Программные средства для моделирования телекоммуникационного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

автоматизированный моделирование роутер аппаратура

Введение

1. Сравнительный обзор и выбор программных средств для моделирования телекоммуникационного устройства и контроля надежности при тепловых и механических воздействиях

1.1 Исследование надежности

2. Автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА

2.1 Подсистема АСОНИКА-Т

2.1.1 Назначение и технические характеристики подсистемы

2.1.2. Описание тепловых моделей подсистемы

2.1.3 Запуск подсистемы и основные пункты меню

2.1.4 Пример теплового моделирования одноэтажного шкафа

2.2 Подсистема АСОНИКА-ТМ

2.2.1 Назначение подсистемы и ее основные возможности

2.2.2 Входные и выходные данные моделирования

2.2.3 Руководство пользователя

3. Моделирование телекоммуникационного устройства в АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ

3.1 Выбор телекоммуникационного устройства

3.2 Тепловое моделирование блока и платы роутера в программе АСОНИКА-Т

3.3 Моделирование печатного узла роутера в АСОНИКА-ТМ

3.3.1 Моделирование печатного узла при механических воздействиях

3.3.2 Моделирование печатного узла при тепловых воздействиях

Заключение

Список использованных источников

Введение

Актуальными направлениями в области телекоммуникаций является обеспечение надежности телекоммуникационных устройств (ТУ) при наличии тепловых и механических воздействий.

Надежность - важнейший показатель качества любого изделия прибора, механизма, машины или системы. Надежность характеризует способность изделия нормально работать, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах, при заданных режимах и условиях использования, хранения и транспортирования. Надежность - комплексный показатель качества, который характеризуется безотказностью, долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью.

Для определения надежности используются программные средства которые позволяет моделировать физические процессы, протекающие в ТУ и вызывающие перегрузки температур и ускорений вибраций на радиокомпонентах. С помощью программных средств можно осуществлять автоматизированное проектирование и комплексное компьютерное моделирование ТУ подвижных объектов в соответствии с требованиями CALS-технологий на этапах проектирование - производство - эксплуатация. [1]

Цель дипломной работы: смоделировать телекоммуникационное устройство для надежной работы при тепловых и механический воздействиях.

Задачи дипломной работы: выбрать телекоммуникационное устройство;

Провести анализ и выбрать программные средства для работы с устройством по обеспечению надежности;

Смоделировать устройство в программе АСОНИКА-Т, АСОНИКА-ТМ;

Провести анализ телекоммуникационного устройства в программной среде при тепловых и механических воздействиях.

Предложить изменения телекоммуникационного устройства для обеспечения надежности, стабильности работы при тепловых и механических воздействиях.



1. Сравнительный обзор и выбор программных средств для моделирования телекоммуникационного устройства и контроля надежности при тепловых и механических воздействиях

Для моделирования электронных устройств необходима программа способная моделировать устройство конкретно печатную плату, корпус. Также необходимо чтобы данная программа была способна тестировать устройство в условиях необходимых для проверки работоспособности электронного устройства, а точнее тепловые перегрузки и механический воздействия конкретно для нашего случая.

На рынке есть три достаточно подходящих программных средства для нашей задачи - это:

1 Solidworks;

2 Компас;

3 AutoCAD LT;

4 АСОНИКА.

Рассмотрим более подробно, что из себя представляет каждое программное средство.

1) САПР SolidWorks - программное обеспечение, созданное одноименной американской компанией для использования на персональных компьютерах в операционной среде Windows.

Трехмерное твердотельное и поверхностное параметрическое проектирование - это принципы, используемые в настоящей утилите. Они позволяют конструкторам создавать объемные детали и составлять сборки в виде 3-мерных электронных моделей, которые в дальнейшем применяются для организации двухмерных чертежей и спецификации согласно требованиям ЕСКД.

Трехмерное моделирование существенно превосходит по преимуществам линейное проектирование. Программа SolidWorks позволяет увидеть будущее изделие в объеме с разных сторон и придать ему реалистичности отображения в соответствии с избранным материалом для пробной оценки дизайна.

Процесс построения 3-мерной модели основывается на формировании объемных геометрических элементов и выполнении разных операций между ними. Принцип чем-то напоминает конструктор «LEGO» - модель создается из шаблонных элементов (блоков), она подлежит редактированию путем добавления/удаления данных блоков или посредством изменения их характерных параметров. Трехмерная модель предоставляет наиболее подробное описание свойств объекта (масса, объем, моменты инерции) и позволяет работать в виртуальном объемном пространстве, благодаря чему на самом высоком уровне происходит приближение компьютерной модели к облику будущего изделия, при этом этап макетирования полностью исключается.

Разработчики программного пакета большое внимание уделили работе с комплексными сборками, в которых количество компонентов может составлять сотни тысяч единиц. Разумеется, работа с такими моделями должна сопровождаться использованием специальных методик управления отдельными узлами и деталями сборки, рациональным расходом ресурсов оперативной памятии процессора. Для этих целей в SolidWorks имеется специальный режим, который позволяет распределить оптимально аппаратные и программные ресурсы, тем самым, экономя время на перестроение и загрузку сборки.

Конструирование в SolidWorks не ограничивается разработкой объемных деталей. Утилита нередко используется для автоматического создания чертежей по заданной трехмерной модели, исключая возможные ошибки проектанта, возникающие при начертании проекций вручную. Программа поддерживает различные чертежные стандарты: ANSI, GOST, ISO, JIS, DIN, GB и BSI. Что касается типов файлов, то приложение распознает:

- нейтральные форматы: IGES, XMT_TXT, SAT, STL, STEP, X_B, STP, VDA, WRL, X_T, XMT_BIN;

- прямые трансляторы: DXF, DWG, NX. [2]

2) КОМПАС - продукт российской компании «АСКОН». Это система автоматизированного проектирования с возможностью оформления документации в соответствии со стандартами серии ЕСКД.

