Применение компьютерного моделирования для анализа тепловых режимов при проектировании инфокоммуникационных устройств
Особенности теплового моделирования при проектировании инфокоммуникационных устройств. Тепловые процессы в радиоэлектронной аппаратуре, моделирование тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке. Проектирование инфокоммуникационных устройств.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.12.2019 |
| Размер файла | 6,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова
Выпускная квалификационная работа
Применение компьютерного моделирования для анализа тепловых режимов при проектировании инфокоммуникационных устройств
по направлению 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
М.А. Чупринов
Москва, 2019 г.
Оглавление
- Введение
- Глава 1. Особенности теплового моделирования при проектировании инфокоммуникационных устройств
- 1.1 Описание особенностей проектирования инфокоммуникационных устройств
- 1.2 Тепловые процессы в радиоэлектронной аппаратуре
- Глава 2. Описание объекта исследования
- 2.1 Постановка задачи для теплового расчета приемно-вычислительного блока
- 2.2 Исходные данные для моделирования тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке
- Глава 3. Моделирование тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке
- 3.1 Моделирование тепловых процессов в подсистемах АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ
- 3.2 Анализ результатов моделирования
- Список литературы
Введение
Любое инфокоммуникационное устройство до момента создания рабочего прототипа проходит процесс моделирования. Это одна из важнейших задач, которая решается в современной инженерии. Моделирование позволяет решить сразу несколько критически важных задач при создании устройств:
· подбор необходимой элементной базы с учетом коэффициентов запаса,
· моделирование работы в условиях, которые невозможно создать в лаборатории,
· исправление критических недостатков до момента создания прототипа,
· подбор неограниченно большого количества вариантов создания данного устройства без затрат ресурсов.
Например, моделирование позволяет посмотреть, как поведет себя изделие в условия космоса, воссоздав условия окружающей среды при помощи компьютерной симуляции.
Помимо этого, современные технологии позволяют моделировать, например, поведение изделия во времени, что сделать иными методами просто невозможно.
В сфере моделирования очень развито использование компьютерных технологий, так как современное программное обеспечение позволяет сделать процесс моделирования более быстрым и простым. Одним из лидирующих продуктов для моделирования радиоэлектронных устройств и блоков является современный программный комплекс АСОНИКА. Данный продукт позволяет решать все задачи, которые возникают при создании современных электронных устройств за счет своей модульности (каждый модуль отвечает за моделирование особых процессов). Также одним из его преимуществ является наличие всех электронных компонентов, производимых на территории РФ.
Целью ВКР является проведение исследования тепловых процессов в блоке связи с помощью программного комплекса АСОНИКА. В ходе работы будут исследованы процессы теплопередач кондукции, конвекции и излучения. Моделирование позволит выявить возможные критические элементы с точки зрения тепловых воздействий, что позволит на предварительных стадиях проектирования изменить конструкцию блока для улучшения его тепловых характеристик. Это увеличит надёжность всего приемно-вычислительного блока.
Глава 1. Особенности теплового моделирования при проектировании инфокоммуникационных устройств
1.1 Описание особенностей проектирования инфокоммуникационных устройств
Инфокоммуникационные устройства в современном мире занимают огромный сегмент рынка, так как на текущий момент ни одну отрасль человеческой жизни уже невозможно полноценно развивать и поддерживать без данных технологий. Любое инфокоммуникационное устройство проходит цикл, который начинается от определения функций и технологических свойствбудущего устройства (составление технического задания) и заканчивается его утилизацией. В рамках данной работы рассмотрим только один элемент данного цикла -проектирование. Основная цель проектирования - понять какую элементную базу нужно будет использовать, чтобы создать объект, удовлетворяющий требованием задания. Данные требования устанавливают надежность будущего устройства, задают его конструктивные и эконмические показатели. Так как ошибка в проекте может привести к громадным потерям, данная задача требует особой ответственности и квалификации от инженера. Основными технологическими и конструктивными требованиями являются - ремонтопригодность, функционально-узловой принцип построения конструкции, наименьшее количество составных частей, упрощенный доступ ко всем элементам устройства, обеспечение требований безопасности, а также технологичность. Технологичность аппаратуры обуславливается правильностью выбора её конструкции. Конструкция аппаратуры считается более технологичной, если после её окончательной сборки требуется наименьшее количество доводочных процедур.
