CC BY
58
УДК 004.94
Авхименко А.М., Увайсов С. У.
ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, Россия
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУР ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ МЕТОДОМ МОНТЕ - КАРЛО
Реализация методаМонте - Карло будет делиться на три программных блока. Непосредственный расчет температур радиоэлементов будет выполняться с помощью подсистемы АСОНИКА - ТМ системы АСОНИКА 5.0.РаботавыполненаприподдержкеРФФИ (проект № НК 14-07-00422\14).
Данный программный комплекс предназначен для анализа температур элементов печатного узла. Для моделирвоания температур необходимы допуски на тепловые параметры электрорадиоэлементов и готовый проект подсистемы АСОНИКА - ТМ системы АСОНИКА 5.0. Рассмотрим ее более детально.
Комплекс позволяет проводить анализ механических и тепловых характеристик печатных узлов и электрорадиоэлементов при тепловых (стационарных и нестационарных) и механических (гармоническая и случайная вибрации, одиночный и многократный удары, линейные ускорения и акустический шум) воздействиях.
Комплекс имеет возможнось:
анализа стационарных и нестационарных тепловых процессов в ПУ;
анализа механических процессов в ПУ при воздействии гармонической и случайной вибраций, одиночных ударов и ударов многократного действия, линейных ускорений и акустических шумов с учетом нелинейности механических характеристик;
комплексного анализа механических процессов в ПУ с учетом температуры нагрева участков ПУ, температуры окружающей среды и аэродинамического сопротивления воздуха;
анализа усталостной прочности выводов ЭРЭ.
Исследуемые конструкции могут быть закреплены произвольным образом и иметь произвольную ориентацию в пространстве.[1-8]
Подсистема АСОНИКА - ТМ имеет управляющую программу, называемую монитором. Монитор дает возможность осуществить выбор задач, обеспечить программы входной информацией и организовать процесс управления программным обеспечением подсистемы.
Подсистема имеет базу данных, которая содержит геометрические, теплофизические и физикомеханические параметры ЭРЭ и конструкционных материалов.
Также данная подсистема имеет связь с САПР конструирования печатных узлов P-CAD, ACCEL EDA.
На рисунке 1 изображено окно подсистемы АСОНИКА-ТМ.
АСОНИКА- BFKDU_A1
Проект Правка Вид Настройка Анализ Приложения Помощь
ОДп].*]
ЩТ к |] ф ~ в ді::Д j- t? ^
е? ш | И ^ "с t / Л5 I ^ Eg Ite
] І 'У п_ пл. г~ ilk I X- ~ Ц Г, V п_ гиг °г~ °йь | X
В-
0 Слои
А Первая сторона
Электрорадиоизделия Ш- ^ Тепловые граничные условия Ш"ЧЬ Группы ЭРИ ^ Вторая сторона 0-ЧЬ Электрорадиоизделия 0-ЧЪ Тепловые граничные условия 0-ЧЬ Группы ЭРИ 0-ЧЬ Крепления
Контрольные точки $ Воздействия
[=| Описание элемента Вид на плоскости | 3D Вид в пространстве |
_| Название параметра Значение параметра 11
ж Наименование печатного узла Плата питания 1
А1
Обозначение печатного узла
Параметры печатного узла
Ориентация в пространстве Вектор нормали {0,0,1}
Форма сечения Прямоугольная
Размер по оси X, [мм] 105
Размер по оси V. [мм] 90
Толщина основания, [мм1 2
Разбиение сетки по осиХ 10
Разбиение сетки по оси У 9
Параметры проводников
Коэффициент заполнения 0.3
Толщина проводников, |мм] 0.035
Материал Медь
— Плотность материала проводников, [кг/мл3] Коэффициент черноты материала проводников, [отн. ед.] Коэффициент теплопроводности материала проводников, [Вт/[К*м]] Удельная теплоемкость материла проводников, [Дж/(кг'К]] 9930
0
386
391
Общие данные
Суммарная мощность электрорадиоизделий, [мВт] 620.53
Масса, [гр] 170.2015
| Печатный узел
Рисунок 1 - Основное окно подсистемы АСОНИКА-ТМ
Дерево проекта ПУ включает следующие конструктивные элементы:
Слои - содержит описание слоев платы и теплостоков;
Первая (вторая) сторона ПУ - содержит описание ЭРИ, ребер жесткости и тепловых шин, тепловых граничных условий, групп ЭРИ, расположенных на первой (второй) стороне платы;
Крепления - содержит описание механических креплений ПУ и приложенных к ним механических воздействий;
Контрольные точки - содержит описание контрольных точек (например, датчик), установленных на
ПУ;
Воздействия - содержит описание механических воздействий приложенных к ПУ.