Данная САПР поставляется в нескольких вариантах: Компас-3D, Компас-ГРАФИК, Компас-СПДС, Компас-3D LT и Компас-3D Home, которые предназначены для трехмерного проектирования и/или плоского черчения.

Компас-3D LT и Компас-3D Home предназначены для некоммерческого использования.

КОМПАС-ГРАФИК используется в качестве интегрированного в КОМПАС-3D модуля с эскизами и чертежами или же как отдельный продукт, полностью решающий задачи 2-мерного проектирования и выпуска необходимой документации.

ГРАФИК способен автоматически генерировать ассоциативные виды 3-мерных моделей (сечения, разрезы, местные сечения и виды, виды с разрывом и по стрелке). Все они ассоциируются с моделью: изменение модели приводит к трансформации изображения на чертеже.

При помощи системы КОМПАС можно создавать 3-мерные ассоциативные модели деталей и отдельных единиц, которые содержат оригинальные либо стандартизированные конструктивные элементы. Благодаря параметрической технологии, модели типовых изделий быстро создаются на основе ранее рассчитанных прототипов.

Помимо этого система позволяет:

- достаточно быстро генерировать комплекты технологической и конструкторской документации для выпуска изделий (спецификации, сборочные чертежи, деталировки);

- передавать геометрию изделий в пакеты внешних расчетов;

- создавать дополнительные изображения изделий (к примеру, для оформления каталогов, составления иллюстраций к документации);

- экспортировать и импортировать модели;

- работать с такими сторонними форматами, как: IGES, XT, SAT, VRML, STEP.

В Компас есть также собственные форматы файлов:

- КОМПАС-Чертежи (CDW)

- КОМПАС-Фрагменты (FRW)

- КОМПАС-Текстовые документы (KDW)

- КОМПAC-Спецификации (SPW)

- КОМПАС-Модели (A3D, M3D)

- КОМПАС-Сборки (A3D)

- КОМПАС-Детали (M3D)

- Шаблоны КОМПАС-Документов (CDT, FRT, KDT, SPT, A3T, M3T).

Моделирование изделий в системе возможно разными способами: «снизу вверх» - используются готовые составляющие; «сверху вниз» - компоненты рассчитываются в контексте конструкции; отталкиваясь от компоновочного эскиза; смешанным способом. Такой подход гарантирует легкую модификацию всех получаемых моделей.

В САПР КОМПАС различные расчеты и анализ изделий выполняются следующими модулями:

- кабели и жгуты 3D - дополнение, позволяющее автоматизировать процесс 3-мерного моделирования электрических жгутов и кабелей, а также выпускать конструкторскую документацию на данные изделия;

- трубопроводы 3D - модуль, предназначенный для автоматизации работ по разработке трубопроводов. Эта библиотека используется для проектирования инженерных сетей и в области машиностроения;

- Spring - модуль, обеспечивающий выполнение расчета (проектного или проверочного) тарельчатых пружин, цилиндрических винтовых пружин и пружин кручения. [2]

3) AutoCAD -- двух- и трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. Программа выпускается на 18 языках. Уровень локализации варьирует от полной адаптации до перевода только справочной документации. Русскоязычная версия локализована полностью, включая интерфейс командной строки и всю документацию, кроме руководства по программированию.

AutoCAD LT -- специализированное решение для 2D-черчения. Оно стоит дешевле полной версии AutoCAD. В AutoCAD LT полностью отсутствуют инструменты трехмерного моделирования и визуализации (однако возможен просмотр трехмерных моделей, сделанных в базовой версии), исключены программные средства адаптации системы (такие как AutoLISP и VBA, что делает невозможным установку сторонних приложений и надстроек, расширяющих базовые возможности AutoCAD), нет возможности создания параметрических чертежей, а также ряд других отличий. Версия «LT» впервые была представлена в 1993 году. [3]

4) АСОНИКА - Система АСОНИКА сориентирована на разработчика РЭА. В состав комплекса АСОНИКА входят 18 подсистем, связанных с моделированием аэродинамических, тепловых, механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру.

В подсистемах АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ разработаны специальные интерфейсы для ввода типовых конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) - шкафов, блоков, печатных узлов, что значительно упрощает анализ физических процессов в РЭА. Если бы пользователь строил модель механических процессов сложного шкафа или блока в обычной конечноэлементной системе, например, ANSYS, ему бы пришлось вначале пройти специальное обучение и набраться опыта, что заняло бы примерно около года, а затем в течение нескольких часов вводить саму модель. В системе АСОНИКА не нужно проходить специального обучения, нужно просто вводить на доступном конструктору языке то, что представлено на чертеже. Ввод того же сложно шкафа может быть осуществлен в течение получаса.

Таким образом, полноценный комплексный анализ шкафа на тепловые и механические воздействия вплоть до каждого электрорадиоизделия (ЭРИ) (получаем ускорения и температуры на каждом элементе) может быть проведен в течение 1 дня.

Структура справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций РЭА отличается от существующих наличием полных условных записей ЭРИ, наличием моделей вариантов установки ЭРИ, позволяющих значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ, возможностью создания новых моделей вариантов установки ЭРИ, наличием необходимых графических параметров, позволяющих придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые и графические данные об ЭРИ.

Система является открытой, так как позволяет включать дополнительные программы, например Pro/ENGINEER, на уровне пользователя без привлечения программистов. На территории РФ данная система аналогов не имеет и разрабатывается впервые. По зарубежным аналогам информация в открытой печати отсутствует.

Система «АСОНИКА» с 2000 г. проходит апробацию на предприятиях, выполняющих ГОЗ и поддерживается 22 ЦНИИ МО РФ, выпустившим в 2000 г . (ред. 2003 г .) РДВ 319.01.05-94 по применению автоматизированной системы «АСОНИКА» с целью повышения надежности проектируемой аппаратуры на основе математического моделирования, электрических, тепловых, аэро(-гидро)динамических и механических (вибраций, ударов, линейных ускорениях, акустических шумов) процессов. [4]

В систему АСОНИКА^® входят следующие подсистемы, обеспечивающие ее функциональность и универсальность применения.