Конструкция радиоэлектронной аппаратуры должна состоять из как можно большего количества стандартных деталей, сборок, и, соответственно, обладать хорошими показателями унификации и стандартизации. Конструкция должна обладать хорошими показателями надежности, а также экономическими показателями.
- К хорошим экономическим показателям относятся: наименьшие трудовые, временные затраты, материальные затраты, которые связанные с процессом проектирования и, непосредственно, изготовления аппаратуры. Так же к хорошим экономическим показателям относят наименьшие эксплуатационные затраты, затраты, связанные с ремонтом и обслуживанием аппаратуры. инфокоммуникационное устройство радиоэлектронный
- Для большинства инфокоммуникационных устройств крайне важна их надежность. На текущий момент отказ инфокоммуникационных устройств критичен не только в случаях силовых структур или сфер жизнеобеспечения (медицина, реагирование на чрезвычайные ситуации и т.д.), но и во многих других сферах, так как любой отказ несет за собой материальные или иные потери. В связи с этим требования к надежности со временем только растут. Это еще одна причина по которой моделирование является одним из важнейших этапов в жизненном цикле любого устройства.
1.2 Тепловые процессы в радиоэлектронной аппаратуре
Одной из наиболее важных проблем при создании радиоэлектронных устройств является устранение проблем с перегревом электронных компонентов, так как это напрямую влияет на показатели надежности изделия. Большая часть потребляемой мощности в радиоэлектронике выделяется в виде тепловой энергии на элементах, поэтому важно особое внимание при моделировании блока уделить созданию тепловой карты изделия, на основании которого можно провести тепловой анализ и внести требуемые изменения в конструкцию если в этом будет необходимость.
Существует три основных способа рассеивания тепловой энергии, выделяемой в радиоэлектронной аппаратуре. Это теплопроводность (кондукция), конвективная передача и излучение. Бывают условия, в которых проектировщик ограничен только несколькими из них. Например, если в требованиях к устройству есть работа в условиях космического пространства, то допустимо использовать только два способа рассеивания тепла, так как конвективная теплопередача в условиях космического пространства отсутствует. Передача тепла осуществляется от кристалла электрорадиоэлементана корпус, а затем на печатные платы и далее на внутренние узлы конструкции и, непосредственно, на корпус аппаратуры.
Конвективная передача - это вид теплопередачи, который протекает в среде жидкостей или газов и который связан с перемешиванием объемов этих веществ.
Конвективная теплопередача может быть естественной или вынужденной. В аппаратуре, обладающей лишь естественной конвекцией, нет устройств, ускоряющих протекание потоков воздуха, и поэтому тепло передается в окружающее пространство, непосредственно, через корпус аппаратуры. Однако, не всегда естественной конвекции достаточно для отведения скапливающейся тепловой энергии внутри аппаратуры. И в этом случае необходимо добавлять к аппаратуре различные механизмы, ускоряющие протекание воздуха через устройство, используя, таким образом, вынужденную конвекцию. Коэффициент конвективной передачи тепла в этом случае увеличивается на порядок. Однако, использование механизмов, ускоряющих протекание воздушных масс, не всегда эффективно, например, если плотности воздуха мала. В этих случаях есть возможность использовать конвективную передачу за счет жидкостей, что даже более эффективно, нежели газы.
Но есть большой минус использования механизмов, обеспечивающих вынужденную конвекцию, связанный с увеличением габаритных размеров и массы аппаратуры.
Конечно, есть возможность увеличить эффективность теплопередачи за счет конвекции с помощью увеличения поверхностей, которые омываются воздухом, но это снова влечет за собой увеличение габаритных размеров и массы, что не соответствует задачам миниатюризации. Вот почему отведение тепла с помощью конвекции в радиоэлектронной аппаратуре имеет свои ограничения.
Отведение тепла за счет лучистой энергии тел представляет собой электромагнитные волны, возникающие в веществах при накоплении ими внутренней тепловой энергии. Распространение электромагнитных волн веществом происходит одинаково во всех направлениях окружающего пространства.
