексной задачей. В связи с одновременным ростом сложности электронных устройств, ужесточением требований к удельным показателям и надежности важной задачей является разработка и внедрение методов и средств проектирования БЭУ с учетом комплексного характера протекания электрического, теплового, аэродинамического и механического процессов [62]. При этом проектирование БЭУ должно позволять выбирать такую структуру и характеристики параметров устройства, ее системы охлаждения и виброизоляции, которые обеспечивали бы заданные требования к тепловым и механическим характеристикам. Причем одновременно необходимо обеспечить стабильность электрических характеристик устройства и устойчивость к возникновению системных отказов. Практика проектирования сложных технических объектов, к которым относятся и БЭУ, показывает, что этот процесс является итерационным. При этом можно выделить три основных типа задач, решаемых разработчиком [1, 38,88].
Задача первого типа — это поиск при заданных требованиях наиболее эффективной функциональной структуры (ФС) и физического принципа действия (ФПД). Под ФС в данном случае понимается совокупность элементов, из которых состоит объект разработки и связей между этими элементами. Связи в свою очередь делятся на конструктивные и потоковые. Конструктивные связи определяют реализуемые элементом физические операции (например, элемент 1 - корпус, элемент 2 - внешние факторы, конструктивная связь - защита от воздействия внешних факторов). Потоковые связи описывают потоки преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов (например, элемент - корпус, потоковая связь -ослабление радиоактивного излучения). ФПД является совокупность физического объекта, входного и выходного потоков вещества, энергии, сигналов (например, физический эффект - закон теплопроводности Фурье, вход - температура Т, выход - температура Тг). При решении этой задачи существуют варианты, выбрать подходящие (лучшие) ФС и ФДП из уже известных, создать новое сочетание ФС и ФПД, разработать новую ФС.
Таким образом, ТР - это конструктивно оформленные ФС и ФПД. В процессе проектирования подходящее ТР может выбираться из уже существующих или создаваться новое. Новые ТР составляют наибольшее число изобретений, с точки зрения патентоведения.
Определение оптимальных значений параметров при заданном ТР — это задача третьего типа. Если ТР является «безразмерным описанием» ТО, то результатом решении задачи третьего типа является количественное описание всех параметров конечного изделия, таких как масса, размеры, параметры ЭРЭ, значения входных воздействий, выходных характеристик и т.д. На этом этапе получают всю информацию, которая необходима для изготовления и эксплуатации ТО.
В процессе проектирования могут быть выделены ранние этапы. В данной диссертационной работе к ним отнесены этапы технического предложения и эскизного проекта, на которых принимаются принципиальные решения (определяются габаритные размеры, компоненты, способы виброизоляции, системы охлаждения и т.д.). На данных этапах затраты на переделку конструкции и электрической схемы БЭУ минимальны, а основным требованием к моделированию является минимальное время расчета, так как приходится сравнивать несколько принципиально разных вариантов. Рассматривая ранние этапы с точки зрения решения конструкторских задач можно отметить, что к ним относятся задачи 1-го и 2-го типов.
Широко представленные в литературе [1, 15, 16, 38, 88, 107, 111] эвристические методы, такие как: методы прямой и обратной мозговой атаки, метод эвристических приемов, метод гирлянд ассоциаций и метафор, ТРИЗ и т.д. теоретически могут быть использованы для решения задач первых двух типов. Однако на практике их применение затруднено, так как сложность большинства современных БЭУ настолько высока, что даже качественное предсказание результатов только на основе накопленного опыта не представляется возможным.
Основываясь на вышеизложенном, принятый в настоящее время итерационный алгоритм проектирования БЭУ, можно представить в следующем виде (рис. 1.5). Сейчас все операции блоков 1, 2 и часть операций блока 3 разработчики выполняют, руководствуясь только собственным опытом и интуицией. А ведь именно неверные решения, принятые в этих этапах, приводят к неоднократным возвратам назад и способствуют затягиванию процесса разработки БЭУ. При этом надо так же иметь в виду, что бурное развитие техники, в том числе радиоэлектроники, повышение требований к надежности, удельным показателям, помехозащищенности уменьшают ценность личного опыта разработчика, особенно если к разрабатываемому устройству заказчиком предъявляются качественно новые требования.
Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ
В рамках комплексной модели, входящей в состав метода, разработана топологическая макромодель механических процессов в амортизированном блоке БЭУ, отличающаяся от известных, в том числе описанной в последней защищенной диссертационной работе Данилова М.М., возможностью учета динамического характера взаимодействия амортизированных объектов, а также возможностью учета поворотов основания относительно осей координат. Макромодель позволяет учитывать упругие связи всех элементов (от шкафа до печатного узла), входящих в конструкцию, в рамках одной модели. За счет этого достигается увеличение точности моделирования и уменьшается количество ручных операций, связанных с передачей воздействия с одного уровня виброизоляции на другой. Причем время анализа модели конструкции с тремя уровнями виброизоляции на гармоническую вибрацию не превышает 10 секунд на компьютере с частотой процессора 500 МГц. Данная макромодель может применяться в составе комплексных моделей, что так же отличает её от существующих.
Основываясь на приведенных в первой главе особенностях проектирования БЭУ видно, что для совершенствования данного процесса следует иметь детально проработанный метод комплексного математического моделирования разнородных физических процессов при проектировании БЭУ. Исследование существующих программных средств проектирования позволяет сформулировать следующие основные требования к методу. Метод должен: 1. Позволять проводить иерархический комплексный анализ конструкций БЭУ, для применения при проектировании в условиях различной степени детализации проработки устройства. 2. Организовывать обучение комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов в БЭУ. 3. Иметь возможность моделирования различных вариантов схемно-конструктивного исполнения БЭУ, в том числе нетиповых конструкций. 4. Обеспечивать необходимую точность решения инженерных задач на ранних стадиях проектирования. 5. Предлагать пути улучшения характеристик БЭУ для обеспечения заданных показателей надежности путем анализа параметрической чувствительности и выполнения комплекса эвристических приемов к конструкции устройства. 6. Обеспечивать возможность предварительного выбора вариантов схемно-конструктивного исполнения БЭУ до проведения моделирования. 7. Обеспечивать возможность реализации на компьютере. 8. Обеспечивать возможность, как автономного применения, так и использования в составе автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА.
Метод комплексного моделирования физических процессов при проектировании БЭУ основан на проведении комплексного математического моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов в БЭУ. Данные разнородные физические процессы описываются с помощью топологических моделей, т.е. моделей, представляющих в виде ненаправленного графа схему путей распространения потоковых величин в конструкции или электрической схеме с учетом их идеализации. Переменные ветвей y/ijk (потоковая), Xyk = Pr Pj (потенциальная) (/, j - номера узлов модели, которые соединяет ветвь, к — уникальный номер ветви) и узлов (вершин) (pi (потенциальная), топологических моделей разнородных физических процессов приведены в табл. 2.1.
Топологические модели представляют собой взаимосвязанную совокупность ветвей и узлов. Для удобства визуального восприятия моделей введем различные обозначения ветвей. При этом в изображениях ветвей будем учитывать известную аналогию, существующую между разнородными физическими процессами, причем за основу возьмем изображения ветвей (элементов) электрических цепей. Так изображения диссипативных ветвей будут напоминать электрическое сопротивление, консервативных I рода - емкость, консервативных II рода — индуктивность, источники потоковых входных воздействий - источник тока, источники потенциальных входных воздействий — источники напряжения.
Перечень названий, обозначений и аналитические модели ветвей приведены: для электрических моделей в табл. 2.3, для тепловых моделей в табл. 2.4-2.11 для аэродинамических моделей в табл. 2.12-2.15, для механических моделей в табл. 2.16.
С точки зрения топологии модели тепловых, аэродинамических и механических процессов имеют следующую особенность - консервативные ветви I рода (теплоемкость, аэродинамическая емкость, масса) всегда соединены с узлом, имеющим нулевой потенциал. Поэтому соответствующие параметры находятся только на главной диагонали матрицы дифференциальных проводимостей. Кроме этого в моделях тепловых и аэродинамических процессов отсутствуют консервативные ветви II рода. Данные особенности позволяют использовать для решения соответствующих систем обыкновенных дифференциальных уравнений методы первого порядка без потери точности.
Для электронного макета (ЭМ), сконфигурированного под ранние этапы проектирования, в данной диссертационной работе было выбрано следующее определение: «электронный макет - это единое пространство параметров и переменных моделей разнородных физических процессов в конструкции БЭУ, отражающее схемотехническую и/или конструкторско-технологическую реализацию отдельных частей или БЭУ в целом, полученное на основе комплексных исследований характеристик БЭУ средствами математического моделирования» [97]. Электронный макет конструкции БЭУ модельных параметров ЭМ информация может отображаться в виде: эскизов и чертежей конструкции и монтажного пространства БЭУ, моделей электрических схем, конструкторско-технологической документации, а так же результатов моделирования. Такой способ отображения позволяет разработчику наглядно представить конструкцию и оценить результаты вычислительных экспериментов.