АСОНИКА^®-А - подсистема анализа и обеспечения аэродинамических и гидравлических характеристик радиоэлектронной аппаратуры.

АСОНИКА^®-В - подсистема предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах, при воздействии гармонической вибрации, случайной вибрации, ударных нагрузок, линейного ускорения, при воздействии акустических шумов и для принятия решения на основе полученных механических характеристик с целью обеспечения стойкости РЭС при механических воздействиях.

АСОНИКА^®-М - подсистема анализа объемных конструкций радиоэлектронных средств на механические воздействия.

АСОНИКА^®-Т - подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры.

АСОНИКА^®-ТМ - подсистема анализа и обеспечения стойкости радиоэлектронной аппаратуры к тепловым и механическим воздействиям.

АСОНИКА^®-П - подсистема автоматизированной поддержки профессионального творчества в радиоэлектронике.

АСОНИКА^®-Д - подсистема обеспечения диагностирования и контроля технического состояния радиоэлектронной аппаратуры.

АСОНИКА^®-Б - подсистема для анализа шкафов, блоков, печатных узлов, электрорадиоизделий (ЭРИ).

АСОНИКА^®-БД - справочная база данных электрорадиоизделий и материалов по геометрическим, физико-механическим, теплофизическим и надежностным параметрам. [4]

АСОНИКА^®-Р - подсистема для облегчения и ускорения процесса заполнения карт рабочих режимов электрорадиоизделий (ЭРИ).

АСОНИКА^®-АNSYS - подсистема «КОМПАС-АСОНИКА-ANSYS» состоит из модулей КОМПАС-АСОНИКА-Т, КОМПАС-ANSYS, КОМПАС-АСОНИКА-ТМ и предназначена для интеграции CAD-системы «КОМПАС-3D» с CAE-системами «АСОНИКА» и «ANSYS».

АСОНИКА^®-У - подсистема планирования и управления проектами, программами, разработками и комплексами работ.

АСОНИКА^®-УМ - подсистема управления моделированием РЭС, относится к системам класса PDM и отвечает всем общим требованиям к системам данного класса.

АСОНИКА^®-С - подсистема диагностики многопараметрического процесса по результатам статистического контроля.

АСОНИКА^®-К - подсистема анализа и обеспечения надежности и качества радиоэлектронной аппаратуры.

АСОНИКА^®-К-ЗИП - подсистема анализа и обеспечения надежности и качества комплектов ЗИП.

АСОНИКА^®-К-СИ - подсисетма анализа и обеспечения надежности и качества сложных изделий.

АСОНИКА^®-К-СЧ - подсистема анализа и обеспечения надежности составных частей. [4]

Так как в АСОНИКЕ очень много подсистем для различных видов обеспечения надежности выбираем ее в качестве нашего рабочего программного средства для моделирования нашего телекоммуникационного устройства.

Для надежной работы нашего телекоммуникационного устройства при тепловых и механический воздействиях будем пользоваться следующими подсистемами АСОНИКИ: АСОНИКА-М, АСОНИКА-ТМ и АСОНИКА-T так как:

В подсистемах АСОНИКА-М и АСОНИКА-ТМ разработаны специальные интерфейсы для ввода 2D- и 3D-изображений конструкций радиоэлектронной аппаратуры (шкафов, блоков, печатных узлов), что значительно упрощает анализ физических процессов в ТУ. [4]

АСОНИКА-Т - подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик, позволяющая строить тепловые модели ТУ [5].

1.1 Исследование надежности

Надежность - важнейший показатель качества любого изделия прибора, механизма, машины или системы. Надежность характеризует способность изделия нормально работать, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах, при заданных режимах и условиях использования, хранения и транспортирования. Надежность - комплексный показатель качества, который характеризуется безотказностью, долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью.

Для определения надежности используем Автоматизированную Систему Обеспечения Надежности и Качества Аппаратуры (АСОНИКА).



2. Автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА

2.1 Подсистема АСОНИКА-Т

2.1.1 Назначение и технические характеристики подсистемы

Подсистема АСОНИКА-Т предназначена для автоматизации моделирования тепловых процессов микросборок, радиаторов, теплоотводящих оснований, гибридно-интегральных модулей, блоков этажерочной и кассетной конструкции, шкафов, стоек и других нетиповых (произвольных) конструкций.

Подсистема позволяет при проектировании РЭС реализовать следующие проектные задачи:

определение средних температур блоков, печатных узлов и материалов несущих конструкций, а также воздушных объемов внутри РЭС;

внесение изменений в конструкцию РЭС с целью достижения приемлемых тепловых режимов;

выбор лучшего варианта с точки зрения тепловых режимов работы конструкции из нескольких имеющихся концептуальных вариантов;

обоснование необходимости и оценка эффективности дополнительной защиты РЭС от тепловых воздействий;

создание при необходимости эффективной программы испытаний макетов и опытных образцов РЭС на тепловые воздействия (в задачах выбора наиболее информационных испытательных воздействий, выбора датчиков и точек их установки в наиболее теплонагруженных местах и пр.).

Подсистема дает возможность провести моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов РЭС, работающих в воздушной среде, как при нормальном, так и при пониженном давлении и охлаждаемых естественной или вынужденной конвекциями. В результате моделирования определяются средние температуры выделенных изотермических воздушных объемов, а также средние температуры несущих конструкций более низких уровней для дальнейшего теплового моделирования этих несущих конструкций, при реализации проектирования по методике «сверху - вниз». Так, если при тепловом моделировании радиоэлектронных шкафов определяются средние температуры блоков или модулей, то на следующем шаге осуществляется моделирование этих блоков или модулей. В результате получаются средние температуры печатных узлов. Далее для теплового моделирования печатных узлов уже применяется подсистема АСОНИКА-ТМ, которая позволяет получить температурное поле каждого печатного узла и каждого радиоэлемента. Путем сравнения полученных значений температур радиоэлементов с предельно допустимыми значениями температур этих элементов определяются выполнение требований по температурным запасам, и таким образом выявляются перегруженные радиоэлементы. Если требования выполняются, то температуры радиоэлементов передаются в программы электрических расчетов для уточнения этих расчетов.

