CC BY
178
УДК 621.329
КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОЦЕССЕ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
О.Ю. Макаров, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина, В.А. Шуваев
Рассматривается комплексный подход к процессу анализа и оптимизации характеристик конструкций радиоэлектронных средств, охватывающий такие виды характеристик, как тепловые, механические, электромагнитной совместимости, надежность. Предлагается структура решаемых задач моделирования и оптимизации, соответствующих моделей и методик, необходимых для реализации этого подхода
Ключевые слова: радиоэлектронные средства, конструкторское проектирование, комплексное моделирование, оптимизация
При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС) необходимым является анализ характеристик конструкций различной физической природы, а также возможность их оптимизации. При этом на современном этапе актуальным является комплексный подход к процессу такого моделирования, основанный на применении современных систем и средств автоматизированного проектирования. Комплексное моделирование характеристик конструкций должно включать в себя анализ их основных типов: тепловые характеристики, механические характеристики, характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС), надежность [1-5].
Большая часть перечисленных характеристик относится или может быть представлена в качестве типовых, и соответственно может быть исследована с применением специализированных программных средств моделирования, которые входят в состав крупных CAD/CAM/CAE комплексов, в том числе таких как Creo Parametric (ранее Pro/Engineer) и An-sys (www.ansys.ru, www.ptc.ru) [6, 7]. Эти комплексы позволяют обеспечить интеграцию в единую среду проектирования и подготовки производства.
Проведенные исследования и практика использования современных средств моделирования основных типов характеристик конструкций РЭС [8-15] позволяют сделать вывод, что для получения максимального эффекта от применения подобных систем и наиболее полного использования их возможностей при проектировании РЭС необходимо создание методик, которые должны в комплексе охватывать основные типы задач и все этапы их решения.
По результатам исследований и анализа современных подходов, методов и средств автоматизации
Макаров Олег Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-77-06, e-mail: [email protected] Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(906)677-51-29, e-mail: [email protected] Ципина Наталья Викторовна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 243-77-06, e-mail: [email protected] Шуваев Владимир Андреевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 243-77-06, e-mail: [email protected]
проектирования предлагается следующая структура процесса комплексного моделирования характеристик конструкций РЭС (рис. 1). Особенностью применения этих средств является возможность комплексного моделирования характеристик, относящихся к различной природе (например, термомеханической). При применении такого смешанного моделирования учитывается взаимосвязь и взаимовлияние разных физических процессов в конструкциях РЭС, а также, что особенно важно, их совместное влияние на надежность. Поэтому целесообразно в этой структуре рассматривать и задачи моделирования показателей надежности.
В процессе такого комплексного моделирования определяются параметры различных физических полей (температурных, механических, электромагнитных, электрических и магнитных), формирующих разные характеристики, что позволяет в дальнейшем приступить к решению задач оптимизации конструкции РЭС по соответствующим критериям. Указанные программные комплексы имеют встроенные возможности оптимизации параметров РЭС, однако для более полного использования их возможностей, как показывает опыт, часто необходима разработка и интеграция дополнительного математического и специализированного программного обеспечения. При использовании рассматриваемого комплексного подхода к моделированию различных параметров РЭС предлагается структурная схема процесса их оптимизации, которая представлена на рис.2.
Для получения максимально точных и адекватных результатов моделирования, а соответственно и наиболее оптимальных образцов конструкций РЭС, требуется проводить анализ физических процессов в объеме, что требует представление конструкций проектируемых РЭС в виде 3D-моделей. Современные CAD/CAM/CAE системы, такие, например, как Creo Parametric обеспечивают эту возможность.
Для ускорения процесса моделирования простых конструкций или на начальных этапах разработки целесообразен переход к 2D и одномерным моделям. К таким случаям можно отнести процессы создания
Рис. 1. Основные задачи комплексного моделирования характеристик РЭС
Формирование и расчет критериев оптимальности
[конструктивных и физических) ограничений
Рис. 2. Структура процесса задач оптимизации конструкций РЭС
элементов нижней конструктивной иерархии, например, платы, радиаторов, металлических каркасов, тепловых шин и т.д.
