Содержание к диссертации
Введение
1. Совершенствование теплового проектирования РЭС на базе методов и средств прогнозирования, обеспечения и оптимизация тепловых характеристик
1.1. Задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов в 14 процессе разработки конструкций современных РЭС
1.2. Методы и средства моделирования, анализа, обеспечения и оп- 24 тимизации тепловых режимов РЭС
1.3. Цель и задачи исследования 28
2. Математические модели для основных задач оптимального теплового проектирования конструкций РЭС
2.1 Структура, основные задачи и математическое обеспечение процесса оптимального теплового проектирования радиоэлектрон ных средств
2.2 Формирование критериев оптимальности тепловых характеристик РЭС
2.3 Тепловые модели конструкций для задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик РЭС
2.4 Моделирование процессов теплопередачи в системах охлаждения конструкций РЭС
2.5. Основные выводы второй главы 61
3. Методики прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик РЭС
3.1. Прогнозирование тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС
3.1.1. Выбор основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения РЭС
3.1.2. Прогнозирование и оценка возможности обеспечения тепловых характеристик конструкций РЭС
3.2. Задачи и методики оптимизации тепловых характеристик в процессе конструкторского проектирования РЭС
3.2.1. Оценка эффективности структуры и оптимизация системы теплоотвода в конструкциях РЭС
3.2.2. Оптимальная компоновка конструкций РЭС 86
3.3. Основные выводы третьей главы 89
4. Реализация и практическое применение методик прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик при проектировании конструкций РЭС
4.1. Комплексная методика и средства прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС
4.2. Применение разработанных методик при тепловом проектировании конструкций РЭС
4.3. Основные выводы четвертой главы 100
Заключение 101
Список литературы
- Методы и средства моделирования, анализа, обеспечения и оп- 24 тимизации тепловых режимов РЭС
- Тепловые модели конструкций для задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик РЭС
- Задачи и методики оптимизации тепловых характеристик в процессе конструкторского проектирования РЭС
- Применение разработанных методик при тепловом проектировании конструкций РЭС
Введение к работе
Актуальность темы. Обязательной составной частью процесса конструкторского проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС) является тепловое проектирование, направленное на решение вопросов обеспечения нормального теплового режима и выполняемое на различных этапах разработки. Тепловой режим РЭС оценивается с помощью различных тепловых характеристик, базирующихся на анализе температурных полей конструкций. Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства. Такой традиционный подход характеризуется итерационностью, достаточно большими временными затратами, применение для моделирования соответствующих программных комплексов (Pro/ENGINEER, ANSYS и т. д.) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат. Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование - анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза, когда в качестве результата получаем значения параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования является переход к задачам оптимизации с использованием специальных тепловых критериев, направленных на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС. Поэтому наиболее эффективным является организация, построение и осуществление процесса оптимального многоэтапного теплового проектирования РЭС, охватывающего все этапы разработки конструкций, что требует создания и формирования комплекса методов и средств его реализации и поддержки.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется важностью и необходимостью разработки и практической реализации соответствующих моделей, алгоритмов и методик прогнозирования, оценки, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик, применимых на различных этапах проектирования конструкций РЭС.
Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений
ФГБОУ ВПО Воронежского государственного технического университета «Пер
спективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, прие
ма, обработки и защиты информации», а также ГБ НИР 2010.17 «Методы иссле
дования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектрон
ных устройств и систем» и ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов
оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных
средств».
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка комплекса моделей и методик постановки и решения задач прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах проектирования конструкций РЭС.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
- осуществить анализ задач, методов и средств моделирования и обеспече
ния тепловых режимов, решаемых в процессе теплового проектирования кон
струкций РЭС, и определить пути повышения его эффективности на базе прогно
зирования и оптимизации тепловых характеристик и основных положений кон
структивно-теплового синтеза;
- разработать и обосновать структуру процесса оптимального теплового
проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также математи
ческого обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимиза
ции тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирова
ния РЭС;
- разработать методику формирования и выбора тепловых критериев опти
мальности и осуществить математическую постановку основных оптимизацион
ных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с уче
том конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС;
сформировать комплекс соответствующих тепловых и математических моделей процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях, обеспечивающих решение задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик разных типов конструкций РЭС и на различных этапах проектирования;
предложить методику формирования функциональных моделей систем охлаждения и процессов теплопередачи в конструкциях, применимых для основных конструктивных исполнений современных РЭС и позволяющих решать задачи оптимизации тепловых характеристик, в том числе и с применением известных методов математического программирования;
- разработать комплексные методики выбора основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения, а также прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС;
- осуществить создание и практическое применение методик и рекоменда
ций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового
проектирования конструкций РЭС.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы теории теплопроводности и теплообмена, дискретной математики, математического моделирования, оптимизации и математического программирования.
Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
структурная схема процесса оптимального теплового проектирования РЭС, включающая все основные задачи синтеза и оптимизации и необходимые для его реализации проектные процедуры, а также структура и состав математического обеспечения, отличающиеся возможностью решать задачи прогнозирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС;
методика выбора и применения тепловых критериев оптимальности, отличающаяся учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС и обеспечивающая математическую постановку основных задач оптимизации тепловых характеристик конструкций и их систем охлаждения;
методика прогнозирования и оценки возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС, отличающаяся выбором ограниченного числа рекомендованных тепловых моделей конструкций, комплексным характером при выборе рационального типа системы охлаждения и базирующаяся на применении аналитических моделей температурных полей и процессов теплообмена;
функциональные модели систем теплоотвода в конструкциях РЭС и методика их построения, отличающиеся применением графов теплопередачи и специальных матриц теплообмена, учитывающих различные механизмы и пути распространения тепловых потоков, универсальностью и возможностью проводить оптимизацию структуры и параметров процесса отвода тепла в устройствах разного конструктивного исполнения путем анализа потенциальных тепловых проводимо-стей между выделенными частями (дуг графа);
оптимизационные модели, позволяющие осуществить постановку и решение ряда типовых задач оптимизации тепловых характеристик РЭС на базе различных критериев при проектировании систем охлаждения и выполнении компоновки конструкций с использованием известных методов математического программирования.
Практическая значимость работы. Применение разработанных методик, моделей и средств обеспечивает повышение эффективности теплового проектирования РЭС, позволяет решить ряд практически значимых задач поиска и принятия наиболее рациональных мер по обеспечению и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС различных типов, сократить сроки проектных работ.
Внедрение результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы в форме методик прогнозирования, обеспечения и оптимизация тепловых характеристик радиоэлектронных устройств внедрены на двух предприятиях: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж), что позволило сократить время конструкторского проектирования РЭС, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств» (курсовое проектирование и лабораторный практикум) направления подготовки магистров 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств», магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий» (Сочи, 2010-2011); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2013); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2011-2013); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2010-2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно-методическая разработка. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: способы оценки тепловых режимов на этапе функционального проектирования РЭС [11]; оценка возможностей применения средств численного моделирования для решения задач на различных этапах конструкторского проектирования РЭС [4]; построение и выбор математического и методического обеспечения прогнозирования тепловых характеристик с учетом комплексного подхода к выбору способа охлаждения [3,9,10]; описание графовых моделей систем охлаждения специальными матрицами теплообмена и методика формирования структурно-функциональных моделей систем охлаждения [2]; формирование и выбор тепловых критериев оптимальности [5,6]; моделирование пропускной способности дуги графа теплообмена [7]; методическое обеспечение для решения ряда задач оптимального теплового проектирования конструкций РЭС[1].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 86 наименований, и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 115 страницах, содержит 35 рисунков и 10 таблиц.
Методы и средства моделирования, анализа, обеспечения и оп- 24 тимизации тепловых режимов РЭС
Тепловой режим РЭС оценивается с помощью различных тепловых характеристик /2-4, 18, 19, 24, 25, 27/, базирующихся на анализе температурных полей конструкций. В качестве основных применяется следующие характеристики /1-4, 18, 19, 24-30, 39/: зависимость перегрева (температуры) от мощности тепловыделения 3 = /(Р); координатное распределение температуры (одно- и многомерное), 3 = f(x); 3 = f(x,y);3 = f(x,y,z); зависимость от времени (нестационарный режим) 3 = f(t); зависимость от скорости теплоносителя 3 = f(v); зависимость от коэффициента теплоотдачи 3 = /(а). Аналогично, в конкретном случае, могут быть применены и другие виды тепловых характеристик.
Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа (на основе моделирования температурных полей) необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров, характеристик и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства /2-4, 24, 25, 27/. Такой традиционный подход характеризуется многоэтапностью, итерационностью, достаточно большими временными затратами. Применения для моделирования специализированного программного обеспечения (ПО), входящего в состав современных программных комплексов автоматизированного проектирования (АП) (например, Mechanica в составе системы Pro/ENGINEER /41, 42/) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат. Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование - анализ -изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза /9, 43-46/, когда в качестве результата получаем значении параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим /2, 37-39/. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования РЭС является переход к задачам оптимизации и параметрического синтеза, направленного на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС или оптимальных конструктивных параметров при обеспечении заданного теплового режима: таким образом, задача оптимального теплового проектирования может быть разделена на два основных типа: 1) оптимизация тепловых характеристик (температурных полей) конструкций РЭС по конструктивным и функциональным критериям; 2) оптимизация конструктивных параметров по тепловым критериям /2, 37-39, 47-53/. Решение различных задач теплового проектирования РЭС: моделирование, анализ, обеспечение, оптимизация тепловых характеристик требует соответствующего математического обеспечения (МО), которое включает в себя математические модели тепловых процессов (температурные поля, теплопередача, теплообмен и т. д.), методы решения теплофизических задач, методики моделирования и анализа тепловых характеристик конструкции РЭС /2, 3, 4, 6-8, 10, 11, 13, 18-30, 37-40, 47-51/. Базой для построения соответствующих моделей, алгоритмов, методик анализа, обеспечения и оптимизации тепловых режимов РЭС являются различные методы вычислительной математики (аналитические и численные) /2, 4, 32, 38, 54-61/.
Основная цель теплового проектирования - это решение задачи обеспечения нормального теплового режима на каждом иерархическом уровне конструкций РЭС (компонентов при разработке плат, узлов и нагретых зон - совокупности ячеек и мощных и крупногабаритных дискретных элементов - на уровне блоков, блоков в стойке, стоек и шкафов в составе комплексов и систем). Поэтому решение задач анализа тепловых характеристик и теплового синтеза, должно осуществляться на всех этапах конструкторского проектирования РЭС, что требует наличия системы многоуровневого теплового проектирования, способны решать поставленные задачи на каждом этапе процесса синтеза конструкций /62-67/. Чтобы обеспечить заданные требования к тепловым режимам РЭС, на каждом иерархическом уровне решается частная задача. На разных этапах теплового проектирования методы решения задач анализа и обеспечения тепловых характеристик конструкций РЭС могут существенно отличаться. Правильный выбор метода будет определяться тепловой и математической моделями, и полнотой исходной информации.
Основной целью теплового проектирования, обеспечивающей заданную надежность, является снижение температуры. Можно рассмотреть более детальный подход к формированию требований к температурным полям, тепловым процессам и тепловым характеристикам РЭС, используя постановку задач оптимизации с применением особых тепловых критериев /2, 38, 52, 53/.
Применив принцип суперпозиции для температурных полей /3/, можно рассмотреть процесс оптимизации тепловых режимов в виде решения нескольких последовательных конкретных задач, которые направлены на обеспечения максимально возможного снижения перегревов на каждом этапе разработки РЭС /38/ Д5—мmax, что позволяет представить в формальном виде цель многоэтапного теплового проектирования как
Тепловые модели конструкций для задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик РЭС
Такая модель строится в виде графа G(X,U) /68/, вершины xi этого графа будут соответствовать существенным с точки зрения теплоотвода конструктивным частям (элементам) РЭС, а дуги (т. к. тепловые потоки в ребрах протекают в сторону стоков тепла, то ребра имеют направленный характер) ui - путям распространения тепловых потоков /39, 71/. При этом вершины графа, которые в наиболее простом случае рассматриваются как условно изотермические поверхности, должны включать всю цепь прохождения тепловых потоков от тепловыделяющих областей (нагретая зона /2, 3/) до окружающей среды - «источники тепловой энергии - стоки тепла».
Типовое множество вершин такого графа для наиболее распространенных видов конструкций РЭС будет иметь следующую структуру /39, 71/: (xi) - источники тепловыделения (кристалл); (х2) - корпус компонента; (х3) - (плата, модуль, микроблок, подложка); (х - воздух внутри блока; (х5) - корпус блока; (х6) - воздух внутри стойки; (х7) - корпус стойки; (х8) - окружающая среда. Соответствующая графовая модель показана на рис. 2.7.