Таким образом, главными особенностями протекания тепловых процессов в радиоэлектронной аппаратуре являются:
· в радиоэлектронной аппаратуре имеется большая удельная мощность выделения из-за стремления к миниатюризации;
· также в связи с плотной внутренней компоновкой и незначительных внутренних объемах воздуха важнейшим способом теплопередачи в радиоэлектронной аппаратуре является кондуктивная теплопередача, а не излучение или конвекция;
· самыми чувствительными к тепловым перегрузкам элементами конструкции радиоэлектронной аппаратуры являются бескорпусныеэлектрорадиоизделия;
· теплопередача в радиоэлектронной аппаратуре осуществляется, главным образом, за счет теплопроводности металлических конструктивных частей, выполненных, как правило, из алюминиевых и медных сплавов, потому что они имеют наилучшие коэффициенты теплопроводности в отличие от других материалов, поэтому источники выделения тепла главным образом располагают в непосредственной близости с корпусом блока или какими-либо другими металлическими элементами конструкции.
1.3 Моделирование тепловых процессов с использованием автоматизированных систем проектирования
На сегодняшний день существует несколько способов, позволяющих провести тепловое моделирование печатных узлов. Самым распространенным является метод электротепловой аналогии. Суть данного метода заключается в использовании методов электрического моделирования для проведения теплового моделирования, меняя величины в дифференциальных уравнениях на аналогичные. Это возможно сделать благодаря одинаковому математическому описанию данных величин. Аналогичные величины представлены в таблице 1.
|
Тепловое поле |
Электрическое поле |
|
|
Температура, потенциал переноса теплоты, t, °С |
Напряжение, электрический потенциал U, В или ед. потенциала |
|
|
Количество теплоты, Q, Дж |
Количество электричества, Кул или ед. колич. эл. |
|
|
Теплопроводность материала, , |
Электрическая проводимость 1/с, или ед. колич. , где с - удельное электрическое сопротивление, Ом*м |
|
Термическое сопротивление однородного ограждения площадью А, м2, и толщиной ?т, м,, °С/Вт |
Электрическое сопротивление проводника сечением S, м2, и длиной ?э, м, , Ом, или |
|
|
Тепловой поток, , Дж/с = Вт |
Сила электрического тока , А, или |
Таблица 1.
Аналогичные величины для метода электротеплового моделирования
В первую очередь удобство данного метода состоит в том, что для проведения электрического моделирования существует довольно большое количество автоматизированных систем проектирования, в то время, когда выбор подобного программного обеспечения для проведения тепловых расчётов крайне ограничен.
Одно из существующих решений для проведения данных расчетов, не используя программное обеспечение для электрического моделирования -автоматизированная система моделирования тепловых процессов в телекоммуникационных блоках АСОНИКА-Т.
К основным возможностям данной системы можно отнести следующее:
· расчет средних температур печатных узлов, блоков, содержащих в конструкции печатные платы, а также расчет температуры воздуха внутри корпуса;
· создание рекомендаций по изменению в конструкции устройства для изменения теплового режима работы устройства и уменьшению коэффициента нагрузки на отдельные элементы;
· подбор из нескольких наиболее энергоэффективных вариантов конструкций путем оперативного сравнения тепловых карт;
· количественная оценка эффективности систем охлаждения устройства;
С помощью данной системы можно проводить анализ конечно-разностных и конечно-элементных моделей ПУ.
Формы плат могут быть самыми разнообразными, круглые, прямоугольные и др. После осуществления моделирования можно сформировать автоматический отчет.
Результаты анализа ПУ могут быть представлены в виде:
· АЧХ или АВХ в зависимости от вида механического воздействия на точки и узлы конструкции, а также отдельные электрорадиоизделия (ЭРИ);
· зависимостей температур от времени в контрольных точках конструкции, а также на отдельных ЭРИ при нестационарном тепловом режиме;
· полей механических (прогибов, перемещений, ускорений, напряжений);
· тепловых (температуры) характеристик при заданном значении времени или частоты;
· деформации конструкции печатного узла;
· карт механических и тепловых режимов ЭРИ с указанием коэффициентов нагрузки и перегрузок по ускорениям и температурам ЭРИ, если таковые имеются, на основе которых может быть принято проектное решение.
Автоматически считываются координаты расположения всех ЭРИ на плате и геометрия самого печатного узла.
Подсистема АСОНИКА-Т позволяет проводить как динамические, так и стационарные расчёты. Также данная подсистема обладает уникальной особенностью учета внешних факторов, влияющих на тепловой режим работы устройства, таких как атмосферное давление, влажность воздуха, воздействие внешних источников тепла. Несомненным преимуществом подсистемы АСОНИКА-Т является наличие базы элементов со всеми характеристиками, соответствующие характеристикам в справочниках ЭРИ. Результатами расчётов в подсистеме АСОНИКА-Т является таблица средних температур блоков, печатных плат, стенок корпуса устройства и воздушных масс внутри устройства.
