Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование тепловых процессов в телекоммуникационном устройстве

Аннотация

Настоящая выпускная квалификационная работа посвящена изучению тепловых процессов, протекающих в телекоммуникационном устройстве.

Целью исследования является улучшение тепловых режимов работы навигационного блока космической аппаратуры через проведение моделирования тепловых процессов устройства. В качестве основного инструмента моделирования будет использован функционал автоматизированной системы АСОНИКА, которая является универсальной программой для проведения математических вычислений. Результатами исследования являются оценка тепловой стабильности работы устройства и описание рекомендуемых улучшений для ее повышения. Полученные результаты работы могут быть использованы при проектировании других сложных телекоммуникационных систем.

Введение

Целью выпускной квалификационной работы является решение практической задачи по анализу и обеспечению требований к тепловым нагрузкам телекоммуникационного устройства путем проведения теплового моделирования.

С активным развитием программ по освоению космоса и небесных тел возрастает роль инфокоммуникацонных технологий, а также повышаются требования к высокой надежности электронной аппаратуры. Особенностью увеличения сроков работы телекоммуникационной электронной аппаратуры является расширение диапазона учитываемых при проектировании факторов внешнего воздействия. Среди факторов, оказывающих наибольшее влияние на надежную работу устройства, можно выделить внешние и внутренние тепловые и механические внешние воздействия. Для обеспечения высоконадежной работы электронной аппаратуры разработчиками производится оценка тепловых и механических условий работы всех компонентов. Также проводится расчет запасов тепловых и механических нагрузок пути их возможного снижения. В данной же работе будут рассмотрены вопросы оценки только тепловых условий работы на примере одного коммутационного узла космического оборудования. Предлагаемый способ проведения теплового моделирования продемонстрирован с помощью системы АСОНИКА 1..

Главным объектом исследования являются тепловые процессы, протекающие в телекоммуникационном устройстве в процессе его работы. Весь процесс работы построен вокруг изучения этого важного физического явления, способного оказать значительное влияние на безотказную работу устройства.

В качестве основного инструмента в работе будут представлены информационные технологии компьютерного теплового моделирования - системы АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ, предназначенные для теплового и тепломеханического анализа соответственно. АСОНИКА - автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры. В работе раскрываются возможности системы и описан процесс ее работы. Целью применения АСОНИКИ в качестве основного инструмента теплового моделирования является обеспечение бесперебойной работы электронных блоков телекоммуникационной техники для длительных космических полетов.

Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:

- изучить теоретические основы моделирования тепловых процессов;

- освоить принципы работы в подсистемах АСОНИКА-Т, -ТМ;

- исследовать тепловые процессы навигационного блока;

- провести анализ полученного результата и предложить улучшения теплового режима устройства.

В соответствии с поставленными задачами структура ВКР состоит из трех основных частей:

· Описание основ моделирования тепловых процессов. Первая часть представляет описание теоретических методов моделирования тепловых процессов устройства и отражает их основные особенности.

· Обзор автоматизированной системы моделирования АСОНИКА. Вторая часть данной работы посвящена рассмотрению функционала и принципа работы подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ, как основных инструментов моделирования тепловых процессов устройства.

· Исследование тепловых процессов телекоммуникационного устройства. Третьей частью ВКР является описание практической части работы. Она представляет описание процесса теплового моделирования коммутационного узла космического оборудования, а также отражает ключевые результаты моделирования.

Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании коммутационного узла космического оборудования или других сложных телекоммуникационных систем.

Глава 1. Теоретические основы моделирования тепловых процессов

1.1 Основы моделирования тепловых процессов

Для значительного повышения надежности электронного оборудования необходимо учитывать влияние электрических, тепловых или механических воздействий. Комплексное влияние этих факторов способно вывести из строя электронную аппаратуру, поэтому обязательно должно учитываться при проектировании

Особенностями эксплуатации бортовой аппаратуры, которые также оказывают сильное влияние, являются тяжелые условия работы и относительно высокое энергопотребление. Можно увидеть определенную тенденцию в развитии настоящего оборудования, которая нацелена на повышение производительности, но характеризуется увеличением нагрузки. При проектировании современной электронной аппаратуры разработчики стараются уменьшить физические размеры изделия, что увеличивает плотность размещения элементов на плате.

Такое увеличение плотности монтажа приводит к повышенному тепловыделению устройства. Совокупность описанных выше факторов оказывает комплексное негативное влияние и влечет к повышению частоты отказов, поэтому строго учитывается в оборонной и космической сферах. При проектировании оборудования основной проблемой является выбор моделей, отвечающих требованиям широкого спектра конструкций и пригодных для изучения процессов конкретного объекта одновременно. Целью проведения моделирования является расчет тепловых полей конструкций электронной аппаратуры в целом, а также их печатных плат и подложек; получение значений температур активных зон и корпусов электронных элементов. Использование тепловых моделей устройства помогает:

- определять тепловые режимы работы всех элементов и полных конструкций, учитывая технологические особенности аппаратуры и вносить конструктивные изменения для обеспечения необходимых показателей надежности;

- делать обоснованный выбор лучшего с точки зрения тепловых параметров варианта конструкции устройства;

- рассчитывать параметры дополнительной защиты изделия от температурных воздействий;

- обеспечить комплексное тестирование аппаратуры на тепловые и механические воздействия.

