CC BY
33
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАЗЛИЧНЫХ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОНСТРУКТИВОВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ СО8МО8^^КК8
Д.А. Боголюбов, Н.С. Кармановский
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 - + + + +
Табл. 1. Функциональность САПР
Рассматривалась САПР SolidWorks/COSMOSWorks версии 2006 года. SolidWorks включает в себя конструкторскую и расчетную часть, а также вспомогательные программы. Одной из важнейших составляющих является программа инженерного анализа COSMOSWorks. Она предоставляет большое количество встроенных инструментов проектирования и расчета.
Возможности COSMOSWorks:
1. тепловой расчет,
2. расчет на ударную нагрузку,
3. расчет механических напряжений и деформаций,
4. расчет собственных частот,
5. автоматическая корректировка конструкции модели и другие расчеты.
Тепловые расчеты в COSMOSWorks основаны на методе конечных элементов. Используемый алгоритм фронтального исключения позволяет экономить оперативную память 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 данной 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.
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, а в качестве исходных данных задавать только их с целью экономии затрат мощностей компьютера.
3. Необходим тщательный учет теплоотводов, крайне важно учесть термостати-руемые элементы.
4. С большой осторожностью следует подходить к заданию тепловых контактов, 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.
5. 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.
6. Конечно-элементная модель задачи теплопроводности предполагает, что в каждом узле присутствует только одна степень свободы - температура [2].
7. Чрезмерное уточнение исходных данных приводит к увеличению размерности задачи, вследствие чего программе может не хватить памяти, и расчет будет прекращен.
В работы исследовался ряд конструктивных решений.
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 блока Я^-514 представлен на рис. 2. Построение сетки на такой модели прошло без затруднений.
Рис. 1. Трехмерная модель рубидиевого стандарта частоты
Рис. 2. Конечно-элементная модель рубидиевого стандарта частоты
2. Дискриминатор стандарта частоты (рис. 3). Особенность этой модели состоит в моделировании эффекта Пельтье, для которого нет специальной функции в программе. Теплоотвод осуществляется также через термостатируемую плиту. Так как исходная модель достаточно проста, она была использована и для расчета.
Рис. 3. Трехмерная модель дискриминатора стандарта частоты
3. Трехмерная модель измерительного модуля представлена на рис. 4. 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. 5. Было увеличено число нагревательных элементов одновременно с уменьшением тепловой мощности каждого из них в отдельности.
Рис. 4. Трехмерная модель измерительного модуля
Рис. 5. Трехмерная модель измерительного модуля в измененном конструктиве
Результаты тепловых расчетов представлены в виде цветовых диаграмм на рис. 6-8. Стандарт частоты признан работоспособным по тепловым режимам. Погрешность методики расчета составила 1,8%. Градиент температур, как видно из шкалы, не превысил 1,3 К. Дискриминатор признан неработоспособным по тепловым режимам вследствие возникновения большого градиента температур. Отмечена высокая погрешность расчета. Измерительный модуль в измененном конструктиве признан работоспособным по тепловым режимам. Были произведены расчеты как стационарного состояния, так и переходного процесса.
Рис. 6. Результаты теплового расчета рубидиевого стандарта частоты
Temp (Celsius]
Рис. 7. Результаты теплового расчета дискриминатора
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.
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., 2004. 257 с.
2. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов А.А., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб, 2004. 306 с.