Для практической реализации рассмотренных выше положений предлагаемого комплексного подхода необходимо разработать ряд методик, охватывающих все соответствующие проектные задачи и ориентированных на конкретные программные пакеты, в частности, Creo Parametric и ANSYS. В общем виде структура такого процесса разработки требуемого методического обеспечения должна включать следующие основные этапы.
1. Формализация и постановка задач, отражающих типовые случаи моделирования и оптимизации характеристик конструкций РЭС различной природы (механических, тепловых, ЭМС), основанные на применении существующих комплексов (Creo Parametric и ANSYS).
1.1. Составление перечня и описания основных характеристик конструкций РЭС, которые отражают физические процессы, протекающие при эксплуатации и которые влияют на надежность и работоспособность РЭС.
1.2. Создание описания и постановка типовых задач моделирования различных характеристик конструкций РЭС, основанные на действии полей разной природы.
1.3. Разработка математического обеспечения для решения поставленных задач.
1.4. Проведение анализа и классификации задач, которые решаются средствами Creo Parametric или ANSYS и задач, требующих применения иных пакетов или разработки нового программного обеспечения.
2. Разработка методик и алгоритмов, реализующих комплексное моделирование и анализ характеристик РЭС разной природы с применением 3D-моделей и использованием пакета Creo Parametric Mechanica. Это такие характеристики, как тепловые (температурные воздействия, внутреннее тепловыделение, внешние тепловые потоки и др.), механические (механические напряжения, вибрации, удары, резонансные частоты).
2.1. Разработка алгоритмов для моделирования тепловых и механических характеристик конструкций:
получение исходных данных для моделирования;
ввод исходных данных в Creo Parametric Mechanica;
проведение моделирования;
решение задач оптимизации в рамках Creo Parametric;
подробный анализ результатов, с применением средств Creo Parametric.
2.2. Разработка методических рекомендаций по эффективному использованию возможностей и преимущества Creo Parametric Mechanica.
3. Анализ и выбор оптимальных методов разработки конструкций РЭС с учетом ЭМС, повышение их эффективности и адаптация для решения существующих задач.
3.1. Выбор и формирование теоретической базы анализа и учета ЭМС блоков и узлов РЭС.
3.2. Разработка методов решения и постановка задач анализа и обеспечения требуемых параметров ЭМС конструкций РЭС.
3.3. Разработка библиотеки моделей компонентов, входящих в РЭС, отражающей протекающие в них электромагнитные процессы с применением программного комплекса ANSYS. Библиотека должна обеспечивать совместимость моделей и совместную работу с пакетом Creo Parametric при разработке РЭС.
3.4. Разработка методических рекомендаций по использованию средств автоматизации решения таких задач, возможностей ANSYS.
3.5. Разработка методик и соответствующих алгоритмов, отражающих процесс электромагнитного моделирования в высокочастотный и низкочастотный области с применением пакета ANSYS для решения задач обеспечения ЭМС блоков РЭС.
3.6. Разработка алгоритмов моделирования характеристик ЭМС конструкций:
получение исходных данных для моделирования;
ввод данных в пакет ANSYS с подробным пошаговым описанием;
моделирование процессов ЭМС с подробным пошаговом описании;
решение задач оптимизации;
подробный анализ результатов, с применеием средств ANSYS и Creo Parametric.
4. Оценка эффективности пакетов Creo Parametric и ANSYS в части моделирования и оптимизации комплекса механических, тепловых характеристик и характеристик ЭМС блоков РЭС, а также обоснование рекомендаций по улучшению их функционала.
4.1. Выводы, отражающие применение Creo Parametric и ANSYS для моделирования и оптимизации конструкций РЭС.
4.2. Разработка рекомендаций по использованию этого программного обесечения, выявление его ограничений, перспектив развития, а также обоснование необходимости применения других пакетов.
