CC BY
223
1
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ С ПОМОЩЬЮ САПР 8ОЫБ1^КК8/СО8МО81^КК8 НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Д.А. Боголюбов, Н.С. Григорьева*, О.В. Елисеев, Н.В. Когай * (ОАО «Российский институт радионавигации и времени») Научный руководитель - к.т.н., доцент Н.С. Кармановский
В статье освещается проблема автоматизации тепловых расчетов на предприятии с помощью САПР. Приведены результаты исследования блоков на работоспособность по тепловым режимам, а также выработанные рекомендации по созданию трехмерных моделей.
Данная статья подготовлена в рамках проекта по внедрению САПР SolidWorks в Российском институте радионавигации и времени. Актуальность работы связана с практикой автоматизации различных расчетов, в том числе тепловых. До проведения настоящего проекта расчеты производились вручную, что требовало существенных затрат времени и не всегда гарантировало требуемую точность.
Был произведен анализ существующих САПР, на основании которого выявлено, что использованная система отличается большой функциональностью, а также позволяет исполнять чертежи в соответствии с ЕСКД (табл. 1).
CAD/CAE система Чертежи по ЕСКД Тепловой расчет Расчет механических напряжений Расчет на ударную нагрузку Автоматическая корректировка конструкции
SolidWorks + + + + +
AutoCAD + - - - -
MentorGraphics - + + + +
ANSYS - + + + +
Таблица 1. Функциональность САПР
После проведения анализа для автоматизации тепловых расчетов электронных блоков была выбрана САПР SolidWorks версии 2006 года. SolidWorks включает в себя конструкторскую и расчетную часть, а также вспомогательные программы.
Одной из важнейших составляющих САПР SolidWorks является программа инженерного анализа COSMOSWorks. Она предоставляет большое количество встроенных инструментов проектирования и расчета, в том числе: тепловой расчет; расчет на ударную нагрузку; расчет механических напряжений и деформаций; расчет собственных частот; автоматическая корректировка конструкции модели и другие расчеты.
Тепловые расчеты в COSMOSWorks основаны на методе конечных элементов. Используемый алгоритм фронтального исключения позволяет экономить оперативную память персонального компьютера и время расчета. Это реализовано за счет последовательного включения элементов в матрицу фронта [1].
Исследовавшиеся конструктивы являются типичными для данного предприятия и иллюстрируют различные виды теплоотвода. Все конструктивы относятся к бортовой аппаратуре, применяемой в глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС. При подготовке работы они были классифицированы по назначению и типу теплоотвода.
После анализа алгоритмов теплового расчета были выработаны требования к исходным данным.
1. Необходимо задать в качестве начальных условий начальную температуру элементов. Особенно это важно для базового крепежного элемента, через который осуществляется кондуктивный теплообмен. Необходим, кроме того, тщательный учет тепло-отводов, крайне важно учесть термостатируемые элементы.
2. Так как анализ тепловых режимов в COSMOSWorks 2006 и выше позволяет учитывать все виды теплообмена (конвективный, кондуктивный и излучение), необходимо определить наиболее значимые составляющие и в качестве исходных данных задавать только их с целью экономии затрат мощностей компьютера.
3. С большой осторожностью следует подходить к заданию коэффициентов теплопередачи, так как расчет контактных тепловых сопротивлений не всегда происходит корректно и требует существенных затрат памяти. При этом необходим учет тепловых контактов в некоторых принципиальных узлах.
4. Необходимо учитывать, что при измельчении конечно-элементной сетки значения некоторых параметров могут быть теоретически бесконечными вследствие особенностей внутренних алгоритмов программы COSMOSWorks. В расчете тепловых режимов это относится, прежде всего, к параметру «Тепловая мощность». При этом следует понимать, что от параметров конечно-элементной сетки зависит ход всего расчета в целом. Кроме того, чрезмерное уточнение исходных данных приводит к увеличению размерности задачи, вследствие чего программе может не хватить памяти, и расчет будет прекращен.
5. Конечно-элементная модель задачи теплопроводности предполагает, что в каждом узле присутствует только одна степень свободы - температура [2].
Были исследованы следующие конкструктивы.
1. Рубидиевый стандарт частоты (рис. 1) представляет собой несколько тепловыделяющих элементов, установленных на термостатируемой плите. Ввиду чрезмерной перегруженности деталями исходной трехмерной модели была создана тепловая модель. Результат дискретизации для тепловой модели стандарта частоты представлен на рис. 2. Построение сетки на такой модели прошла без затруднений.