Следующим этапом теплового моделирования является передача средних температур в подсистему АСОНИКА-ТМ. Данная подсистема на основании средних температур соседних плат и стенок корпуса, температуры воздуха внутри блока, а также модели расположения элементов на плате и их характеристик, смоделирует визуальную тепловую карту печатной платы, и укажет температуры на элементах. В дальнейшем именно результаты моделирования в подсистеме АСОНИКА-ТМ помогут сделать выводы о тепловом режиме устройства, выделить наиболее критические элементы и принять решение о внесении изменений в конструкцию. Пример таблицы с результатами приведен в таблице 2.
Таблица 2.
Демонстрация результатов моделирования печатной платы в подсистеме АСОНИКА-ТМ
Глава 2. Описание объекта исследования
2.1 Постановка задачи для теплового расчета приемно-вычислительного блока
В рамках данной ВКР был проведен тепловой анализ приемно-вычислительного блока, который является составной частью летательного аппарата.
Внутренняя часть приемно-вычислительного блока состоит из четырех печатных плат, которые располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (один вертикально и три горизонтально). Печатные узлы было принято изготавливать из фольгированного стеклотекстолитаFR4 с толщинами от 1,5 до 2 мм. Печатные платы жестко закреплены к корпусу изделия, используя резьбовые соединения.
Внешний вид блока показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Внешний вид блока
Как видно из рисунка 1 блок представляет из себя цельнометаллический кожух, закрывающий четыре стороны изделия, его ответную часть (сам корпус), закрывающий две оставшиеся стороны изделия. Внутри корпуса располагаются четыре печатные платы, соединенные с корпусом. Данный вариант исполнения предполагает в первую очередь отвод тепла через естественную конвекцию.
Для первого варианта устройства был произведен расчёт тепловых режимов с использованием стандарта РД 107.460084.092-89 «Системы обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры». При моделировании принудительного охлаждения не использовалось.
Условия, при которых эксплуатируется данный приемно-вычислительный блок:
- температура окружающей среды: от -50оС до +50оС;
- пониженное атмосферное давление до 5 ммрт.ст. (670 Па);
- относительная влажность при +35оС равна 98 %.
По функциональному назначению приемно-вычислительный блок должен гарантировать определение навигационных параметров объекта при использовании сигналов GPS и ГЛОНАСС.
Детали и сборки, составляющие приемно-вычислительный блок должны иметь хорошую взаимозаменяемость без какой-либо дополнительной настройки и регулировки связанными с:
· электрическими параметрами блока;
· габаритными и присоединительными размерами блока.
В процессе проектирования и изготовления приемно-вычислительного блока должны использоваться покупные изделия, материалы и сырье повышенной надежности, произведенные в Российской Федерации.
В отдельных случаях при наличии обоснования возможно использование покупных изделий, материалов и сырья зарубежного производства.
Чтобы улучшить коэффициенты стандартизации и унификации блока необходимо использовать наиболее распространенные элементы. Это способствует снижению стоимости каждого элемента, а также всего устройства при массовом производстве, а также улучшению ремонтопригодности изделия.
2.2 Исходные данные для моделирования тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке
Приемно-вычислительный блок состоит из четырех печатных плат с различными радиоэлементами. Прежде чем инженер сможет приступить к моделированию непосредственно тепловых процессов в автоматизированной подсистеме АСОНИКА-ТМ, необходимо получить исходные данные, которые в дальнейшем будут использоваться системой для расчётов. Данными параметрами являются: геометрические размеры самих плат и компонентов, расположенных на них; мощности, выделяемые непосредственно на элементах. Геометрические размеры элементов берутся из справочников ЭРИ, геометрические размеры печатных плат берутся непосредственно из технического задания, мощности, выделяемые на электрорадиоизделиях были получены в процессе моделирования электрической принципиальной схемы. Данные параметры являются исходными данными для моделирования в подсистеме АСОНИКА-Т.
В ходе работы с подсистемой АСОНИКА-Т элемент обозначается узлом. Элементы, на которые он влияет путем теплопередачи (соседние элементы), также обозначаются узлами и соединяются между собой различными типами линий, которые символизируют различные типы теплопередачи.Результатом моделирования в данной подсистеме является температура узлов и воздуха внутри блока.