На каждом шаге проектирования электронного устройства процесс делится на отдельные этапы. Так и при проведении анализа электрических, механических и тепловых процессов используется метод поэтапного моделирования «сверху вниз» 3.. Как было описано выше, современное электронное оборудование состоит из все большего количества узлов и функциональных элементов, что порождает большее количество тепловых связей и в совокупности формирует сложную техническую систему. При проектировании сложной системы ее следует рассматривать последовательно на разных этапах моделирования и постепенно расширять уровень детализации, что позволяет блочно-иерархический метод 4.. Опыт моделирования теплового и механического режимов сложных электронных объектов подтверждает эффективность метода поэтапного моделирования. Дальнейшее развитие данного подхода позволяет сократить количество используемых моделей. Изменения, вносимые при проектировании в конструкцию бортового электронного оборудования по результатам моделирования тепловых процессов, оказывают влияние на значения ускоряющих напряжений и обеспечивают надежность разрабатываемых устройств.

Показатели качества оборудования и параметры его электронных компонентов, оказывающие непосредственное влияние на безотказную работу бортового оборудования, также зависимы от температурного режима работы компонентов 5.. В результате неправильной работы или перегрева отдельных электронных элементов и печатных узлов возможна модификация физических размеров деталей или изменение их электрических свойств. Применение автоматизированных средств проектирования помогает увеличить скорость расчета качественных параметров оборудования в процессе его создания и позволяет полностью контролировать входные и выходные надежностные характеристики системы 6..

В настоящей работе в качестве одного из контролируемых параметров будет коэффициент тепловой нагрузки, рассчитываемый по формуле:

,

где T_нтд - допустимая температура тепловыделяющего электронного компонента, С;

T - температура работы элемента в стационарном режиме, С.

Допустимое значение коэффициента тепловой нагрузки берется из ТЗ на разработку аппаратуры. В данной работе коэффициент нагрузки принимается равным 0,8.

Проведение комплексного расчета позволяет по имеющимся теплофизическим характеристикам конструкции электронного устройства и известной тепловой мощности определять температуру электронных компонентов, установленных на печатной плате. Таким образом, задачей автоматизированной системы теплового моделирования является обеспечение пользователя уникальным инструментом расчета тепловых полей. Программа также позволяет быстро вносить изменения в конструкцию с целью повторного проведения вычислений. Это позволяет эффективно подобрать способ уменьшения тепловой нагрузки электронных компонентов. При автоматизированном проектировании важно также учитывать ошибки математического моделирования из-за идеализации физических процессов при описании их математических моделей.

1.2 Способы обеспечения теплоотвода космической аппаратуры

Одним из необходимых условий надежной работы электронных устройств и составляющих их элементов является обеспечение нормативных тепловых режимов. Существующие технологии увеличения производительности и минимизации размеров радиоэлектронных средств способствуют повышению тепловой нагрузки устройства, что усложняет процесс теплового моделирования. Внутренняя температура изделия становится выше температуры окружающей среды, что влечет за собой неравномерное распределение температуры внутри блока. Такой неравномерный нагрев устройства оказывает негативное влияние на надежность и безотказность работы устройства. Поэтому одной из основных конструкторских задач является обеспечение оптимальных, соответствующих техническим условиям, режимов работы электронных компонентов. Требуемых тепловых режимов работы можно достичь, обеспечив такое тепловое равновесие, при котором количество выделяемого устройством тепла равно количеству рассеиваемого. Таким образом, при проектировании электронной аппаратуры важно продумать систему охлаждения. Основными критериями выбора способа охлаждения являются режим работы устройства, его конструкция, рассеиваемая мощность и условия внешней среды.

Существует несколько способов охлаждения электронной аппаратуры, но все они основаны на трех основных способах теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. Явление теплопроводности заключается в передаче теплоты при непосредственном контакте. Так, например, обеспечить кондуктивное охлаждение можно с помощью теплопроводящих шин, радиаторов или специального посадочного места, соединенного с системой терморегулирования космического аппарата. Количество теплоты, которое передается кондукцией, можно определить по формуле:

,

где л_m - коэффициент теплопроводности; S - площадь теплостока; l - длина пути передачи тепла; ДT - разность температур элемента и окружающей среды.

При конвективном охлаждении тепло передается через окружающий элементы воздух. Различают естественное и принудительное воздушное охлаждение, а также водно-воздушные системы охлаждения. Принудительное воздушное охлаждение применяется при излучении не более 0,5 Вт/см² и реализуется на основе вентиляторов. Для охлаждения систем с мощностью теплового излучения более чем 0,5 Вт/см² применяют уже водно-воздушные системы. В таком случае теплоотвод осуществляется не только посредством воздушной среды, но и через холодильный агент. Температура теплоотвода, находящегося в непосредственном контакте с нагревающейся платой, всегда будет выше, чем температура окружающей среды, поскольку его размеры конечны. Таким образом, основная задача сводится к поддержанию температуры платы в допустимом техническим заданием диапазоне.