Температуры материалов печатных плат необходимы для передачи их на механические расчеты печатных узлов в подсистеме АСОНИКА-ТМ.

В подсистеме АСОНИКА-Т наряду с средними температурами конструкций типовых узлов определяются также их температурные поля, которые дают возможность составить предварительные представления о их тепловых состояниях и использовать информацию о температурах материалов несущих конструкций в подсистеме АСОНИКА-М для комплексного механического моделирования с учетом этих температур.

Сервисное обеспечение АСОНИКА-Т включает в себя Базу данных со справочными геометрическими и теплофизическими параметрами ЭРИ и конструкционных материалов, графический ввод исходных данных для конструкций, графический вывод результатов расчета.

Для проведения сеанса моделирования при помощи данной подсистемы необходима следующая исходная информация:

эскиз или чертеж несущей конструкции РЭС;

теплофизические параметры материалов рассматриваемой конструкции РЭС;

мощности тепловыделений в конструкциях более низкого уровня иерархии, входящих в рассматриваемую конструкцию. Мощности в конструкциях складываются из смонтированных в них радиоэлементах РЭС;

условия охлаждения (граничные условия) конструкции РЭС.

Структурная схема подсистемы представлена на (рис. 1). В ее основе лежит модуль Asonika_T, который выполняет две основные функции. Во-первых, данный модуль представляет собой управляющую оболочку подсистемы и содержит в себе несколько модулей и диалогов для связи между различными функционалами подсистемы и выполнения определенных функций, таких как расчет, обработка запросов к базам данных материалов и типовых элементов, вывод на экран различной, необходимой пользователю информации. Во-вторых, данный модуль является графической оболочкой для построения графа, топологической модели тепловых процессов. Через этот модуль пользователь управляет всем информационным пространством подсистемы. Все управление и взаимодействие пользователя с программой осуществляется через данный модуль с помощью специальных диалоговых окон.

Работа с подсистемой начинается с создания модели тепловых процессов или макромодели исследуемой конструкции. Каждый из этапов автоматизации отражен в модуле Asonika_T соответствующим диалогом. Построение модели начинается с определения узлов топологического графа, для этого предусмотрен диалог, который помогает пользователю при задании параметров узлов модели. Далее узлы соединяются ветвями для определения тепловых связей между элементами конструкции. Для данного процесса тоже существует диалог, который запрашивает у пользователя тип ветви и необходимые теплофизические параметры данного взаимодействия.



Рис. 1. Структурная схема подсистемы АСОНИКА-Т

Таким образом, строится модель любой сложности, но данный процесс неэффективен и требует большого внимания и трудоемкости при создании модели, поэтому модуль Asonika_T был дополнен разработанными вновь алгоритмами и методами автоматизированного синтеза МТП типовых элементов. Был создан типовой ряд элементов и разработаны для данных элементов методы и алгоритмы автоматизированного синтеза. Для построения МТП типового элемента созданы диалоги, которые в простой и понятной форме запрашивают у пользователя необходимые для работы автомата параметры. Строящаяся автоматически МТП является параметризованной.

Кроме того, очень часто, при построении сложных моделей необходимо использовать стыковку МТП типовых элементов между собой для создания единой модели. Для данных ситуаций были проанализированы и созданы пользовательские диалоги, которые, запросив необходимую информацию у пользователя, автоматически свяжут необходимые элементы конструкции. Эти диалоги в значительной степени упрощают работу конструктора.

Одновременно с моделированием происходит отображение топологической модели тепловых процессов исследуемой конструкции. Для этого предусмотрен модуль прорисовки. Данный модуль построен с использованием современных технологий объектно-ориентированного программирования и реализован, как и вся подсистема, на языке высокого уровня Delphi.

Для автоматизированного синтеза МТП типовых элементов создан модуль синтеза данных моделей, который на основе заданных параметров с использованием разработанных алгоритмов строит модель. Результатом работы модуля Asonika_T является файл с исходными данными. Графическая информация о разрабатываемой модели хранится в файле графического модуля с расширением *.spt.

После создания модели можно переходить к расчету. Для проведения расчетов в подсистеме представлен расчетный модуль Ac_T.exe. Исходными данными для расчета являются файлы с расширениями *.dat. По окончании расчета создается файл с результатами с расширением *.rez. Файлы результатов, для удобства сохраняются в отдельном каталоге Result в корневом каталоге подсистемы. Наличие в коневом каталоге файлов графического изображения и файлов исходных данных обязательно для успешного проведения расчета.

По результатам расчета, пользователь имеет возможность получить разнообразную текстовую и графическую информацию. Для этого разработан модуль ShowGR отображения результатов, который выводит полученные данные как для стационарного расчета, таблица температур в узлах модели, так и для нестационарного расчета, в данном случае выводится график зависимости температуры в узлах модели от времени, и таблица температур в промежутках времени в узлах модели.

Кроме того, в подсистеме предусмотрена обширная и понятная справочная система, которая в понятной форме объясняет принцип работы с подсистемой и при создании моделей тепловых процессов.

Для удобства работы с диалогами подсистемы АСОНИКА-Т в структуре предусмотрена функциональная связь с интегрированным банком данных. Банк данных содержит набор баз данных, которые включают в себя справочную информацию о материалах несущих конструкций РЭС со всеми теплофизическими параметрами, необходимыми для расчета. Кроме того, имеется база типовых элементов, которую пользователь может пополнять своими, вновь созданными элементами. Следует отметить, что базы данных являются централизованными и едиными для подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ, что еще более эффективно при проведении тепловых анализов в комплексном рассмотрении изделия, от несущей конструкции к печатным узлам, где результаты одного анализа являются граничными условиями в другом.