Понятие «пропускная способность дуги» введено по аналогии с сетевыми задачами /68, 69/, оно отражает возможность данной части конструкции и СО, служащей путем отвода теплового потока от источников тепловыделения, (радиаторы, воздушные зазоры, контакты разных поверхностей, теплоотводящие шины, каналы с теплоносителем, тепловые трубы, теплоотводящие части несущих конструкций и т.д.) проводить тепловой поток определенной интенсивности.
Предложенная графовая модель показывает структуру и параметры теплоот-водящих путей в конструкции и элементах ее СО (теплоотводящие устройства), что позволяет решать задачи анализа процессов передачи тепловой энергии в конструкциях, определения потенциальной производительности СО (максимальная отводимая мощность), выявления недостатков в построении и использовании возможностей СО, повышения эффективности и оптимизации структуры и функционирования систем охлаждения, поиска наиболее рациональных с точки зрения обеспечения теплоотвода параметров конструкции (конфигурация, размеры, материалы, контакты).
Конкретная конструкция и ее СО могут быть представлены наиболее адекватной графовой моделью, в том числе с несколькими источниками и стоками, множеством путей передач тепловых потоков на базе разных механизмов теплообмена, с детальным учетом особенностей и параметров частей несущей конструкции, тепловых контактов между ними, вплоть до выводов отдельных компонетов при рассмотрении узлов, модулей, и устройств, имеющих одну плату. Каждая дуга в общем случае включает три параллельных пути, соответствующих основным типам теплопередачи: конвекции, теплопроводности (кондукции) и излучению /3, 4, 24, 25/.
Они имеют предельное максимальное значение, которое определяется исходя из максимальной допустимой температуры применяемых компонентов и окружающей среды, поэтому появляется возможность определять характеристики функционирования, анализировать возможности структуры СО и принимать меры по повышению ее эффективности. Предельные значения коэффициентов ацэ также определяются массовыми и габаритными ограничениями в конструкции, отражаемыми эффективной площадью поверхностей теплообмена (Sy), применяемыми материалами.
В качестве описания рассмотренных графов моделей процессов теплоотвода в конструкциях РЭС, применимых для различных тепловых моделей (рис. 2.4) и соответственно для широкого набора как типовых, так и оригинальных конструкций, предполагается использовать специальные матрицы теплообмена /71/. Учитывая наличие в общем случае в конструкций РЭС всех видов теплопередачи (конвекция, теплопроводность, излучение), применяется три вида матриц:
Двойные индексы (т,и) и (к,и) означают, что параллельно существует перенос тепла двумя механизмами, т.е. между такими вершинами имеются две параллельные дуги, но имеющие разную пропускную способность (ijm, ijn).
Методика построения графовых моделей систем теплоотвода в конструкциях РЭС будет включать следующие основные этапы /71/: 1) анализ конструкций исходных данных выбор вида базовой тепловой модели; 2) построение тепловой модели конструкции: выделения источников тепловой энергии, учитываемых изотермических областей, возможных путей и механизмов теплопередачи между ними; 3) построение графа G(X,U): формирование множества вершин X и ребер U, соответствующих изотермическим областям конструкции и путям теплообмена; 4) расчет на основании требований ТЗ к условиям эксплуатации РЭС и максимально допустимых температур используемой элементной базы значений (максимальных и минимальных) коэффициентов теплоотдачи 1э и 1этах; 5) расчет и оценка эффективных площадей S1} выделенных частей РЭС, участвующих в теплообмене по соответствующим дугам Uy графа; 6) определение пропускных способностей cjy дуг на основании полученных значений 1э; 7) расчет величин тепловых потоков Рц и Р , соответствующих текущим CTij (для данных условий эксплуатации) и максимальным значениям ацтах пропускной способности дуг Uij. Для расчета используемых коэффициентов теплообмена применяются соответствующие модели, приведенные в /2-4, 19, 24,25/. В частности, для теплового излучения /3, 24, 25/
Задачи и методики оптимизации тепловых характеристик в процессе конструкторского проектирования РЭС
В процессе оптимального теплового проектирования РЭС один из классов решаемых задач связан с проведением компоновки с применением тепловых критериев оптимальности. Рассмотрим математическую постановку и методы ее решения для блоков кассетной конструкции, как самых широко используемых в настоящее время, Такой типовой блок изображен на рис. 3.13: 1 - корпус; 2 - перфорационные отверстия; 3 - компонент; 4 – кассета (модуль, плата); 5 - канал; 6 - радиатор.