Далее будут рассмотрены несколько методов охлаждения электронных устройств.

Применение теплопроводящих паст и подложек. Для монтажа полупроводниковых приборов на посадочные места, для изолирования применяются специальные керамико-полимерные составы на полиамидной или стеклотканевой основах. Среди основных отличительных особенностей теплопроводящих подложек можно отметить:

- исключается использование теплопроводящих составов (паст) в промежуточных слоях, что значительно сокращает время и гарантирует чистоту сборки;

- при помощи изоляционной подложки, имеющей в составе керамический наполнитель с высокой проводимостью, обеспечивается интенсивный теплоотвод;

- в соединении проводник-радиатор-изолятор обеспечивается надежный контакт при помощи высоких показателей эластичности;

- метод является экологически чистым;

- за счет уменьшения трудозатрат и замены состава слюда-паста уменьшается стоимость самого монтажа.

Одними из представителей этого класса теплоотводящих материалов являются эластичные теплопроводящие изоляторы. Изоляторы данного типа имеют сразу двойное значение и применяются, как для эклектической изоляции, так и для охлаждения тепловыделяющих элементов, конструкций и узлов, посредством отвода тепла. Имеют вид листов из двухкомпонентного компаунда и изготавливаются из теплопроводящей керамики на основе кремниево-органической связки. Находят свое применение в качестве изоляционного материала для посадочных мест полупроводниковых приборов.

Отдельно стоит отметить термопасты. Их специальный состав скомбинирован из синтетической смолы, например, из силикона и теплопроводного порошка в пропорции 40% на 60%. На выходе получается двухкомпонентный состав, имеющий два ярко выраженных цвета:

- белый свидетельствует об использовании оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества;

- серый - о наличии в составе оксида алюминия либо в, особых случаях, оксида серебра.

Преимуществом термопасты является то, что они не подвержены затвердеванию и, при необходимости, их можно удалить, очистив поверхность. Хотя пасты не выполняют роль изоляционного материала, протекающие по ним электрические токи незначительны и маловероятны. Отрицательными же качествами термопаст являются слабые клейкие свойства, так, иногда требуется дополнительное закрепление тепло-рассеивающих элементов. В таких случаях можно воспользоваться эпоксидной смолой, либо закрепить радиатор механически.

Одной из разновидностей термопаст также являются термические смеси. В состав смесей обычно входят три компонента: эпоксидная смола, теплопроводящая присадка и загуститель. Данная смесь является наилучшей с точки зрения теплопроводных характеристик, однако, зачастую, производители разделяют эти три компонента в отдельные тюбики и перед нанесением их необходимо смешать в правильной пропорции, что бывает не так уж удобно. Готовая смесь быстро твердеет, что делает невозможным ее повторное нанесение.

Отвод тепла можно еще обеспечить посредством специальных теплопроводящих прокладок, в состав которых могут входить элементы стекловолокна для повышения их прочности. Такие прокладки могут применяться в качестве изолятора поверхностей, обладающих разностью потенциалов. Недостатком теплопроводящих прокладок является их невозможность полностью заполнить неравномерности поверхности.

Установка радиаторов. Для обеспечения эффективного отвода тепла с поверхности элемента можно применить специальный радиатор. Особенностью радиатора можно назвать то, что он монтируется непосредственно на перегревающий элемент и обеспечивает хороший тепловой контакт за счет своей высокой теплоемкости. Его установка позволяет увеличить площадь контакта рассеивающей поверхности элемента с окружающей средой. Радиаторы чаще всего изготавливаются из алюминия, меди, латуни или никеля, поскольку эти материалы обладают наибольшей теплопроводностью. Однако, алюминиевые радиаторы весят меньше никелевых, за счет чего бывают предпочтительнее в некоторых случаях. По конструкции радиаторы делятся на ребристые и игольчатые. Конструкция и физические размеры радиаторов выбираются в зависимости от необходимого количества рассеиваемой мощности. Способы крепления радиаторов различны, возможно применение специальных зажимов, термоклея или термической фольги.

Использование теплопроводящих трубок. Технология охлаждения с помощью теплопроводящей трубки основана на явлении переноса тепла парами жидкости. Спирт, частично заполняющий запаянную в вакуумной среде медную трубку, испаряется у более горячего края трубки и его пары поднимаются к более холодному концу. Охлаждаясь, пар конденсируется и спускается обратно к горячему краю трубки, обеспечивая эффективный отвод тепла от элемента. Теплопроводящая трубка обладает очень низким тепловым сопротивлением и наиболее эффективна при переносе тепла на расстояние, а также имеет ряд и других преимуществ. Во-первых, трубки имеют наибольшую скорость теплоотвода, поскольку в вакууме тепло переносится быстрее, чем в другом материале. Во-вторых, теплопроводящую трубку можно установить как вертикально, так и горизонтально, в зависимости от требуемой конструкции. За счет пористости внутренней стороны трубки жидкость внутри может перемещаться в разных направлениях.