Глава 3. Моделирование тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке
3.1 Моделирование тепловых процессов в подсистемах АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ
Для проведения теплового моделирования данного блока в рамках данной работы допустимо идеализировать некоторые параметры и процессы в блоке:
· каждая стенка корпуса блока изотермична;
· каждый печатный узел изотермичен;
· переносом тепла от печатных узлов к корпусу путем кондукции через элементы крепления допустимо пренебречь;
· переносом тепла от боковых стенок печатных узлов в следствии их сравнительно малой площади поверхности допустимо пренебречь
Для моделирования в подсистеме АСОНИКА-Т блок представляется в виде модели из 11 узлов (12 узел - внешняя среда). В таблице 3проведено сопоставления порядкового номера узла и его расшифровка.
Таблица 3.
Узлы объекта исследования
|
№ узла |
Изотермичная деталь конструкции исследуемого блока |
№ узла |
Изотермичная деталь конструкции исследуемого блока |
|
|
1 |
Левая стенка корпуса |
7 |
Внешняя среда |
|
|
2 |
Задняя стенка корпуса |
8 |
ПУ обработки |
|
|
3 |
Верхняя стенка корпуса |
9 |
ПУ приема |
|
|
4 |
Правая стенка корпуса |
10 |
ПУ питания |
|
|
5 |
Основание |
11 |
ПУ генерации |
|
|
6 |
Лицевая панель |
12 |
Воздух внутри |
Следующим шагом для проведения успешного моделирования является описание тепловых процессов, связывающих зависимые узлы. Стенки между собой взаимодействуют с помощью ветви №2 (кондукция). Номера типов теплообмена указаны в таблице 4. Таким образом, создаются следующие ветви: 1-2, 1-3, 1-5, 1-6, 2-1, 2-3, 2-4, 2-5,2-3, 3-4, 3-6, 4-2, 4-3,4-5, 4-6. На рисунке 2 слева представлена модель этого теплового процесса. Модель представлена на рисунке 2.
Таблица 4.
Ветви тепловой модели
|
Номер узла |
Номер узла |
Номер типа ветви |
Назначение ветви |
|
|
1 |
2 |
2 |
Контактный теплообмен между левой и задней стенкой |
|
|
1 |
3 |
2 |
Контактный теплообмен между левой и верхней стенкой |
|
|
1 |
5 |
2 |
Контактный теплообмен между левой стенкой и основанием |
|
|
1 |
6 |
2 |
Контактный теплообмен между левой стенкой и лицевой панелью |
|
|
2 |
1 |
2 |
Контактный теплообмен между задней и левой стенкой |
|
|
2 |
3 |
2 |
Контактный теплообмен между задней и верхней стенкой |
|
|
2 |
4 |
2 |
Контактный теплообмен между задней и нижней стенкой |
|
|
2 |
5 |
2 |
Контактный теплообмен между задней стенкой и основанием |
|
|
3 |
4 |
2 |
Контактный теплообмен между верхней и правой стенкой |
|
|
3 |
6 |
2 |
Контактный теплообмен между верхней стенкой и лицевой панелью |
|
|
4 |
2 |
2 |
Контактный теплообмен между правой и задней стенкой |
|
|
4 |
3 |
2 |
Контактный теплообмен между правой и верхней стенкой |
|
|
4 |
5 |
2 |
Контактный теплообмен между правой стенкой и основанием |
|
|
4 |
6 |
2 |
Контактный теплообмен между правой стенкой и лицевой панелью |
Рисунок 2. Построение модели в подсистеме АСОНИКА-Т
При проведении моделирования в подсистеме АСОНИКА-Т были получены следующие средние температуры узлов, показанные на рисунке 3.