Математическая постановка этой задачи возможна путем ее сведения к известной в математическом программировании задачи о назначениях /45, 46/. Для указания стоимости (эффективности) назначения предлагается выбрать значения наведенных перегревов в каждом из модулей, вызванных тепловыделением в отдельном і-м модуле /39, 70/.
В соответствии с (3.27) полные перегревы любого модуля, а соответственно и среднее его значение для всей нагретой зоны, будут зависеть от установки (назначения) в конкретное место конструкции и взаимного расположения каждого из них.
Таким же образом полный - собственный и сумма наведенных перегревов на другие - для і-го модуля будет определяться компоновочным местом, то стоимость размещения (назначения) его в j-ю область конструкции Су и будет равна этому полному перегреву. Преобразовав соответствующим образом (3.27), получим выражение для стоимости назначения /70/
Тогда при использовании критерия г (средний перегрев) сформируем оптимизационную модель следующим образом: целевая функция fl, если і - й моду ль размещается в j - й области блока; [0, если нет. Для решения задачи в такой постановке применяются стандартные методы дискретного линейного программирования /9, 43-46, 79/. Также для решения может использоваться приближенный способ обратного размещения /38, 47/. Если применяется критерий F2, то целесообразно использовать итерационные алгоритмы /44/, например, парных перестановок /50, 51, 79/.
При решении данной задачи блок представляется (п. 2.2) тепловой моделью (3DТМП2) - параллелепипед со ступенчатыми объемными тепловыми источниками (Приложение А), показанная на рис (3.14), где источник соответствует отдельному модулю.
1. Разработаны методики выбора необходимого типа системы охлаждения РЭС и прогнозирования тепловых характеристик и оценки возможности их обеспе чения на начальных этапах конструкторского проектирования.
2. Сформированы оптимизационные модели тепловых процессов в системах охлаждения и конструкциях и осуществлена постановка ряда соответствующих за дач, позволяющие проводить оптимизацию тепловых характеристик при проектиро вании РЭС, в том числе и с применением известных задач и методов математиче ского программирования
Предложенное в работе математическое и методическое обеспечение позволяет решать в ходе теплового проектирования все основные задачи, рассмотренные в п. 2.1: выбор и применение наиболее рациональных тепловых моделей, выбор тепловых критериев оптимальности тепловых характеристик, выбор способа охлаждения и вида СО, прогнозирование и оценка возможности обеспечения тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования, оптимизация структуры и функциональных параметров СО и теплопроводящих элементов конструкций РЭС, компоновка с использованием тепловых критериев, анализ процессов теплообмена в конструкциях и расчет коэффициентов теплоотдачи.
Для практического применения созданного математического и методического обеспечения целесообразно интегрировать его в общую комплексную методику решения основных задач оптимального теплового проектирования конструкций РЭС в соответствии с его структурной (п. 1.2, рис. 2.1) организацией математического обеспечения (п. 1.2, рис. 2.2) и концепцией конструктивно-теплового синтеза, который базируется на выполнении комплекса проектных процедур, показанных на рис.4.1 /39/.
Соответственно в рамках такой методики должно обеспечиваться решение задач, рассмотренных в данной работе, и поддерживаться выполнение процедур, в состав которых они входят. Такая обобщенная методика должна показывать взаимосвязь и последовательность применения частных методик, рассмотренных в 2 и 3 главах. Она может быть представлена в виде структурной схемы; которая показана на рис. 4.1.
Применение разработанных методик при тепловом проектировании конструкций РЭС
Для применения предложенных методик в процессе автоматизированного конструкторского проектирования РЭС они были также реализованы в виде ряда специализированных программных средств, дополняющих и расширяющих возможности в области теплового проектирования стандартных систем, в частности, применяемого на предприятиях комплекса Pro/ENGINEER /73, 74/ (www.ptc.ru).