Охлаждение посредством углеродных нанотрубок. Конструкция нанотрубки формируется из атомов углерода и представляет собой полый цилиндр. Характерной особенностью углеродной трубки является ее низкое тепловое и электрическое сопротивление, поэтому способны проводить большие токи. Использование охлаждения с помощью нанотрубок несколько отличается от остальных методов. Из трубок можно делать точные конструкции контактных площадок, соответствующие схемам размещения перегревающихся элементов, находящихся над платой. Благодаря своим особенным характеристикам и сравнительно маленьким размерам нанотрубки позволяют проектировать нестандартные решения систем охлаждения. Однако, такая технология еще не нашла своего повсеместного применения из-за высокой стоимости использования.

Применение элемента Пельтье. Эффект Пельтье заключается в постепенном охлаждении пластины при протекании по двум соприкасающимся проводникам электрического тока. Термоэлектрическая пластина, обладающая эффектом Пельтье, позволяет перераспределять тепло, перенося его от одной части схемы к другой, постепенно охлаждая ее. Основным недостатком такой пластины является ее самопроизвольный нагрев в процессе работы, то есть помимо охлаждения на одном конце, пластина выделяет тепло на другом, что необходимо учитывать при расчете полной системы охлаждения.

В данной главе настоящей работы были рассмотрены основные методы обеспечения теплоотвода электронных элементов и микросхем. В зависимости от условий эксплуатации изделий, требуемых рассеиваемых мощностей и конструктивных особенностей устройств, разработчики выбирают те или иные описанные выше способы охлаждения.

Глава 2. АСОНИКА - как инструмент математического моделирования физических процессов

Автоматизированная система обеспечения надежности и качества оборудования (АСОНИКА) предназначена для проведения автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования высоконадежных радиоэлектронных средств (РЭС) с применением CALS-технологий 7..

На работу бортовой радиоэлектронной аппаратуры сильное влияние оказывают жесткие внешние факторы, которые, воздействуя одновременно, приводят могут привести к системному отказу. Для выявления возможности отказов необходимо одновременное моделирование электрических, термических, механических, аэродинамических, радиационных и других воздействий окружающей среды. При комплексном математическом моделировании следует учитывать физические и технологические особенности современных микроэлектронных изделий, входящих в состав РЭС. Такое комплексное моделирование, учитывающее все внешние факторы, может быть выполнено только с помощью компьютера и специального программного обеспечения. Это позволит заранее выявить и устранить возможные сбои и обеспечить высокую надежность радиоэлектронной аппаратуры.

АСОНИКА предназначена для решения четырех основных проблем, возникающих при разработке современных РЭС 7.:

- предотвращение возможных отказов при эксплуатации на ранних стадиях проектирования;

- обеспечение безопасности человека при авиаперелетах (предотвращение аварий) с помощью сложной автоматизированной системы анализа;

- сокращение времени и затрат на проектирование;

- автоматизация рабочего процесса и создание электронной модели изделия.

АСОНИКА - первая в России автоматизированная система комплексного моделирования физических процессов, которая помогает проверять оборудование еще на первых этапах проектирования, что позволяет сократить сроки производства и минимизировать затраты. Система АСОНИКА применяется во многих российских компаниях, занимающихся разработкой электронной аппаратуры. Проведение инженерно-технического анализа устройства с помощью данной системы позволяет повысить качество изделия и его надежность благодаря выявлению и устранению вероятности отказов.

В рамках автоматизированной системы АСОНИКА реализован специальный программный пакет, который позволяет создать виртуальную модель макета, структура которой будет включать в себя тепловые и механические процессы устройства, а также анализ надежности. Полученные в результате такого моделирования данные могут быть использованы на последующих стадиях проектирования изделия.

Система АСОНИКА состоит из восьми подсистем, которые предназначены для различных видов моделирования. Для проведения теплового анализа телекоммуникационного устройства применяются подсистемы АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ, которые будут подробнее рассмотрены в настоящей работе.

2.1 АСОНИКА-Т

Основным назначением подсистемы является проведение подсистемного анализа и расчет тепловых характеристик конструкций РЭС. АСОНИКА-Т дает возможность проводить анализ разнообразных типов конструкций, таких как функциональные ячейки и печатные узлы, радиаторы и системы теплоотвода, гибридно-интегрированные модули, блоки кассетной конструкции, стойки, шкафы, а также любые другие произвольные структуры РЭС. Подсистема позволяет анализировать стационарные и нестационарные тепловые режимы оборудования, с учетом естественной или принудительной конвекции воздуха, при нормальном и при пониженном давлении 8..

Для проведения теплового моделирования необходимо подготовить следующие входные данные:

- чертеж конструкции исследуемого устройства;

- теплофизические параметры материалов;

- мощности тепловыделений;

- тепловые граничные условия;

- начальные условия времени работы и начальные значения температур.