Архитектура программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П
Одной из задач диссертационной работы является разработка подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях бортовых электронных устройств АСОНИКА-П. Подсистема АСОНИКА-П является одной из проблемных подсистем, входящих в состав системы АСОНИКА, реализующей процесс проектирования радиоэлектронных средств (РЭС) в рамках компьютерных технологий. Разработка подсистемы АСОНИКА-П осуществлялась на базе существовавшей ранее подсистемы «Пилот» [22, 25, 29-31, 44] в разработке которой автор также принимал участие. Структурная схема системы АСОНИКА приведена на рис. 3.1, где показаны входящие в её состав проблемные подсистемы, среда «Электронный макет РЭС», интерфейс управляющего комплекса, базы данных и знаний и др., а так же их взаимодействие в рамках данной ИСАПР. Проблемные подсистемы разработаны с учетом, как автономного использования, так и возможности функционирования в режиме комплексного взаимодействия с другими проблемными подсистемами и составными частями АСОНИКА. Это необходимо для проведения в рамках применения ИПИ-технологии комплексного исследования протекающих физических процессов на стадии разработки аппаратуры.
АСОНИКА-Т (ПК ТРиАНА) - подсистема предназначена для компьютерного моделирования стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭС различных уровней иерархии от шкафов до микросборок. Эта подсистема позволяет определять тепловые режимы работы электрорадиоэлементов, тепловые поля печатных узлов, функциональных ячеек, подложек и т.д., а так же температуры конструктивных узлов. В состав АСОНИКА-Т входят программы: MTPEditor, BoardEditor, Conv2triana, Triana. MTPEditor это графический редактор топологических моделей тепловых процессов (МТП), предназначенный для формировать МТП конструкций РЭС и отображения результатов моделирования. BoardEditor это графический редактор конструкций РЭС типа "печатный узел" (ПУ), "функциональная ячейка" (ФЯ), "гибридно-интегральная схема или микросборка" (МСБ), позволяющий создавать геометрические модели конструкций ПУ, ФЯ, МСБ, вести базу данных по геометрическим и теплофизическим параметрам электрорадиоэлементов, отображать результаты моделирования.
Conv2triana это конвертор топологий печатных плат, предназначенный для автоматического преобразования основных параметров ПУ, ФЯ или МСБ, а также схемы размещения ЭРЭ на них из форматов систем топологического проектирования печатных плат (PCAD, ACCEL и др.) в формат ПК ТРиАНА. Triana это математическое ядро, имеющее в своем составе: специализированные программы автоматического синтеза МТП конструктивных узлов РЭС; модуль анализа математической модели, которая может быть сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений; библиотеку аналитических моделей для анализа различных видов теплообмена и их модификаций.
АСОНИКА-ТМ - подсистема комплексного анализа конструкций РЭС разных уровней иерархии на тепловые и сложные механические воздействия. Позволяет получать тепловые и механические характеристики шкафов и стоек, блоков, ПУ и ЭРЭ. В состав подсистемы входят программы: монитор, Prjview, «Тепло», «Механика», «Разброс», «Оптимум» и «Идентификация». Монитор предназначен для организации процесса управления и взаимодействия программного обеспечения подсистемы и предоставляет пользователю возможность выбора задач моделирования и определения входных данных. Prjview - программа графического описания и древовидного представления конструкции РЭС, позволяющая создавать геометрические модели конструкций и отображать результаты моделирования. Программа «Тепло» предназначена для расчета температур ЭРЭ и ПУ. ПК «Механика» предназначен для расчета механических характеристик типовых конструкций РЭС, таких как шкаф, стойка, блок, ПУ. ПК «Механика» позволяет проводить моделирование при следующих видах механических воздействий: гармоническая вибрация, случайная вибрация, ударное воздействие, линейное ускорение, акустический шум и сложное механическое воздействие. В результате моделирования могут быть получены значения функций амплитуды виброускорения, виброскорости, вироперемещения и механических напряжений от времени и частоты; коэффициенты механической нагрузки ЭРЭ, резонансные частоты и др.