Рис. 1. Трехмерная модель рубидиевого стандарта частоты
Тепловой расчет на такой трехмерной модели прошел без затруднений (рис. 3).
Стандарт частоты признан работоспособным по тепловым режимам. Погрешность методики расчета составила 1,8 %. Градиент температур, как видно из шкалы, не превысил 1,3 К. Предполагаемое время расчета данного блока вручную составило около 4 часов, расчет тепловых режимов с помощью САПР (включая построение тепловой модели) - 3 часа.
Рис. 2. Конечно-элементная модель рубидиевого стандарта частоты
Рис. 3. Результаты теплового расчета рубидиевого стандарта частоты
2. Дискриминатор стандарта частоты (рис. 4). Теплоотвод осуществляется через термостатируемую плиту. Особенность этой модели состоит в моделировании эффекта Пельтье, для которого нет специальной функции в программе. Элемент Пельтье был задан как многослойный элемент, причем для каждого слоя задавалась сверхмалая либо сверхбольшая теплопроводность. В целом исходная модель достаточно упрощена, она была использована и для расчета, тепловая модель не строилась.
Рис. 4. Трехмерная модель дискриминатора стандарта частоты
Тепловой расчет на такой модели прошел без затруднений, несмотря на определенные сложности при конечно-элементной дискретизации плиты со встроенным элементом Пельтье. Результаты расчета представлены на рис. 5.
Рис. 5. Результаты теплового расчета дискриминатора
Дискриминатор признан неработоспособным по тепловым режимам вследствие возникновения большого градиента температур. Отмечена высокая погрешность расчета. Очевидно, это связано с неудачным моделированием эффекта Пельтье. Для исследования таких элементов предлагается использовать узкоспециализированные программные пакеты.
При составлении протокола испытаний результат данного автоматизированного расчета не принимался во внимание.
3. Измерительный модуль. Трехмерная модель измерительного модуля представлена на рис. 7. Размещенный на плате термостабилизирующий элемент должен за требуемое время нагреть прочие элементы конструкции до рабочей температуры. В результате расчета было выяснено, что требуется изменить расположение тепловыделяющих элементов на плате для более равномерного распределения температуры. Измененная конструкция представлена на рис. 8. Было увеличено число нагревательных элементов одновременно с уменьшением тепловой мощности каждого из них в отдельности.
Рис. 6. Трехмерная модель измерительного модуля
Рис. 7. Трехмерная модель измерительного модуля в измененном конструктиве
Измерительный модуль в измененном конструктиве признан работоспособным по тепловым режимам. Градиент температур составил 6 К. Такие значения не превышают допустимых.
После анализа затраченного на расчеты времени были сделаны выводы о целесообразности автоматизации тепловых расчетов с помощью данной САПР. Эти выводы приведены в табл. 2.
. I ОУ*.К.|
Рис. 8. Результаты теплового расчета измерительного модуля
Параметр Стандарт частоты Дискриминатор Измерительный модуль
вручную САПР вручную САПР вручную САПР
Время расчета, час. 6 4 3 1,5 4 1,5
Трудоемкость, чел.-ч. 8 7 5 3 6 3
Таблица 2. Результаты автоматизации тепловых расчетов с помощью САПР SolidWorks
Видно, что автоматизация тепловых расчетов увеличивает экономическую эффективность процесса. Трудоемкость автоматизированного расчета в среднем на 35 % меньше, чем ранее применявшегося на предприятии расчета вручную.
На основании произведенного моделирования и расчетов были выработаны следующие рекомендации по созданию трехмерных моделей:
• исключить из модели элементы со сложной геометрией;
• упростить геометрию нагревательных элементов;
• каждый отдельный элемент создавать отдельным файлом;
• задавать все возможные параметры соединений между элементами.
Также сделан вывод о невозможности применения данной САПР при расчете элементов Пельтье. Рекомендовано использовать узкоспециализированные программы. Достигнутые результаты:
• проведена классификация конструктивов;
• проведено внедрение САПР на предприятии;
• проведен расчет тепловых режимов выбранных конструктивов;
• вынесены заключения о работоспособности блоков по тепловым режимам;
• на основании полученных результатов тепловых расчетов выработаны рекомендации по построению трехмерных моделей.
Литература
1. Алямовский А.А. «SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов». М.: ДМК Пресс, 2004. 432 с.
2. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов А.А., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб: БНУ, 2004. 306 с.