В результате моделирования получается топологическая модель тепловых процессов исследуемого РЭС в графическом виде. В виде таблицы так же выводятся значения температур всех элементов изделия и воздушных объемов. АСОНИКА-Т позволяет проводить стационарный и нестационарный расчет тепловых режимов работы. Результаты моделирования нестационарного режима отображаются в виде таблиц со значениями температур для каждого момента времени, а также в виде графика зависимости температур от времени.

2.2 АСОНИКА-ТМ

Подсистема АСОНИКА-TM используется при исследовании конструкций печатных плат РЭС и моделировании тепловых и механических воздействий. Программа проводит полноценный анализ конструкции разрабатываемой печатной платы электронного устройства и способна моделировать, как стационарные, так и нестационарные тепловые процессы при разных значениях атмосферного давления.

АСОНИКА-ТМ имеет удобный графический интерфейс пользователя для ввода параметров печатных плат. В результате моделирования пользователь получает информацию об областях максимальных температур, ускорений и напряжений на печатных платах и ??радиоэлектронных компонентах.

В качестве сервисного обеспечения программа содержит собственную информационную базу существующих номенклатур электронных компонентов со справочными данными геометрических, тепловых, физических и механических параметров. Для удобной работы пользователя АСОНИКА-ТМ содержит интерфейс с системой P-CAD, а также дополнительные модули для расчета следующих параметров:

- механические и комплексные характеристики устройства;

- тепловые характеристики блока;

- усталостные характеристики и анализ результатов;

- массы и мощности электронных компонентов.

Результаты расчета могут выводиться в виде таблиц и рисунков, что помогает наглядно представить общую картину анализа и быстро сформировать отчет. Так, например, при моделировании нестационарного теплового режима результаты представляются в виде графика зависимости температуры элемента от времени, а точные значения температур в каждый момент времени записываются в итоговую таблицу. Такой анализ позволяет вычислить время разогрева каждого отдельного элемента и всего печатного узла в целом.

Глава 3. Исследование тепловых процессов телекоммуникационного устройства

3.1 Объект исследования, его назначение и технические условия

Настоящая глава посвящена исследованию тепловых процессов приемно-вычислительного навигационного блока космической аппаратуры. Данный блок осуществляет определение навигационных параметров по сигналам ГЛОНАСС/GPS и их передачу в бортовую систему управления космического аппарата. Конструкция навигационного блока включает в себя негерметичный корпус (рис. 3.1) и печатный узел (рис. 3.2).

Рис. 3.1. Корпус блока.

Рис. 3.2. Схема печатного узла

Печатная плата устройства представляет собой многослойную конструкцию с чередованием слоев медного проводника и стеклотекстолитового изолятора. Модель платы представлена как параллелепипед с габаритными размерами 182х85х2,3 мм. Исследуемая печатная плата является ортотропной и имеет следующие теплофизические свойства:

- удельная теплоёмкость c_p=1386 Дж/кгК;

- плотность =1050 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности в плоскости платы - _x=_y=38,53 Вт/мК, перпендикулярно плоскости платы - _z=0,37 Вт/мК.

При расчете тепловых нагрузок было принято решение включить в анализ компоненты с наибольшим тепловыделением. Такой метод позволяет увидеть полную картину тепловых полей и сократить мощностные затраты вычислительного инструмента. Отбор компонентов проводится по двум основным критериям:

- мощность тепловыделения компонента должна превосходить P₀=0,05 Вт;

- мощность тепловыделения с участка печатной платы, где находится несколько компонентов, площадью S₀=1 см² должна превосходить P₀=0,05 Вт.

В результате отбора были выбраны микросхемы печатной платы, данные для теплового расчета которых приведены в таблице 3.1.

Устройство будет располагаться в специальном отсеке пилотируемого космического аппарата. При этом в ТЗ на разработку данного блока указаны следующие граничные условия:

- окружающая радиационная температура t=55 C;

- окружающая жидкостная среда отсутствует (конвективный теплообмен с окружающей средой отсутствует);

- кондуктивный сток тепла на корпус блока осуществляется по краю печатной платы по полезной площади S_конт=700 мм².

- атмосферное давление 760 мм. рт. ст.

Таблица 3.1Теплофизические, геометрические и данные тепловыделений электронных компонентов

Электронный компонент	Геометрические размеры	Теплофизические свойства	Данные тепловыделений
	Длина, мм	Ширина, мм	Высота, мм	Удельная теплоёмкость, Дж/кгК	Допустимая температура тепловыделяющего электронного компонента, С	Максимальное тепловыделение, мВт
DD1	10,8	10,8	1,2	775	85	294
DD2	10,8	10,8	1,2	775	85	294
DD3	18,62	18,62	2,23	775	85	378
DD4	20,5	12	8,1	775	85	132
DD5	16,82	10,71	2,4	775	85	104
DD6	16,82	10,71	2,4	775	85	104
DD7	3,13	3,13	1	775	85	100
DD8	3,86	3,86	1	775	85	195
DD9	3,65	2,92	1,75	775	125	72,8
DD10	3,65	2,92	1,75	775	125	72,8
DD11	3,65	2,92	1,75	775	125	72,8
DA1	4,24	3,52	1,75	775	125	107
DA2	4,24	3,52	1,75	775	125	163
DA4	3,64	2,84	1,7	775	125	55
DA5	3,64	2,84	1,7	775	125	225
DA7	5,3	5,3	1	775	85	270

3.2 Этапы теплового моделирования

Первым этапом моделирования является построение тепловых процессов блока с помощью автоматизированной системы АСОНИКА-Т. На данном этапе необходимо определить механизмы передачи тепла между элементами блока и окружающей средой. Конструкцией навигационного устройства предусмотрен контактный теплообмен, конвекция и излучение.

