Введение к работе
Актуальность темы. Бортовые электронные средства (БЭС) – это образцы электронной аппаратуры, устанавливаемые в различных видах транспорта. В процессе эксплуатации БЭС подвергаются разнообразным физическим воздействиям (механическим, тепловым, электромагнитным и др.), которые оказывают дестабилизирующее влияние на их работоспособность.
К БЭС предъявляются высокие требования по надежности и качеству, обеспечение которых производится на всех стадиях жизненного цикла. Одним из важнейших факторов, влияющих на надежность электронных средств, является температура.
В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению массогабаритных показателей электронных средств. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию удельной мощности тепловыделения и обусловливает важность обеспечения температурного режима электронных средств.
Расчёты тепловых режимов осуществляются в процессе проектирования с использованием специализированных комплексов программ, основанных на иерархическом принципе математического моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭС. Однако при этих расчётах не учитываются эффекты отражения теплового излучения и диссипации механической энергии, которые влияют на тепловые процессы внутри БЭС в реальных условиях эксплуатации.
Таким образом, актуальной является научная задача создания метода учета отражения теплового излучения и диссипации механической энергии при численном моделировании с использованием иерархического принципа построения моделей тепловых процессов для анализа тепловых режимов БЭС на начальных стадиях проектирования.
Степень разработанности темы. Вопросам применения систем
автоматизированного проектирования при разработке БЭС посвящен ряд работ
таких авторов, как Камаев В.А., Норенков И.П., Муромцев Ю.Л., Сарафанов
А.В., Увайсов С.У., Малютин Н.В. Вопросы численного моделирования
разнородных физических процессов рассматривались в работах Кофанова
Ю.Н., Шалумова А.С. Применение иерархического принципа моделирования
освещены в работах Коновальчука А.С., Воловикова В.В., Дульнева Г.Н.
Разнородные физические процессы рассматривались в работах Блоха А.Г., Журавлева Ю.А., Рыжкова Л.Н., Бухмирова В.В., Кожевникова А.М. Однако, в работах указанных авторов не в полной мере были рассмотрены вопросы повышения точности моделирования тепловых процессов в БЭС за счет учета отражения теплового излучения и диссипации механической энергии.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс численного моделирования тепловых режимов при проектировании бортовых электронных средств на основе иерархического подхода. Предметом исследования являются методы, модели, алгоритмы, программный комплекс и методика численного моделирования тепловых процессов, протекающих в бортовых электронных средствах.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение достоверности численного моделирования при проектировании конструкций бортовых электронных средств с учетом лучистого теплообмена и диссипации энергии.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Анализ состояния проблемы численного моделирования тепловых процессов и особенностей конструкций бортовых электронных средств.
-
Разработка метода математического моделирования и совершенствование численных методов и математических моделей, применяемых для исследования влияния лучистого теплообмена и диссипации механической энергии на тепловые режимы элементов БЭС на начальных стадиях проектирования.
-
Разработка алгоритмов и программного комплекса для расчета коэффициентов облученности и коэффициентов Гебхарта, а также учета интегральных источников тепловыделения, возникающих в элементах БЭС при диссипации механической энергии.
-
Разработка методики численного моделирования тепловых процессов при проектировании БЭС, учитывающей отражение теплового излучения и диссипацию механической энергии.
-
Экспериментальная проверка и внедрение результатов исследования в практику проектирования БЭС.
Научная новизна результатов работы. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
-
Разработан метод математического моделирования тепловых процессов при иерархическом проектировании БЭС, отличающийся от существующих учетом диссипации механической энергии и отраженного теплового излучения на начальных стадиях проектирования, что позволяет повысить достоверность расчета температур узлов конструкции.
-
Предложена модификация численного метода определения коэффициентов облученности, отличающаяся от существующих учетом препятствий между объектами лучистого теплообмена, что позволяет повысить точность расчета теплового излучения.
-
Разработан алгоритм численного моделирования тепловых процессов элементов конструкции БЭС, отличающийся учетом дополнительного тепловыделения вследствие диссипации механической энергии, что позволяет повысить достоверность расчета температурных режимов при проектировании электронных средств.
-
Создан программный комплекс для расчета с применением современных компьютерных технологий тепловых режимов элементов конструкции, учитывающий при проектировании БЭС диссипацию механической энергии и лучистый теплообмен.
Область исследований соответствует п. 1,3-8 паспорта специальности
05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы
программ: реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде
комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения
вычислительного эксперимента; комплексные исследования научных и
технических проблем с применением современной технологии
математического моделирования и вычислительного эксперимента; разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента; разработка систем компьютерного и имитационного моделирования.
Теоретическая значимость исследования состоит в развитии численных методов математического моделирования разнородных физических процессов, протекающих в ЭС.
Практическая значимость работы. Разработанные методы, модели, алгоритмы и программный комплекс численного моделирования тепловых процессов позволяют снизить сроки проведения, трудоемкость начальных этапов проектирования и повысить достоверность первичной оценки температурных режимов конструкции на ранних этапах проектирования печатных узлов и блоков бортовых электронных средств.
Методы исследования. Работа базируется на принципах системного анализа и объектно-ориентированного программирования, численных методах математического моделирования разнородных физических процессов, методах проведения и обработки результатов экспериментальных исследований.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Метод математического моделирования БЭС с учетом диссипации механической энергии и переотражения теплового излучения.
-
Алгоритм учета влияния диссипации механической энергии на тепловые режимы элементов БЭС.
-
Численный метод определения коэффициентов облученности между печатными узлами в блоке БЭС.
-
Программный комплекс для автоматизированного расчета коэффициентов облученности, коэффициентов Гебхарта и тепловых процессов в блоках БЭС на начальных стадиях проектирования.
Апробация диссертации. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
-
Международная научно-практическая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий». Россия, Сочи, 2013-2015 гг.
-
International scientific – practical conference "Innovation Information Technologies. Prague, Czech Republic, 2012-2014 гг.
-
Межвузовская научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В.Арменского. Россия, Москва, 2015-2016 гг.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в виде 12-ти научных работ, среди которых 6 статей опубликовано в журналах из перечня ВАК РФ, получено одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Достоверность результатов исследования подтверждается корректным использованием методов математического моделирования, проведенными численными и натурным экспериментами, а также тем, что полученные результаты не противоречат ранее опубликованным результатам других исследователей.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования АО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» и в образовательный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ.
Результаты исследования также использованы в рамках работы по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.605.21.0001 от 08.07.2014г., заключенному между НИУ ВШЭ и Минобрнауки РФ в проекте - «Создание модулей контроля параметров потоков космических излучений на базе широкозонных полупроводниковых сенсоров для перспективных транспортных космических систем с длительным сроком функционирования».
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-07-00422).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 146 страниц текста, 59 иллюстраций, 15 таблиц. Список литературы и ссылок на ресурсы Internet насчитывает 103 наименования.