Для добавления элемента дерева необходимо выделить родительский элемент в дереве и выполнить
команду Правка/'Добавить объект главного меню или нажать на кнопку I ^ I «Добавить» панели инструментов или контекстного меню. [9-16]
Рисунок 2 - Добавление элемента для объекта
Затем в появившемся окне ввести необходимые данные для расчета и нажать на кнопку добавить. При добавлении ЭРИ появляется окно указанное на рисунке 3.
Рисунок 3 - Добавление ЭРИ
Для удаления выбранного элемента дерева необходимо выполнить команду Правка/Удалить объект главного меню или нажать на кнопку [3 «Удалить» панели инструментов или контекстного меню.
После добавления всех необходимых элементов ПУ, нужно задать тепловые граничные условия. Затем в появившемся окне ввести необходимые данные для расчета и нажать на кнопку добавить.
*I
Тепловое граничное условие
Задайте параметры теплового граничного условия
“Тип теплового граничного условия_ (* |Не задано
□
□
□
□
□
С Поверхность с заданной температурой (ПЗТ)
С Теплоотдача через заданное тепловое сопротивление к ПЗТ
С Контактный теплообмен к ПЗТ
С" Теплоотдача через воздушную прослойку к ПЗТ
С Излучение с плоской неразвитой поверхности на соседний конструктивный элемент (КЗ)
С Естественная конвекция в окружающую среду и излучение с плоской неразвитой поверхности на соседний КЗ С Вынужденная конвекция в окружающую среду и излучение с плоской неразвитой поверхности на соседний КЗ
Т еплоеое сопротивление,[К/Вт] Т олщина воздушной прослойки, [мм] Скорость обдува воздухом, [м/с] Направление обдува Т емпература поверхности, [°С] Т емперал'ура окружающего воздуха, [X] Температура соседнего КЗ, [°С] Давление воздуха, [мм. рт. ст ]
Позиция, [мм]: Размер, [мм]:
осьХ [о осьХ [о Сторона [Вторая сторона &\
осьУ К ocbY |0
АСОНИКА.
V" Добавить
У\, Отмена
Рисунок 4 - Добавление теплового граничного условия
Для добавления механического воздействия нужно навести мышку на слово воздействие, нажать на него правой кнопкой мыши и в появившемся окне нажать на кнопку воздействие.
Рисунок 5 - Окно выбора механического воздействия
Ввод и редактирование графика механического воздействия осуществляется следующим образом:
Выделить нужное воздействие в дереве;
На закладке «Описание элемента» задать диапазон изменения аргумента и функции графика воздействия, шаг моделирования;
На закладке «Воздействие» ввести график воздействия: чтобы добавить точку необходимо в пустом месте поля ввода нажать левую кнопку мыши, для удаления точки необходимо нажать на ней правую кнопку мыши, для перемещения точки необходимо удерживать нажатую на ней левую кнопку мыши. При нажатии на точки левой кнопки мыши она становится выделенной, в этом случае можно ввести ее точные значения аргумента и функции в соответствующие поля. [17-22]
Для моделирования ПУ необходимо выбрать нужный тип расчета, используя команду меню «Анализ» или нажать на соответствующую кнопку панели инструментов (рис.б).
Щ I <\j -Hr П_ ГИТ Г~ db | °С Г І ґ\У -Пг гт_ гит ? Ъь
Рисунок б - Панель моделирования
После проведения расчета появляется соответствующее сообщение (рисунок 7)
Рисунок 7 - Окно сообщения о завершении моделирования
Для перехода в режим анализа результатов моделирования необходимо выполнить команду Приложе-
ния/Постпроцессор главного меню или нажать на кнопку IД-1 панели инструментов. Для возврата в режим редактирования ПУ необходимо выполнить команду Приложения,/Препроцессор главного меню или на-
жать на кнопку
панели инструментов.
Для выбора воздействия, результаты моделирования которого необходимо вывести, необходимо нажать на кнопку I^1 с полем «Воздействие» панели инструментов. Затем в поле «Характеристики» выбрать просматриваемую характеристику.
На закладках «Вид на плоскости» и «Вид в пространстве» отображаются поля выбранной характеристики для заданного значения времени или частоты, которое выбирается, используя соответствующее поле панели инструментов.
На закладке «Режимы» отображается карта режимов работы.
На закладке «АЧХ (АВХ)» отображается график выбранной характеристик для выбранного ЭРИ или контрольной точки в дереве. Для вывода одновременно графиков нескольких ЭРИ или контрольных точек необходимо использовать команду Приложения/АЧХ (АВХ)/Характеристика нескольких объектов главного
меню или кнопку тг| панели инструментов.
Теперь рассмотрим каждый блок программного комплекса для моделирования разбросов температур на элементах.