Рисунок 3. Температуры узлов, полученные при моделировании
На основании этих результатов был сделан вывод, что устройству понадобится дополнительное охлаждение. Наиболее нагретым узлом получился узел №10 (ПУ Питания) - 93°С. Учитывая, что для большинства компонентов по техническому заданию нужно было обеспечить температуру не более 80°С, необходимо было спроектировать дополнительное охлаждение устройства. Дополнительные радиаторы на элементах, а также вентиляторы не удовлетворяют условиям задания ввиду отсутствия свободного места внутри корпуса устройства. Системы жидкостного охлаждения также не удовлетворяют требованиям надежности устройства, кроме того, они существенно усложняют конструкцию, а также требуют периодического обслуживания, что не лучшим образом сказывается на эксплуатационных характеристиках устройства. Было принято решение установить основание корпуса блока на посадочное место с постоянной температурой (40°С) и провести моделирование двух этих вариантов в подсистеме АСОНИКА-ТМ, для того, чтобы убедится в оптимальности принятого решения. Результаты моделирования в подсистеме АСОНИКА-Т с источником постоянной температуры, подключенным в узел 5, приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Температуры узлов, полученные при моделировании с добавлением посадочного места с фиксированной температурой
После того, как было проведено моделирование в подсистеме АСОНИКА-Т, необходимо было провести моделирование тепловых режимов и температур на конкретных элементах в подсистеме АСОНИКА-ТМ. Для успешного выполнения данной задачи необходимо создать модель печатной платы, указать ее габариты и материалы, далее расставить радиоэлементы из встроенного справочника и задать внешние условия. После этого мы получаем визуализацию теплового поля, таблицу с температурой для каждого элемента, а также коэффициент запаса для каждого элемента. По данным результатам становится понятно, удовлетворяет ли данное изделие техническому заданию и можно ли создавать реальный прототип, либо конструкция нуждается в доработке.
На рисунке 5 изображены результаты моделирования теплового поля узла питания. Основным элементом данного узла является трансформатор, который в первой версии изделия нагревался до 100°С. Далее было проведено моделирование с иными внешними условиями (после добавления основания с постоянной температурой t=40°С), и температура данного элемента (см. рисунок 6) снизилась на 12% (до 88°С), что доказывает эффективность выбранной системы охлаждения.Далее процедура моделирования была проведена также для узла обработки (тепловое поле изображено на рисунках 7,9, таблицы с результатами на рисунках 8,10), для узла генерации(тепловое поле изображено на рисунках 11,13, таблицы с результатами на рисунках 12,14) и для узла приема (тепловое поле изображено на рисунках 15,17, таблицы с результатами на рисунках 16,18.) Более подробно эти результаты описаны в разделе 3.2 «Анализ результатов моделирования».
Рисунок 5. Тепловое поле ПУ питания в подсистеме АСОНИКА-ТМ до внесения изменений в конструкцию t=100°С
Рисунок 6. Тепловое полеПУ питания в подсистеме АСОНИКА-ТМ после внесения изменений в конструкцию t=88°С
Рисунок 7. Тепловое полеПУ обработки в подсистеме АСОНИКА-ТМ до внесения изменений в конструкцию
Рисунок 8. Температуры элементов ПУ обработки до внесений изменений в конструкцию
Рисунок 9. Тепловое полеПУ обработки в подсистеме АСОНИКА-ТМ после внесения изменений в конструкцию
Рисунок 10. Температуры элементов ПУ обработки после внесений изменений в конструкцию
Рисунок 11. Тепловое полеПУ генерации в подсистеме АСОНИКА-ТМ до внесения изменений в конструкцию
Рисунок 12. Температуры элементов ПУ генерации до внесений изменений в конструкцию
Рисунок 13. Тепловое полеПУ генерации в подсистеме АСОНИКА-ТМ после внесения изменений в конструкцию
Рисунок 14. Температуры элементов ПУ генерации после внесений изменений в конструкцию
Рисунок 15. Тепловое полеПУ приема в подсистеме АСОНИКА-ТМ до внесения изменений в конструкцию
Рисунок 16. Температуры элементов ПУ приема до внесения изменений в конструкцию
Рисунок 17. Тепловое полеПУ приема в подсистеме АСОНИКА-ТМ после внесения изменений в конструкцию
Рисунок 18. Температуры элементов ПУ приема после внесения изменений в конструкцию
3.2 Анализ результатов моделирования
Как видно из результатов моделирования, добавление посадочного места к основанию с постоянной температурой существенно снижает температуру как внутри блока, так и на отдельных элементах устройства. Результаты моделирования для всех печатных плат полностью подтверждают необходимость данного изменения конструкции.
Наиболее существенные изменения температурных режимов можно заметить на печатном узле питания (снижение температуры трансформатора со 100°С до 88°С, средняя температура платы была снижена с 93°С до 65.6°С), а также на печатном узле обработки. Печатный узел обработки для моделирования в подсистеме АСОНИКА-ТМ содержит 8 элементов. Сравнение температур данных элементов до и после внесения изменений приведено в таблице 5.