2.1.2 Описание тепловых моделей подсистемы

С помощью подсистемы осуществляется моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы нелинейных алгебраических уравнений (для стационарного теплового процесса) или системы обыкновенных дифференциальных уравнений (для нестационарного теплового процесса) по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РЭС, Заданы также установленные в РЭС конструктивные узлы и элементы. Для решения систем уравнений конструктором задаются граничные условия. Вывод результатов осуществляется в удобной для дальнейшего анализа форме.

Система уравнений формируется подсистемой на основе топологической модели, построенной пользователем на экране дисплея ЭВМ.

Для peшeния указанной задачи иcпользуютcя кpитepиальныe уpавнeния тeоpии подобия и уpавнeния тeплоообмена, метод узловых потенциалов для фоpмиpования математической модели тепловых пpоцессов в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) или системы нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ).

Для решения СОДУ используется метод формул диффеpенциpования назад (ФДН), для решения СНАУ используется метод простых итераций, а для решения систем линейных алгебpаических уpавнений (СЛАУ), к которым сводятся СОДУ и СНАУ (на каждом шаге по времени и/или на каждой итерации по нелинейностям), метод LU-pазложения с символьной фактоpизацией и учетом pазpеженности матpицы тепловых проводимостей.

В отличие от других видов моделей топологические модели тепловых процессов позволяют в простой форме задавать граничные условия различных родов и их комбинаций по объемам и поверхностям конструкции РЭС при помощи соответствующих компонентов графа (ветвей, источников заданной температуры и (или) источников с заданной тепловой мощностью).

2.1.3 Запуск подсистемы и основные пункты меню

Запуск подсистемы и основные пункты меню. Вызов подсистемы осуществляется по команде TeRa.exe. После запуска данного файла появляется окно подсистемы, в котором можно выделить три области: рабочая область - в ней непосредственно осуществляется построение топологической модели тепловых процессов (МТП) конструкции, главное меню и панель инструментов. Эти области показаны на (рис. 2).

Рис. 2. Окно подсистемы

Главное меню состоит из набора следующих команд управления подсистемой: Файл, Вид, Конструкция, Тип расчета, Расчет, Просмотр результатов, Помощь, показанных на (рис. 3).

Рис. 3. Главное меню

Команда «Файл» главного меню, раскрытая на (рис. 4), предоставляет следующие возможности:

создать новую модель (пункт меню «Файл/Новый»);

загрузить уже нарисованную модель с диска (пункт меню «Файл/Открыть»);

сохранить нарисованную модель в файле на диске (пункт меню «Файл/Сохранить» или «Сохранить как»);

закончить работу с программой (пункт меню «Файл/Выход»).

Исходные данные и результаты моделирования сохраняются только в каталоге Data. Никаких дополнительных каталогов и подкаталогов для исходных данных и результатов создавать не надо. Все файлы, относящиеся к данному проекту, имеют разные расширения, но одинаковое имя.

Рис. 4. Пункт «Файл» главного меню

Пункт «Правка» главного меню позволяет работать с базой данных теплофизических параметров материалов и базой данных коэффициентов смазки, сохранить фрагмент тепловой модели как типовой элемент, загрузить типовой элемент, а также выделить всю модель.

Рис. 5. Пункт «Правка» главного меню



Пункт «Вид» главного меню вызывает окно настройки параметров подсистемы (см. рис. 6), а также выводит в отдельном окне всю модель полностью.

Рис. 6. Пункт «Вид» главного меню и окно «Параметры»

Пункт «Конструкция» главного меню позволяет выбрать типовую конструкцию, показанные на (рис. 7).

Рис. 7. Пункт «Конструкция» главного меню

Пункт «Расчет» главного меню позволяет осуществить расчет для введенной модели, выбрать параметры расчета (стационарный и нестационарный), а также ввести таблицу для задания данных величин, изменяющихся по заданным законам (см. рис. 8).

Рис. 8. Пункт «Расчет» главного меню

Пункт «Просмотр результатов» главного меню позволяет (см. рис. 9):

вывести на экран таблицу температур в узлах модели при стационарном тепловом расчете, а при нестационарном - вывести таблицу температур в узлах модели в каждый момент времени (данную таблицу с результатами можно также сохранить в текстовый файл);

вывести на экран график температур во времени при нестационарном тепловом расчете;

вывести на экран таблицу температур в узлах модели в заданный момент времени при нестационарном тепловом расчете (можно также сохранить в файл).

Рис. 9. Пункт «Просмотр результатов» главного меню

Пункт «Помощь» главного меню позволяет получить справку по программе (рис. 10).



Рис. 10. Пункт «Помощь» главного меню

Перед тем, как вводить тепловую модель конструкции, необходимо ознакомиться с методикой построения тепловых моделей РЭС, которая входит в комплект поставки подсистемы АСОНИКА-Т.

Панель инструментов состоит из набора кнопок для вызова основных команд подсистемы. Данное меню разбито на три области: Standart, Tools, Options, каждая из которых предназначена для выполнения определенного набора команд.

Область Standart (рис. 11) содержит кнопки, вызывающие стандартные функции работы с файлами, дублирует пункт главного меню «Файл». Кроме того, содержит кнопку для просмотра файла исходных данных .

Рис. 11. Область Standart

Область Tools (рис. 12) содержит кнопки для вызова команд работы по созданию и редактированию топологических моделей тепловых процессов, а также кнопку вызова файла помощи. Команды данной области подробнее рассмотрены ниже.

Рис. 12. Область Tools



Область Options (см. рис. 13) содержит кнопки для вызова функций получения дополнительной информации об узлах и ветвях топологической МТП конструкции, а также вызова параметров расчета.

Рис. 13. Область Options

Работа с графическим интерфейсом ввода математической тепловой модели конструкции РЭС в топологическом виде начинается с ввода номеров узлов модели. Для этого нажимается кнопка на панели инструментов. После этого устанавливается курсор в любом месте на поле рабочей области и нажимается левая кнопка мыши. После этого предлагается ввести номер и имя узла (см. рис. 14).