Чтобы реализовать предложенный подход необходимо наличие комплекса математических моделей, описывающих поля разной природы в конструкциях РЭС. Предлагаемая структура такого математического обеспечения представлена на рис.3. При его формировании необходимо учитывать, что в качестве исходной формы для постановки задач моделирования используется их представление в виде краевых задач. При этом следует учитывать, что применяемые краевые условия необходимо приспособить к правилам представления, принятым в системах Creo Parametric и ANSYS, что требует соответствующей квалификации проектировщика и разработки подробных методических рекомендаций. Поэтому целесообразно использовать и аналитические модели [1-5]. Эти аналитические решения удобны для уточнения граничных и начальных условий, а также полезны на начальных этапах оптимизации [16].
ММ процессов мас:о(благо)перенаса
Рис. 3. Комплекс математических моделей для анализа характеристик конструкций РЭС
Таким образом, применение предлагаемого комплексного подхода к анализу и оптимизации характеристик РЭС, обеспеченного разработкой набора соответствующих моделей, методик и рекомендаций, позволит сократить процесс проектирования на базе полного использования функциональных возможностей современных программных пакетов.
Литература
1. Справочник конструктора РЭС: Общие принципы конструирования [Текст] / под ред. Р.Г. Варламова. -М.: Сов. Радио, 1980. - 480 с.
2. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре [Текст] / Г.Н. Дульнев. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.
3. Талицкий, Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие [Текст] / Е.Н.Талицкий. -Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001. - 256 с.
4. Князев, А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости [Текст] / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с. ил.
5. Левин, Б. Р. Теория надежности радиотехнических систем [Текст] / Б. Р. Левин. -М.: Сов. радио, 1978.
6. Wildfire 3.0. Первые шаги [Текст] / А. Буланов [и др.]. - М.: Изд-во «Поматур», 2008. - 240 с.
7. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство [Текст] / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 269 с.
8. Турецкий, А.В. Методы тестирования и испытаний в системе качества ISO 9000 [Текст] / А.В. Турецкий, В.Н. Хорошилов, Н.В. Ципина // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2007. -Т. 3. -№ 4. -С. 130-135.
9. Лозовой, И.А. Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия [Текст] / И.А. Лозовой, А.В.
Воронежский государственный технический университет
Турецкий, В.А. Шуваев // Радиотехника. - 2012. - №8. - С. 76-80.
10. Лозовой, И.А. Процедуры инженерного анализа механических воздействий на РЭС в системе PRO/ENGINEER [Текст] / И.А. Лозовой, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011. -Т. 7. -№ 5. -С. 26-27.
11. Бобылкин, И.С. Применение программного комплекса Pro/Engineer Mechanica для моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули [Текст] / И.С Бобылкин, И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 6. -С. 34-36.
12. Лозовой, И.А. Средства автоматизированного проектирования и анализа механических и тепловых процессов конструкций РЭС [Текст] / И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 5. -С. 4-6.
13. Муратов, А.В. Анализ электромагнитных воздействий РЭС с помощью систем автоматизированного проектирования категории CAD/CAE [Текст] / А.В. Муратов, М.А. Ромащенко, А.В. Судариков // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. - Т. 6. - № 8. - С. 135-137.
14. Макаров, О.Ю. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 98102.
15. Бобылкин, И. С. Основные методики решения задач оптимального теплового проектирования конструкций радиоэлектронных средств [Текст] / И.С. Бобылкин, О. Ю. Макаров, В. А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. № 2. С.47-52.
16. Турецкий, А.В. Оптимизация конструкций радиоэлектронных модулей [Текст] / А.В. Турецкий // Системы управления и информационные технологии. - 2014. -Т. 57. - №3.2. - С. 275-278.
COMPLEX MODELLING AND OPTIMIZATION OF CHARACTERISTICS IN THE COURSE OF DESIGN DESIGN OF RADIO-ELECTRONIC MEANS
O.Yu. Makarov, A.V. Turetsky, N.V. Tsipina, V.A. Shuvaev
In this article we propose a comprehensive approach in defining and optimizing the characteristics of REM in the design process. This is such as thermal characteristics, mechanical characteristics, the characteristics of the electromagnetic compatibility (EMC), and reliability. Proposed structure of the techniques necessary for the implementation of this approach. The structure of the process of optimization of designs REMs and the complex of mathematical models to analyze the characteristics of structures REM
Key words: radio electronics, design engineering, systems modeling, optimization