Результат построения модели тепловых процессов приведен на рис. 3.3. На рисунке представлен контактный теплообмен между всеми стенками корпуса, а также кондуктивный сток тепла с печатного узла на стенки корпуса. Волнистые линии соответствуют излучению тепла с поверхности стенок в окружающую среду, а пунктирные линии показывают конвекционный перенос тепла. Такая схема позволяет наглядно представить процессы теплопередачи между основными элементами блока и окружающей средой.

Рис. 3.3. Тепловые процессы блока при начальных условиях

С помощью программы АСОНИКА-Т были рассчитаны температуры в основных узлах блока, которые приведены в таблице 3.2. Полученные температуры будут использованы в задании тепловых граничных условий при моделировании печатной платы в подсистеме АСОНИКА-ТМ.

Таблица 3.2Температуры в узлах при начальных условиях

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Левая стенка	60.6
2	Верхняя стенка	60.3
3	Передняя стенка	60.6
4	Нижняя стенка	60.4
5	Задняя стенка	60.6
6	Правая стенка	60.6
7	Окружающая среда	55
8	Воздух внутри	60.4
9	Печатный узел	60.7

На втором этапе моделирования был проведен тепловой анализ с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ. На основе тепловых данных микросхем из технического задания и тепловых граничных условий в подсистеме АСОНИКА-ТМ была построена модель печатного узла. При задании граничных тепловых условий обмен тепла с воздухом реализуется через естественную конвекцию, а теплообмен стенок через контактный теплообмен. Результаты проведения анализа стационарных тепловых процессов узла представлены в виде 3D модели платы, с распределенными на ней температурными полями (рис. 3.4). Рабочие температуры элементов печатного узла отражены градацией цвета от наиболее холодного (фиолетового) до самого горячего (красного).

Рис. 3.4. Распределение температурных полей

Результаты расчета в АСОНИКА-ТМ позволяют выявить наиболее перегревающиеся элементы. Во вкладке «Режимы» интерфейса системы формируется таблица рабочих температур элементов печатного узла и рассчитывается коэффициент нагрузки. В таблице 3.3 представлены полученные в результате анализа значения температур и коэффициентов нагрузки исследуемых электронных компонентов.

Таблица 3.3Режимы работы электронных компонентов при заданных параметрах

№	Обозначение электронного компонента	Сторона	Температура	По НТД	Коэфф. нагрузки	Перегрев
1	DD8	1	82.55	85.00	0.97	Нет
2	DA7	1	81.71	85.00	0.96	Нет
3	DA5	2	112.09	125.00	0.90	Нет
4	DD1	1	71.80	85.00	0.84	Нет
5	DD2	1	71.43	85.00	0.84	Нет
6	DD3	1	69.94	85.00	0.82	Нет
7	DD6	1	60.26	85.00	0.71	Нет
8	DA2	2	85.55	125.00	0.68	Нет
9	DD5	1	56.68	85.00	0.67	Нет
10	DA1	2	82.00	125.00	0.66	Нет
11	DD4	1	55.37	85.00	0.65	Нет
12	A1	1	50.76	85.00	0.60	Нет
13	DD9	2	70.22	125.00	0.56	Нет
14	DD11	2	69.06	125.00	0.55	Нет
15	DA4	2	68.99	125.00	0.55	Нет
16	DD10	2	68.39	125.00	0.55	Нет
17	DD7	1	81.40	85.00	0.54	Нет

По данным таблицы 3.3 можно сделать вывод, что первые шесть микросхем печатной платы работают в нагруженном режиме, то есть их коэффициент нагрузки превышает требуемое значение 0,8. Для улучшения теплового режима работы устройства необходимо провести некоторую доработку конструкции и наладить систему охлаждения. Конструкцией блока уже предусмотрен теплоотвод с печатной платы на четыре боковые стенки корпуса, однако, как видно из полученных данных, такого охлаждения недостаточно. В ходе работы было рассмотрено несколько методов дополнительного охлаждения элементов и всего блока в целом, и выбран наиболее эффективный способ охлаждения, удовлетворяющий всем техническим требованиям.