Рис. 14. Установка узла топологической тепловой модели

Нумерация узлов происходит автоматически, однако номер узла можно менять вручную. Узлы должны нумероваться последовательно и без пропусков.

Удаление узла. Перед удалением узла нужно удалить все подходящие к нему ветви. После этого нажимается кнопка на панели инструментов. Затем курсор устанавливается на узел и нажимается левая кнопка мыши, одновременно удерживается клавиша Ctrl. Узел окрасится в синий цвет. После этого нажимается кнопка . Узел будет удален.

Установка ветви топологической тепловой модели осуществляется между двумя узлами. Для этого нажимается кнопка на панели инструментов. А затем последовательно нужно нажать на оба узла. После этого выбирается тип ветви (см. рис. 15).

Рис. 15. Выбор типа ветви

Далее вводятся параметры соответствующей ветви, например, для ветви, моделирующей излучение, это показано на (рис. 16) Полный перечень ветвей математических тепловых моделей в топологическом виде и их параметры представлены в документации к подсистеме АСОНИКА-Т.

Рис. 16. Параметры ветви излучения



В результате получим следующее изображение (см. рис. 17):

Рис. 17. Изображение ветви излучения

Ветви «Источник мощности», «Источник температуры» и «Теплоемкость», которая задается только для нестационарного теплового расчета, соединяются одним концом с узлом с нулевым потенциалом.

Удаление ветви. Для этого нужно нажать на кнопку на панели инструментов. Затем устанавливается курсор на ветвь, которую нужно удалить, и нажимается левая кнопка мыши. При этом одновременно удерживается клавиша Ctrl. Ветвь окрасится в синий цвет. После этого ветвь будет удалена, если нажать на кнопку .

Корректировка параметров ветви. Для этого необходимо нажать на кнопку на панели инструментов. Затем установить курсор на ветвь, параметры которой нужно изменить, и нажать правую кнопку мыши, одновременно удерживая клавишу Ctrl. После этого в окне будет предложено изменить параметры ветви.

Выделение объекта. Для этого требуется воспользоваться кнопкой на панели инструментов. Затем нажимается левая кнопка мыши и обводится объект прямоугольником. После того, как отпустится левая кнопка мыши, объект окрасится в синий цвет. Таким образом, объект выделяется. После этого объект целиком можно переместить или удалить.

Перемещение узлов и объектов осуществляется нажатием на кнопку на панели инструментов. Затем устанавливается курсор на узел тепловой модели или на объект, которые надо переместить, и после нажатия на левую кнопку мыши осуществляется перемещение. После перемещения узла нужно вначале нажать кнопку , а затем переходить к другой кнопке панели инструментов, например, к кнопке .

Просмотр названий узлов и номеров ветвей. Для этого на панели инструментов в первом случае нажимается кнопка , а во втором случае - кнопка .

Создание библиотеки типовых элементов. Очень часто в физической тепловой модели новой конструкции встречаются типовые, часто повторяющиеся, элементы. Чтобы каждый раз не вводить их вновь, нужно один раз их сохранить, а затем в случае необходимости вставлять в каждую новую физическую модель. Для сохранения созданного типового элемента нужно вначале его выделить (см. выше «Выделение объекта»), а затем, нажимая одновременно Ctrl и правую кнопку мыши, выбрать в предлагаемом меню пункт «Сохранить как типовой элемент». Сохранить файл (имеет расширение uel) можно в любом заранее созданным каталоге, где в дальнейшем будут храниться все физические модели типовых элементов.

Для чтения типового элемента и его вставки в физическую модель нужно вначале нажать на кнопку , а затем, нажимая одновременно Ctrl и правую кнопку мыши, выбрать в предлагаемом меню пункт «Вставить типовой элемент/Открыть», войти в каталог, где хранятся модели типовых элементов, и выбрать необходимый файл с расширением uel.

Физические модели типовых конструкций создаются программным путем разработчиком подсистемы. В настоящее время заложены 4 варианта типовых конструкций РЭС: пластина, корпус, модульная конструкция, кассетная конструкция.

Для ввода пластины нужно нажать на кнопку на панели инструментов. После этого установить курсор в любом месте на поле рабочего окна подсистемы и нажать левую кнопку мыши. В появившемся окне (см. рис. 18) задаются параметры пластины.



Рис. 18. Окно ввода параметров типовой конструкции «Пластина»

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне появится изображение физической модели пластины (см. рис. 19,а). Если подвести курсор к пластине и нажать правую кнопку мыши, появится меню, предлагающее выбрать одно из следующих действий: развернуть физическую модель пластины в топологическую модель или изменить параметры пластины. При разворачивании физической модели пластины появится изображение топологической модели (см. рис. 19,б).

Топологическую модель пластины можно свернуть нажатием правой кнопки. Для удаления пластины нужно нажать одновременно нажать на клавишу Ctrl и левую кнопку мыши. Пластина окрасится в синий цвет, что означает, что она готова к удалению. После этого нужно нажать на кнопку . Пластина будет удалена.



а)

б)

Рис. 19. Изображение модели пластины: а - физической; б - топологической

При построении модели пластины применен принцип разбиения на элементарные зоны, в пределах которых распределение температур по поверхности считается постоянным. Пластина разбивается условно сеткой на элементарные зоны. На рис. 19,б представлена МТП пластины, учитывающая распространение тепла по самой пластине, а также конвекцию в окружающую среду и излучение на соседние элементы или стенки корпуса блока.

Как видно из практики, возможно два варианта использования МТП пластины. В общем случае, когда используется пластина при нормальных условиях эксплуатации, описываются связи конвекции и излучения, как показано на рисунке 19,б. В частном случае, когда данная модель описывает эксплуатацию пластины в вакууме, используются только связи излучения.