АСОНИКА-К - подсистема комплексного анализа и обеспечения показателей надежности и качества. Подсистема позволяет решать задачи оценки надежности РЭС, получая количественные оценки показателей надежности путем компьютерного моделирования. Данная подсистема работает по технологии «клиент-сервер» и состоит из двух частей: клиентской и серверной. Взаимодействие между ними осуществляется через канал связи с использованием протокола обмена данными HTTP. В состав серверной части входят: интерфейс администратора сервера, серверная часть (СЧ) расчетного ядра, СЧ модуля сопряжения, СЧ базы данных и справочная система. Клиентская часть включает: интерфейс пользователя, клиентскую часть расчетного ядра, клиентскую часть модуля сопряжения и пользовательскую часть базы данных.
АСОНИКА-У подсистема управления проектами, позволяющая осуществлять многопроектное, совместное ресурсное планирование, объединение и связь проектов между собой. Подсистема АСОНИКА-У обеспечивает поддержку и повышение эффективности процессов планирования и управления проектом. Основными функциями подсистемы являются планирование и контроль разработки РЭС. Для этого в подсистеме создается информационная модель проекта, прежде всего, в виде план-графика, где систематизируется информация о последовательности работ, исполнителях, необходимых ресурсах, документации и т.д. АСОНИКА-У позволяет: строить функциональную модель проекта (взаимосвязь работ, их последовательность, структура, иерархия); строить календарную модель проекта (сроки работ, критический путь); строить ресурсную модель предприятия (информация о имеющихся ресурсах, структура ресурсов); распределять ресурсы между работами и между проектами (назначать ответственных, исполнителей, указывать необходимое оборудование, планировать расход материалов); оперативно выявлять и исправлять ошибки и недочёты в процессе планирования; формировать отчёты о ходе выполнения проектов.
Подсистема формирования карт рабочих режимов ЭРЭ предназначена для автоматизации документооборота и позволяет заполнять карты рабочих режимов (КРР) ЭРЭ из базы данных и по результатам моделирования физических процессов в РЭС. Применение данной подсистема обеспечивает увеличение эффективности автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств, сокращая его сроки и понижая трудоемкость. При этом повышается качество контроля применения ЭРЭ и оформления конструкторской документации, исключаются субъективные ошибки при расчете допустимых значений и снижается трудоемкость контроля. По результатам работы проблемных подсистем системы АСОНИКА автоматически, с помощью специальных интерфейсов в КРР заносится информация по электрическим, тепловым и механическим режимам работы ЭРЭ. Получаемые таким образом коэффициенты электрической нагрузки и температуры впоследствии используются для расчета показателей надежности РЭС с помощью подсистемы АСОНИКА-К. Подсистема формирования КРР ЭРЭ состоит из двух программ: «Режимы» и «Синхронизация». Программа «Режимы» автоматизирует процесс заполнения КРР ЭРЭ облегчая и ускоряя его. Программа позволяет работать со всеми КРР последней редакции (2000 г.). Программа «Синхронизация» является приложением к программе «Режимы» и позволяет: объединять базы данных, созданные различными пользователями; сортировать информацию в БД в алфавитном порядке; выводить содержимое БД в файл формата MS Word.
АСОНИКА-П - подсистема комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях бортовых электронных устройств (БЭУ). Данная подсистема позволяет проводить математическое моделирование, в том числе комплексное, электрического, теплового, гидравлического (аэродинамического), механического процессов в БЭУ. Моделирование может проводиться в статической, частотной и временной областях. Так же подсистема АСОНИКА-П позволяет проводить обучение персонала предприятий (например, на курсах повышения квалификации) и студентов технических вузов комплексному моделированию физических процессов в БЭУ.
В процессе проектирования подсистема АСОНИКА-П используется на начальных этапах, когда известны только основные параметры и требования к объекту разработки такие как: масса, габаритные размеры, мощность тепловыделения, параметры окружающей среды, механические воздействия и т.д. В этом случае подсистема помогает разработчику РЭС определить, какие комплектующие, материалы, элементную базу следует использовать при создании изделия, а так же определиться с возможными способами отвода тепла и защиты от механических воздействий. Другим случаем проектирования, когда является целесообразным применение данной подсистемы является использование нетиповых конструктивных элементов, расчет которых с помощью других проблемно-ориентированных подсистем системы АСОНИКА не представляется возможным.
Остальные программы, входящие в состав системы АСОНИКА, предназначены для управления работой составляющих системы, обеспечения передачи между подсистемами и хранения информации об объекте разработки. Так как эти вопросы выходят за рамки данной диссертационной работы, не будем останавливаться на них подробно.