Далее показано построение, интерфейс и работа эти средств на примере программы, обеспечивающей автоматизированное выполнение выбора ведущего способа теплопередачи и типа СО, определения ее параметров и характеристик, а также прогнозирования тепловых характеристик РЭС для выбранной конфигурации СО (рис. 4.1 – 4.7). автоматизированные средства моделирования: Pro/ENGINEER и
Выбор свойств воздуха 4.2. Применение разработанных методик при тепловом проектировании конструкций РЭС Разработанные методики применялись при выполнении теплового проектирования блоков, модулей и узлов различных устройств телекоммуникации и связи на двух предприятиях г. Воронежа: ОАО «Концерн «Созвездие» (ОКР «Панцирь-1С» и «Мираж», проектирование телекоммуникационных устройств ЦН-1 - ЦН-10 и ШС-10, ШС-50) и ОАО «Электросигнал» (разработка и модернизация ж/д радиостанций «Транспорт РВ-1.1МК» и «Транспорт РВ-1.2МК»).
Мощность тепловыделения 60 Вт По этим данным в соответствии с методикой (п.3.1.1) может быть использовано разное воздушное охлаждение (свободное или принудительное).
Прогнозирование теплового режима с использованием тепловой модели параллелепипеда с распределенными источниками тепла (3DТМП1) по методике п. 3.1.2 при различных значениях средних коэффициентов теплоотдачи по поверхно стям ср и величиной э, определенной по методу усреднения /2/, дало температуру корпуса, показанную в табл. 4.2.
Так как перегрев некоторых узлов таков, что температура близка к максимально допустимой, то поэтому в дальнейшем тепловое проектирование проводилось с СО, использующей принудительную конвекцию. Был определен диапазон требуемых скоростей продува: 0.5 – 1.0 м/с. Для скорости воздуха 0.5 м/с (расход 140 м3/ч), определяемый геометрией воздушных каналов, результаты прогнозирования показаны в табл. 4.5. Их анализ показывает, что тепловой режим уже обеспечен. Таблица 4.4.
Для повышения эффективности СО и более рационального использования ее потенциальных возможностей решалась соответствующая задача по оценке эффек-98 тивности структуры и оптимизации системы теплоотвода в конструкции по методике п. 3.2.1. Принятие дополнительных мер по результатам решения позволило при том же расходе теплоносителя еще улучшить тепловые характеристики (табл. 4.6).
Основные результаты данной работы в виде методик прогнозирования, обеспечения и оптимизация тепловых характеристик радиоэлектронных устройств внедрены на двух предприятиях: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж), что позволило сократить время конструкторского проектирования РЭС, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств» (курсовое проектирование и лабораторный практикум) направления подготовки магистров 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств», магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радио-99 электронных средств специального назначения». Акты внедрения приведены в Приложении
Основные выводы четвертой главы
1. На основе предложенных частных методик, моделей и алгоритмов разработана общая комплексная методика, позволяющая решать основные задачи в процессе оптимального теплового проектирования РЭС, а также созданы поддерживающие ее применение автоматизированные средства.
2. Осуществлено практическое использование методик и рекомендаций, основанных на предложенных моделях и задачах оптимального теплового проектирования, при разработке систем охлаждения и конструкций с эффективным теплоотво-дом в процессе теплового проектирования РЭС.
3. Результаты работы внедрены на ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) и ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж) и в учебный процесс Воронежского государственного технического университета, их применение позволяет сократить время проектирования, повысить качество проектных решений в области обеспечения тепловых режимов и надежность создаваемых РЭС.
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Проанализированы задачи, методы и средства моделирования и обеспечения тепловых режимов и построения процесса теплового проектирования современных РЭС и выявлены основные пути повышения эффективности на базе прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик, основанных на методе конструктивно-теплового синтеза.
2. Предложена структура процесса оптимального теплового проектирования РЭС и состав требуемых проектных процедур, а также разработаны структура и состав математического обеспечения, позволяющего решать задачи прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования РЭС.
3. Предложена методика формирования и выбора тепловых критериев оптимальности, позволяющая осуществить математическую постановку основных оптимизационных задач теплового проектирования конструкций и их систем охлаждения с учетом конструктивной иерархии и этапа проектирования РЭС.
4. Предложена методика выбора и применения тепловых моделей типовых конструкций РЭС, допускающих применение аналитических математических моделей температурных полей и процессов теплопередачи в системах охлаждения и конструкциях и обеспечивающих математическую постановку и решение задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик и на различных этапах проектирования.
5. Разработаны функциональные и математические модели систем охлаждения и процессов теплоотвода в конструкциях на основе графов теплопередачи, описание которых осуществляется в виде специальных матриц эффективного теплообмена, и методика их формирования, позволяющие решать задачи обеспечения и оптимизации тепловых процессов для основных конструктивных исполнений современных РЭС.