Во всех выше описанных вариантах использования МТП задаются одинаковые начальные условия. Прежде всего задается размерность разбиения по осям ОХ и ОY, то есть задается дискретизация сетки и тем самым задается количество элементарных зон. По умолчанию температура во всех зонах задается одинаковой, но при необходимости ее можно изменить. Далее задается габаритный размер в миллиметрах. На втором этапе происходит выбор количества плоскостей взаимодействия и условий эксплуатации, а именно, наличие среды или вакуума, после чего задаются основные теплофизические параметры: длина пути теплового потока, теплопроводность материала, степень черноты поверхности, коэффициент облученности, определяющий размер, коэффициент ориентации и давление окружающей среды.

Для ввода типовой конструкции «Корпус» необходимо нажать на кнопку на панели инструментов. После этого установить курсор в любом месте на поле главного меню и нажать левую кнопку мыши, в появившемся окне (см. рис. 20) задаются соответствующие параметры корпуса.

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы АСОНИКА-Т появится изображение физической модели корпуса (см. рис. 21,а). Если подвести курсор к физической модели корпуса и нажать правую кнопку мыши, в появившемся окне можно будет выбрать одно из следующих действий: развернуть физическую модель корпуса в топологическую модель, вставить пластину или изменить параметры корпуса. При разворачивании физической модели корпуса появится изображение топологической модели (см. рис. 21,б), свернуть которое обратно в физическую модель можно нажатием правой кнопки мыши.

Для удаления физической модели корпуса нужно одновременно нажать на клавишу Ctrl и левую кнопку мыши. окрасится в синий цвет, что означает, что она готова к удалению. После этого нужно нажать на кнопку . Физическая модель корпуса будет удалена.

Рис. 20. Окно ввода параметров типовой конструкции «Корпус»

а)

б)

Рис. 21. Изображение модели корпуса: а - физической; б - топологической

Данный типовой элемент используется при создании практически любых конструкций РЭС. Для построения МТП конструкции блока необходимо, в соответствии с принципами построения топологических моделей, разбить ее на составляющие элементы. Выделим шесть основных элементов: передняя панель, задняя панель, верхняя крышка, нижняя крышка, правая и левая стенки корпуса. Но для построения модели необходимо ввести узлы, обозначающие окружающую среду и воздух внутри корпуса. Исходя из этого, МТП корпуса будет представлять собой несвязный граф из восьми узлов и соответствующими ветвями (рис. 21,б). Как и в случае с плоскими конструкциями, данная модель зависит от среды, в которой эксплуатируется проектируемый блок. На рис. 21,б показана модель блока в среде. Если же корпус будет использоваться в вакууме, то в модели будут отсутствовать связи, обозначающие конвективный теплообмен. В такой ситуации тепловое взаимодействие между элементами блока будет осуществляться только за счет излучения. Каждый узел конструкции имеет свой номер. Каждый узел обозначает один конструктивный элемент, а именно: 1 - передняя панель, 2 - задняя панель, 3 - верхняя крышка, 4 - нижняя крышка, 5 - левая стенка, 6 - правая стенка, 7 - окружающая среда и 8 - воздух внутри корпуса.

В подсистеме АСОНИКА-Т выделена также типовая конструкция РЭС под названием «Модульная конструкция», которая представляет собой набор модулей, состоящих из двух или трех слоев: в середине алюминиевый слой, а с двух сторон приклеены платы или к алюминиевому слою с одной стороны приклеивается плата. По краям алюминиевого слоя расположены ребра. В результате при стягивании болтами модулей автоматически за счет стяжки ребер образуется корпус модульной конструкции. Остается закрепить 2 крышки - сверху и снизу.

Для ввода типовой «Модульной конструкции» нужно войти в пункт меню «Конструкция/Модульная конструкция». После этого установить курсор в любом месте на поле окна главного меню подсистемы АСОНИКА-Т и нажать левую кнопку мыши, в появившихся окнах (см. рис. 22) задаются соответствующие параметры модульной конструкции.



Рис. 22. Окна ввода параметров типовой модульной конструкции

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы появится изображение физическая модель модульной конструкции в свернутом виде (рис. 23,а). Если подвести курсор к корпусу и пластине, нажать правую кнопку мыши, в появившемся окне можно будет развернуть корпус и пластину или изменить параметры корпуса и пластины. При разворачивании корпуса и пластины появится изображение математической модели в топологическом виде (см. рис. 23,б), свернуть которое обратно в физическую модель можно нажатием правой кнопки мыши.

Для удаления корпуса и пластины в физической модели модульной конструкции нужно одновременно нажать на клавишу Ctrl и левую кнопку мыши. Корпус и пластина окрасятся в синий цвет, что означает, что они готовы к удалению. После этого нужно нажать на кнопку . Корпус и пластина будут удалены.

Макромодель модуля можно представить в виде упрощенной модели корпуса со вставленными в него двумя печатными узлами (рис. 23,а). В развернутом виде макромодель модуля показана на рисунке 23,а. Как видно из рисунка, данная модель состоит из корпуса, узлов 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Данные узлы моделируют стенки корпуса, которые взаимодействуют с окружающей средой (узел 7) посредством излучения. Так как данные конструкции в основном используются в космической технике и эксплуатируются в вакууме, то конвективный теплообмен с окружающей средой отсутствует, но при необходимости легко добавить необходимые связи.

Внутреннее строение корпуса модуля представляет собой прослойку, узел 18, которая соединена с верхней, нижней, передней и задней стенками корпуса. На эту прослойку с обеих сторон прикрепляются печатные платы, которые на макромодели изображены многополюсниками. Основными тепловыделяющими элементами являются печатные платы. Для более точного моделирования они были представлены пластинами, разбитыми на четыре области, на каждую из которых можно задать мощность тепловыделения. Данные платы, узлы 8-11 и 13-16, посредством излучения взаимодействуют с воздухом (узлы 17 и 12) между стенками корпуса модуля и ПУ и, посредством кондуктивного теплообмена - с прослойкой.