3.3 Результаты улучшения теплового режима работы устройства

В этой главе будут рассмотрены основные этапы построения тепловой модели печатного узла навигационного блока с учетом дополнительной системы теплоотвода. Как было описано ранее, существует несколько методов отведения тепла от микросхемы. Исследуемый навигационный блок закрыт от внешней среды и менять его конструкцию не позволяет техническое задание. Таким образом, применение некоторых систем охлаждения как кулеры или водяное охлаждение не представляется возможным. В связи с этим, инженерная задача сводится к применению точечного охлаждения конкретных микросхем посредством использования тепловых паст или радиаторов. Аналогичным способом снижения температуры является охлаждение элементом Пельтье.

В процессе работы для охлаждения печатного узла навигационного блока были промоделированы несколько способов отвода тела. Опытным путем было принято решение использовать теплоотвод через стенку корпуса, как наиболее эффективного способа охлаждения. Используемые на первых этапах работы радиаторы и теплоотводящие пасты не обеспечили достаточного охлаждения системы.

Таким образом, для охлаждения навигационного приемно-вычислительного блока был выбран теплоотвод с верхней стенки корпуса. Предлагается использовать специальное посадочное место, соединенное с системой терморегулирования космического аппарата, поддерживающее постоянную температуру в 40 C (рис. 3.5). За счет контактного теплообмена между стенками корпуса и печатным узлом и конвекции воздуха внутри блока происходит эффективное охлаждение всей поверхности платы и микросхем.



Рис. 3.5. Тепловые процессы блока с теплоотводом

Сравнивая температурные значения в узлах блока до применения теплоотвода (таблица 3.3) и после (таблица 3.4), мы видим заметное снижение температур стенок корпуса и воздуха внутри, что говорит об эффективном охлаждении системы. Температура внутри блока снизилась почти на 20 °C по всему объему. Снижение температуры стенок и окружающего элементы воздуха позволит снизить их нагрев в процессе работы. Далее в этой главе будет описано моделирование тепловых процессов уже с учетом теплоотвода.

Таблица 3.4Температуры в узлах блока с теплоотводом

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Левая стенка	42.1
2	Верхняя стенка	40
3	Передняя стенка	42
4	Нижняя стенка	42.6
5	Задняя стенка	42
6	Правая стенка	42.1
7	Окружающая среда	55
8	Воздух внутри	41.6
9	Печатный узел	42.1

Вторым этапом теплового анализа является повторное моделирование печатного узла в системе АСОНИКА-ТМ. При повторном моделировании были скорректированы граничные тепловые условия в соответствии данными расчета температуры узлов блока с теплоотводом (таблица 3.4). Результат такого охлаждения наглядно отображается на 3D модели печатного узла (рис. 3.6). Из рисунка видно, что заметно уменьшились области синего цвета, соответствующие температуре около 50 °C. Микросхема DA5 работает на наиболее высокой температуре из всех элементов, однако температурный диапазон находится в рамках, данных техническим заданием.

Рис. 3.6. Распределение температурных полей охлажденной схемы

В результате снижения рабочих температур элементов снижается и их коэффициент нагрузки. В таблице 3.5 отражены значения коэффициентов для каждой микросхемы печатного узла. После обеспечения теплоотвода все элементы работают в допустимом диапазоне тепловой нагрузки, требуемом техническим заданием. В сводной таблице также указаны точные значения температуры нагрева каждой микросхемы в стационарном режиме, графически показанные на рисунке 3.6.

Таблица 3.5Режимы работы электронных компонентов с системой теплоотвода

№	Обозначение электронного компонента	Сторона	Температура	По НТД	Коэфф. нагрузки	Перегрев
1	DA5	2	100.10	125.00	0.80	Нет
2	DD8	1	67.46	85.00	0.79	Нет
3	DD7	1	67.39	85.00	0.79	Нет
4	DA7	1	67.01	85.00	0.79	Нет
5	DD1	1	57.17	85.00	0.67	Нет
6	DD2	1	56.52	85.00	0.66	Нет
7	DD3	1	54.61	85.00	0.64	Нет
8	DA2	2	74.20	125.00	0.59	Нет
9	DA1	2	72.13	125.00	0.58	Нет
10	DD6	1	47.31	85.00	0.56	Нет
11	DD5	1	47.29	85.00	0.56	Нет
12	DD4	1	46.07	85.00	0.54	Нет
13	DD9	2	59.43	125.00	0.48	Нет
14	A1	1	43.39	85.00	0.51	Нет
15	DA4	2	59.31	125.00	0.47	Нет
16	DD11	2	59.14	125.00	0.47	Нет
17	DD10	2	58.72	125.00	0.47	Нет

Таким образом, в процессе работы было промоделировано несколько тепловых режимов работы навигационного блока и выявлены некоторые недостатки системы. Таким недостатком явилась работа некоторых микросхем в нагруженном режиме, что представляет значительную угрозу стабильной работе устройства и повышает вероятность отказов. Поэтому был предложен способ отвода тепла, эффективность которого подтверждена успешными экспериментами.

3.4 Моделирование в нестационарном режиме

Моделирование нестационарных тепловых режимов работы устройства позволяет рассчитать время его нагрева до рабочей температуры. Таким образом, программа показывает на графике скорость нагрева каждого элемента. По результатам моделирования исследуемого навигационного блока в нестационарном режиме время полного нагрева составило 12,5 минут, что представлено на рис. 3.7.