Экспериментальное исследование комплексных тепло-аэродинамических процессов в БЦВМ-486-2
Значения рассеиваемых мощностей для печатных узлов конструкций определялись из карт рабочих режимов. Температуры окружающей среды и теплоносителя задавались, исходя из наибольших значений диапазонов, заданных в ТЗ. При экспериментальных исследованиях были получены значения температур в нескольких контрольных точках печатных узлов (ПУ), которые нельзя отождествлять с интегральными температурами ПУ. Определение интегральных значений температур ПУ проводилось с помощью подсистемы АСОНИКА-Т. Для их получения было проведено моделирование тепловых режимов ПУ в подсистеме АСОНИКА-Т, которая позволяет рассчитать тепловое поле платы ПУ и температуры входящих в его состав электрорадиоэлементов, в том числе температуры в контрольных точках ПУ. По этим значениям подсистема АСОНИКА-Т вычисляет интегральную температуру ПУ. Для уменьшения погрешности в вычисленных значениях интегральных температур были уточнены параметры моделей ПУ для подсистемы АСОНИКА-Т по уменьшению разницы температур контрольных точек в эксперименте и в расчёте. В литературе [45, 52, 57, 63, 64, 69] исследовано и описано влияние тепловых нагрузок на физико-механические параметры материалов конструктивных элементов (диссипацию и жесткость), приводящее к изменению механических характеристик печатных узлов. Там же приведены математические выражения для вычисления зависимостей модуля упругости и логарифмического декремента затухания от температуры. Поэтому в экспериментальных исследованиях основное внимание было уделено вопросам параметризации комплексных тепломеханических моделей, а не непосредственному влиянию температур на механические характеристики БЭУ. Параметризация комплексных моделей физических процессов заключалась в выделение при её структурном построении таких сквозных параметров и арифметических выражений, с помощью которых можно отождествлять параметры подмоделей единой комплексной модели между собой. Результаты сравнения результатов расчётов и экспериментов подтверждают возможность применения метода, макромодели, методик и программного обеспечения для разработки конструкций БЭУ. Экспериментальное исследование проводилось с целью проверки метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ и методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ. При проведении испытаний макет гироинерциального блока (ГИБ) был заключен в герметичный цилиндрический контейнер (см. рис. 4.4), моделирующий корпус объекта, в котором изделие будет устанавливаться при эксплуатации. Расчеты тепловой модели конструкции ГИБ в подсистеме АСОНИКА-П показали, что для данного типа конструкций погрешность моделирования интегральных характеристик ПУ лежит в диапазоне от 0,88% до 6,63%, что является приемлемым при проведении инженерных расчетов.
Незначительные отличия в интегральных температурах ПУ полученные с помощью подсистем АСОНИКА-П и АСОНИКА-ТМ подтверждают возможность использования первой для получения граничных условий (ГУ) для анализа режимов ЭРЭ. Следовательно, подтверждается возможность применения метода, методики и программного обеспечения для выполнения расчетов тепловых процессов в конструкциях БЭУ при их автоматизированном проектировании как на уровне интегральных характеристик ПУ, так и для получения ГУ для расчета температур ЭРЭ. Проверка методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ и методики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента была проведена на примере вычислительного эксперимента на комплексной теплоаэродинамической модели бортовой цифровой вычислительной машины БЦВМ-486-2, представленной на рис. 4.5.
Построение комплексной параметризованной модели и её расчет в соответствии с методикой составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ описаны в прил. 2. Параметризация комплексной модели выявила 6 глобальных, 16 локальных аэродинамических и 4 локальных тепловых параметра. Причем в построенной модели параметр Lk (длина канала в направлении продува) входит в качестве первичного параметра в описание ветвей 68 раз. Поэтому при его изменении в комплексной модели составленной без использования параметризации потребуется 68 операций, а в параметризованной операции только 1 операция. В среднем модельный параметр входит в качестве первичного примерно в 15 ветвей. Данное обстоятельство наглядно показывает, что трудоемкость изменения комплексной модели очень высока и без использования параметризации сопоставима с вводом новой модели. Кроме этого из-за необходимости изменения столь большого количества параметров резко возрастает вероятность внесения ошибки в модель. Из описанного выше следует, что методика составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ позволяет значительно повысить уровень автоматизации моделирования на основе нетиповых комплексных моделей при исследовании изменений в параметрах конструкции.
Таким образом, подтверждается возможность применения метода комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУ, методики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в конструкциях БЭУ, методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П для выполнения расчетов тепловых и механических процессов в конструкциях БЭУ при их автоматизированном проектировании.