В конструкции могут быть до пятнадцати модулей, соединенных в единую конструкцию. Корпуса модулей соединяются между собой кондуктивными связями по соприкасающимся стенкам. Так как модули соединяются между собой болтовыми креплениями, то будет учитываться и теплоотвод за счет и этих соединений. При увеличении количества модулей в конструкции будут добавляться кондуктивные связи между соседними, соприкасающимися между собой стенками модулей. Остальные части макромодели будут оставаться без изменения. Кроме того, можно задавать мощность теплоизлучений по тепловым зонам в свернутом виде макромодели или прикладывать нагрузку непосредственно к узлам печатных плат при развернутом отображении макромодели.

Рассмотрим типовую «Кассетную конструкцию», которая представляет собой прямоугольный корпус с установленными параллельно платами одинакового размера.

Для ввода кассетной конструкции нужно войти в пункт меню «Конструкция/Кассетная конструкция». После этого установить курсор в любом месте на поле главного меню и нажать левую кнопку мыши, в появившемся окне (см. рис. 24) задаются соответствующие параметры кассетной конструкции.

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы АСОНИКА-Т появится изображение физической модели кассетной конструкции в свернутом виде (см. рис. 25,а). Если подвести курсор к корпусу, нажать правую кнопку мыши, в появившемся окне можно будет развернуть физическую модель кассетной конструкции или изменить параметры типовой кассетной конструкции. При разворачивании корпуса появится изображение топологической модели (см. рис. 25,б), свернуть которое можно нажатием правой кнопки мыши.

а)

б)

Рис. 23. Изображение моделей модульной конструкции: а - физическая модель; б - топологическая модель

Рис. 24. Окно ввода параметров кассетной конструкции

Для удаления корпуса в модели кассетной конструкции нужно одновременно нажать на клавишу Ctrl и левую кнопку мыши. Корпус окрасится в синий цвет, что означает, что он готов к удалению. После этого нужно нажать на кнопку . Корпус будет удален.



а)

б)

Рис. 25. Изображение моделей типовой «Кассетной конструкции»: а - физическая модель; б - топологическая модель

При разработке МТП кассетных конструкций РЭС необходимо рассмотреть два случая:

конструкции с принудительным воздушным охлаждением (продув воздуха между печатными узлами блока);

конструкции с естественным воздушным охлаждением.

В обоих случаях МТП рассматриваемых конструкций должны позволять определять:

температуру корпуса блока;

среднеповерхностные температуры печатных узлов;

температуры воздушных объемов между печатными узлами, причем для конструкций с естественным воздушным охлаждением - среднеобъемные температуры каждого воздушного объема, для конструкций с принудительным воздушным охлаждением - температуру воздуха на выходе каждого воздушного канала между печатными узлами и среднюю температуру каждого воздушного канала. Эти интегральные показатели теплового режима таких конструкций необходимы в дальнейшем при детальном анализе тепловых характеристик РЭС, т.е. для осуществления иерархического подхода к моделированию тепловых процессов в РЭС.

Заметим, что с точки зрения протекающих в них тепловых процессов, кассетные и этажерочные конструкции практически не различаются. Это позволяет предложить для их расчетов идентичные МТП.

Конструкция с принудительным воздушным охлаждением. Примем следующую идеализацию рассматриваемых конструкций с точки зрения протекающих в ней процессов теплообмена:

поверхность каждого печатного узла изотермична;

поверхность корпуса блока изотермична;

тепловой поток от печатных узлов через разъемы и монтажные провода незначительный.

Для принятой идеализации в блоке существуют следующие виды теплообмена:

тепловое взаимодействие посредством теплопроводности между каждым печатным узлом и корпусом блока;

тепловое взаимодействие посредством теплопроводности между стенками корпуса блока;

излучение с поверхности корпуса блока в окружающую среду;

конвективная теплоотдача с поверхности печатных узлов в проходящие между ними воздушные потоки;

конвективная теплоотдача с поверхности корпуса блока в окружающую среду;

тепломассоперенос воздухом в воздушных каналах между печатными узлами.

Конструкции с естественным воздушным охлаждением. Упрощения, принятые при идеализации процессов теплообмена, в рассматриваемых конструкциях аналогичны перечисленным выше для конструкции с принудительным охлаждением. Для принятой идеализации в конструкции существуют следующие виды теплообмена:

излучение с каждого печатного узла в воздушные объемы между печатными узлами;

излучение с поверхности корпуса блока в окружающую среду;

конвективная теплоотдача с поверхностей каждого печатного узла в воздушные объемы между печатными узлами;

конвективная теплоотдача с участков внутренней поверхности корпуса блока, ограниченных печатными узлами, в воздушные объемы;

конвекция с поверхности корпуса блока в окружающую среду.

тепловое взаимодействие посредством теплопроводности между стенками корпуса;

тепловое взаимодействие посредством теплопроводности между печатными узлами и стенками корпуса;

На рис. 25,б приведена составленная для перечисленных видов теплообмена и принятой идеализации конструкции МТП кассетного блока. В МТП приняты следующие обозначения:

- узлы 1..6 - стенки корпуса;

- узлы 8..11 - печатные узлы;

- узлы 12..16 - воздушные объемы между печатными узлами;

- узел 7 - окружающая среда.

- Р1..Р4 - мощности теплового излучения печатных узлов.

Моделирование. После того, как топологическая модель введена, ее необходимо сохранить нажатием . пункта меню. Вам будет предложение расширение dat. Далее нужно выбрать тип моделирования - стационарный или нестационарный. Для нестационарного моделирования нужно ввести соответствующие параметры, нажав кнопку (см. рис. 26).

Рис. 26. Параметры моделирования тепловых процессов

После этого можно перейти к пункту меню «Расчет», нажав «Провести расчет».

Можно посмотреть исходные данные в текстовом формате, нажав кнопку . Если внести какие-то изменения, можно произвести быстрый пересчет. Однако эти изменения в файле исходных данных не сохранятся.

...