Рис. 3.7. График изменения температуры электронных компонентов во времени

Нестационарный анализ также позволяет узнать, какие элементы нагреваются быстрее других, что помогает лучше понять общую тепловую картину устройства.

Таким образом, совместное применение подсистем продукта АСОНИКА позволяет проводить комплексный анализ всего устройства с углубленным изучением каждого класса тепловых или механических воздействий.

3.5 Анализ результатов моделирования

В ходе выполнения работы было проведено несколько раз моделирование тепловых процессов навигационного блока и печатного узла. Моделирование проводилось как в стационарном, так и в нестационарном режимах.

В начале исследовался стационарный режим работы. В результате моделирования печатного узла навигационного блока в программе АСОНИКА-ТМ с первоначальными условиями был проведен расчет коэффициентов нагрузки всех электронных компонентов схемы, принимающих участие в моделировании, и выявлены те из них, которые представляли опасность бесперебойной работе устройства. Так, микросхемы DD8, DA7, DA5, DD1, DD2 и DD3 работали в нагруженном режиме, то есть их коэффициент нагрузки превышал допустимое значение 0,8 и лежал в диапазоне от 0,82 до 0,97.

Для того, чтобы улучшить тепловой режим работы устройства было проведено несколько вариантов моделирования: с применением теплопроводящих паст, с установкой микросхем на радиаторы, тепловыми стоками, тепловыми шинами, с отводом тепла с верхней стенки блока. Однако все из них не дали существенных улучшений теплового режима, кроме последнего варианта. Данный вид теплоотвода показал свою эффективность. Коэффициенты нагрузки микросхем DD8, DA7, DA5, DD1, DD2 и DD3 снизились и стали составлять от 0,64 до 0,8. Таким образом, теплоотвод с верхней стенки блока через специальное посадочное место, соединенное с системой терморегулирования космического аппарата, поддерживающее постоянную температуру в 40 C, позволило эффективно охладить все компоненты платы и окружающий их воздух.

Моделирование печатного узла навигационного блока в нестационарном режиме показало, что время полного нагрева всех электронных компонентов составило 12,5 минут. Следовательно, можно сделать вывод, что это минимальное рекомендованное время разогрева устройства до выхода на стационарный режим.

Заключение

С развитием технического прогресса количество электронных устройств только увеличивается, и отрасль электроники является одной из самых актуальных на сегодняшний день. Также существует необходимость в точном и качественном проектировании электронной аппаратуры, особенно в космической и оборонной отрасли. При создании высоконадежного устройства важно провести тщательный анализ его конструкции и неоднократно протестировать. Для этого опытные инженеры используют специальные автоматизированные системы проектирования, позволяющие промоделировать работу устройства еще на ранних стадиях проектирования и внести необходимые изменения в конструкцию. Одной из таких систем является АСОНИКА.

Настоящая выпускная квалификационная работа посвящена изучению тепловых процессов, протекающих в навигационном блоке космической аппаратуры. В работе были описаны основы моделирования тепловых процессов устройства, основные методы отвода тепла от платы и перегревающихся элементов, функционал подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ, а также подробно описан процесс анализа тепловых полей печатного узла навигационного блока. В практической части работы представлены результаты моделирования разных вариантов охлаждения печатного узла блока и выбран наиболее эффективный метод. Коэффициенты нагрузки перегревающихся микросхем снизились, что обеспечило их надлежащую работу и работу всего блока в целом.

Результаты моделирования могут быть использованы при последующем проектировании блока или при создании другой сложной телекоммуникационной аппаратуры.

Список литературы

тепловой космический аппаратура телекоммуникационный

1. Кофанов Ю. Н. Автоматизированная система АСОНИКА в проектировании радиоэлектронных средств. Учебно-методическое пособие. - М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. - 58 с., ил. 46.

2. Абрамешин А. Е., Жаднов В. В., Полесский С. Н. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем. Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. - 564 с.

3. Ага О. Б., Дульнев Г. Н., Польшиков Б. В. Тепловое моделирование электротехнических устройств/Инж-физ. Журн. - 1981. - Т. 40. № 6. - С. 1062-1069.

4. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1980. - 311 с.

5. Жаднов В. В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. Учебное пособие. - Москва: Солон-Пресс, 2004. - 463 с.

6. Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю., Субботин С. А. Метод повышения надежности бортовой электронной аппаратуры через анализ резервов электрических, тепловых и механических нашрузок. МИЭМ НИУ ВШЭ. -2016.

7. Шалумов А. С., Тихомиров М. В., Шалумов М. А. Автоматизированная система обеспечения надежности и качества оборудования (АСОНИКА). -2012.

8. Кофанов Ю. Н. Обеспечение высокого качества и надежности инновационных бортовых радиоэлектронных средств. Научно-практический журнал «Качество. Инновации. Образование». - №12. - 2014.

Размещено на Allbest.ru

...