Таблица 5.
Сравнительная таблица для элементов ПУ обработки
|
№ п.п |
Обозначение |
t по НТД |
t1 |
t2 |
kнагр1 |
kнагр2 |
|
|
1 |
DA4 |
80.00°С |
90.73°С |
65.09°С |
1.13 |
0.81 |
|
|
2 |
DD1 |
85.00°С |
87.53°С |
68.36°С |
1.03 |
0.80 |
|
|
3 |
DA1 |
85.00°С |
86.08°С |
67.45°С |
1.01 |
0.79 |
|
|
4 |
DA6 |
85.00°С |
85.52°С |
66.99°С |
1.01 |
0.79 |
|
|
5 |
DA7 |
85.00°С |
85.40°С |
66.47°С |
1.00 |
0.78 |
|
|
6 |
DA10 |
85.00°С |
84.79°С |
66.09°С |
1.00 |
0.78 |
|
|
7 |
DA3 |
85.00°С |
84.50°С |
64.74°С |
0.99 |
0.76 |
|
|
8 |
DA2 |
85.00°С |
81.19°С |
63.61°С |
0.96 |
0.75 |
По данной таблице можно сделать вывод о том, что средняя величина коэффициента запаса увеличилась на 23%, что является очень хорошим показателем для данной системы охлаждения.
Печатный узел приема также существенно снизил свои показатели как средней температуры (с 86,2°С до 65,6°С), так и на каждом отдельном электрорадиоизделии.
Сравнение результатов моделирования приведено в таблице 6.
Таблица 6.
Сравнительная таблица для элементов ПУ приема
|
№ п.п |
Обозначение |
t по НТД |
t1 |
t2 |
kнагр1 |
kнагр2 |
|
|
1 |
DA7 |
85.00°С |
76.25°С |
66.26°С |
0.90 |
0.78 |
|
|
2 |
DA1 |
85.00°С |
76.24°С |
65.54°С |
0.90 |
0.77 |
|
|
3 |
DD1 |
85.00°С |
75.68°С |
65.32°С |
0.89 |
0.77 |
|
|
4 |
DA6 |
85.00°С |
74.54°С |
65.01°С |
0.88 |
0.76 |
|
|
5 |
DD2 |
125.00°С |
72.31°С |
63.52°С |
0.58 |
0.51 |
Все вышеприведенные сравнения доказывают, что для данного узла система охлаждения путем добавления основания с постоянной температурой является наиболее подходящей ввиду своей эффективности, малых габаритных размеров и простоты обслуживания. С данными показателями устройство можно передавать в дальнейшую разработку, где будет создан реальный прототип.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы был проведен тепловой анализ приемно-вычислительного блока в подсистемах АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ. Результатами моделирования являются значения температур на всех печатных узлах данного объекта. На некоторых элементах было выявлено превышение допустимой температуры на 25-30%, что потребовало разработки иной системы охлаждения. Данная проблема была решена при помощи добавления посадочного места к основанию с постоянной температурой. Было проведено повторное моделирование с учетом внесенных конструктивных изменений, в результате чего температура в узле питания упала на 27,4°С и составила 65,6°С. Для печатного узла приема температура была снижена на 20,6°С и составила также 65°С. Данные результаты позволяют считать предложенную систему охлаждения пригодной к эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гелль П.П., Ивaнов-Еcипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1972.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчёта теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990.
3. Кофанов Ю.Н. Автоматизированная система АСОНИКА в проектировании радиоэлектронных средств. М: МИЭМ НИУ ВШЭ,2012.
4. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: «Стандартинформ», 2016.
5. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением / подред. А.Г. Блоха. М.: Энергия, 1971.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Моделирование тепловых и механических процессов, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, их влияние на обеспечение аппаратурой штатных функций. Расчет показателей надежности приемно-вычислительного блока, анализ его конструктивных особенностей.
дипломная работа [5,5 M], добавлен 30.09.2016Обзор особенностей обеспечения тепловых режимов в конструкциях ЭВС. Моделирование тепловых режимов. Выбор структурного построения системы и формулирование требований к ее структурным компонентам. Анализ взаимодействия технических и программных средств.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 29.06.2010Программные средств для проектирования радиотехнических устройств. Основные технические возможности программы Microsoft Word. Сравнительные характеристики программ для математических расчётов. Программы моделирования процессов в радиоэлектронных схемах.
контрольная работа [1,0 M], добавлен 27.01.2010Основные методы проектирования и разработки электронных устройств. Расчет их статических и динамических параметров. Практическое применение пакета схемотехнического моделирования MicroCap 8 для моделирования усилителя в частотной и временной областях.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 23.07.2013Особенности блока вычислителя оптического координатора. Алгоритм моделирования и расчета в системе Solid Works. Анализ и расчет тепловых характеристик. Классификация систем охлаждения. Моделирование тепловых процессов в программной среде Solid Works.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 21.09.2016Понятие каналообразующих устройств как комплекса технических средств для передачи (передатчик) и приема (приемник) сообщений. Методика расчета и проектирования передающих и принимающих устройств. Особенности моделирования отдельных узлов на компьютере.
курсовая работа [572,7 K], добавлен 23.01.2014Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014Понятие и характеристика базовых аналоговых вычислительных устройств. Разработка в среде Multisim схемы сумматора, интегратора, дифференциатора, а также схемы для моделирования абсорбционных процессов в конденсаторах. Построение графиков их испытаний.
реферат [178,7 K], добавлен 11.01.2012Анализ особенностей корпусов интегральных микросхем как объекта для исследования механических и тепловых процессов. Оценка программного обеспечения для моделирования механических и тепловых процессов. Правила оформления конструкторской документации.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 10.02.2017Проектирование устройств фильтрации по рабочим параметрам. Виды аппроксимации частотных характеристик. Моделирование разрабатываемого фильтра на функциональном уровне в MathCAD, в частотной и временной областях, в нормированном и денормированном виде.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 28.06.2011Структура и направления деятельности компании ООО "Главный калибр". Изучение основных узлов и устройств вычислительной техники. Конструкторско-технологическое обеспечение производства приспособления. Выполнение работ по проектированию цифровых устройств.
отчет по практике [23,7 K], добавлен 17.04.2014Типы устройств СВЧ в схемах распределительных трактов антенных решеток. Проектирование устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Работа с программой "Модель-С" для автоматизированного и параметрического видов синтеза многоэлементных устройств СВЧ.
контрольная работа [337,5 K], добавлен 15.10.2011Автоматическое проектирование радиоэлектронных устройств на примере работы с системой MicroCap. Моделирование микросхемы К531КП2 и получение результатов в виде временных диаграмм. Описание разработки, создания и отладки рабочей модели микросхемы.
курсовая работа [382,4 K], добавлен 15.10.2014Анализ схем построения различных типов радиоприемных устройств, сравнение их качественных показателей и выбор методики. Определение чувствительности и влияющие факторы. Обработка смеси полезного радиосигнала и помех, последовательность процессов.
курсовая работа [111,6 K], добавлен 15.12.2009Классификация устройств, оперирующих с двоичной (дискретной) информацией: комбинационные и последовательностные. Отсутствие памяти и цепей обратной связи с выхода на вход у комбинационных устройств. Сумматоры, шифраторы и дешифраторы (декодеры).
лабораторная работа [942,0 K], добавлен 06.07.2009Определение количественных и качественных характеристик надежности устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Анализ вероятности безотказной работы устройств, частоты и интенсивности отказов. Расчет надежности электронных устройств.
курсовая работа [625,0 K], добавлен 16.02.2013Двоичные логические операции с цифровыми сигналами. Преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. Применение шифратора. Изучение результатов исследований работы логических устройств с помощью программы схемотехнического моделирования.
дипломная работа [868,1 K], добавлен 11.01.2015Краткая характеристика судовой электроэнергетической системы. Выбор устройств стабилизации параметров напряжения и частоты синхронного генератора. Подбор устройств автоматизации управления параллельной работой генераторов и автоматической защиты.
курсовая работа [5,3 M], добавлен 04.05.2014Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений с подвижного объекта по радиоканалу на пункт сбора информации. Расчет параметров преобразования сообщений и функциональных устройств. Частотный план системы и протоколы ее работы.
курсовая работа [242,1 K], добавлен 07.07.2009Изучение различных типов устройств СВЧ, используемых в схемах распределительных трактов антенных решеток. Практические расчеты элементов автоматизированного проектирования устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Конструирование баз и устройств СВЧ.
контрольная работа [120,9 K], добавлен 17.10.2011