Описание алгоритма первого блока программы
Первый блок программного будет отвечать за ввод параметров и генерацию значений для расчета. Алгоритм первого блока будет выглядеть следующим образом:
Пользователь вводит элементы, для которых необходимо сгенерировать параметры;
Для каждого элемента пользователь задает значения параметров, законы их распределения или оставляет константой;
Пользователь задает то число итераций, которое необходимо для проведения расчета и запускает генерацию;
Программа выдает файлы, в которых хранятся значения параметров, необходимые для расчета заданное число раз.
Описание алгоритма второго блока программы
Второй блок будет отвечать непосредственно за расчет. Его алгоритм следующий:
На вход пользователь подает файлы из первого блока и файлы проекта АСОНИКА - ТМ ;
Программа для каждой итерации добавляет в файлы проекта необходимые значения, запускает на
расчет подсистему АСОНИКА - ТМ;
После окончания расчета забирает данные о полученных температурах на элементах;
Программа после завершения всех итераций выдает файл с выходными температурами.
Описание алгоритма третьего блока программы
Третий блок служит для построения графиков температур на элементах, вычислению средней температуры, максимальной, минимальной. Также блок производит оценку полученных характеристик, по который пользователь определяет, достаточна ли вероятность и точность полученных данных. При неудовлетворительных результатах произвести расчет количества итераций, которое необходимо для получения достоверных данных.[23-29]
На вход поступают файлы из второго блока;
Программа производит построение графиков, расчет средней, максимальной, минимальной температур;
Производится оценка точности полученных данных.
Таким образом, после завершения работы третьего блока на выходе будет получен список температур для каждого элемента. Также в третьем блоке имеется возможность получить максимальную температуру для каждого элемента и сравнить с предельно допустимой температурой из карты режимов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Увайсов С. У., Сегень А., Кофанов Ю. Н., Пятницкая Г. Применение компьютерного измерительного тепловизора КРИТ_Т и математического моделирования для обеспечения надежности и качества радиоэлектронных средств. М. : МИЭМ, 1997.
2. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Манохин А. И. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств. М. : МГИЭМ, 1998.
3. Увайсов С. У. Обнаружение слабого сигнала на фоне помехи в случае распределения Рэлея // Измерительная техника. 2006. № 4. С. 55-58.
4. Тумковский С. Р., Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Виброакустический контроль бортовой космической аппаратуры // Мир измерений. 2007. № 12. С. 4-7.
5. Увайсов С. У., Иванов И. А., Увайсов Р. И. Показатели контролепригодности радиоэлектронной аппаратуры // Мир измерений. 2008. № 3. С. 47-51.
6. Увайсов С.У. Высокоточный транзисторный датчик температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Датчики и системы - М.: 2010. № 11. С. 19 - 22.
7. Увайсов С.У. Современные полупроводниковые интегральные датчики температуры / Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // ИЗМЕРЕНИЯ. КОНТРОЛЬ. АВТОМАТИЗАЦИЯ - М.: 2010. № 12. С. 59 - 68.
8. Объект интеллектуальной собственности: Устройство для измерения температуры. Патент РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г. Шестимеров С.М.,Громов В.С., Увайсов С.У.
9. Увайсов С. У., Иванов И. А. Информационная модель процесса проектирования контролепригодных радиоэлектронных средств // Информационные технологии. 2011. № 12. С. 41-45.
10. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Комплексирование физического и математического моделирования при автоматизации проектирования бортовых электронных средств. М. : Энерго-
атомиздат, 2011.
11. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Бушмелев П. Е., Плюснин И. Моделирование оптимальных параметров устройств дистанционного зондирования // Измерительная техника. 2011. № 3. С. 39-42.
12. Увайсов С. У., Иванов И. А. Обеспечение контролепригодности радиоэлектронных средств в рамках CALS-технологий // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 1. С. 43-46.
13. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Формирование наборов тестовых сигналов для контроля качества электронных средств космических аппаратов // Качество. Инновации. Образование. 2011. № 11. С. 84-88.
14. Увайсов С.У. Транзисторный термопреобразователь для повышения качества контроля температуры /Громов В.С., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Качество. Инновации. Образование. - М.: 2010. №
11. С. 63-69.
15. Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю., Увайсов С. У. Динамика оптимизационного процесса при идентификации параметров электронных средств // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84.
16. Иванов И. А., Увайсов С. У., Кошелев Н. А. Методика обеспечения диагностируемости электронных средств космических аппаратов по ранговому критерию на ранних этапах проектирования // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 1. С. 60-62.
17. Увайсов С. У., Юрков Н. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки (Российская Федерация). 2012. № 7. С. 16-22.
18. Увайсов С. У., Аминев Д. А. Оптимизация RAID массива для достижения максимальной производительности систем регистрации данных // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 12. С. 93-96.
19. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе многофакторных моделей // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 11. С. 43-49.
20. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н., Сотникова С. Ю. Программный комплекс моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании источников вторичного электропитания для сложных бортовых систем // Динамика сложных систем. 2012. № 3. С. 80-84
21. Увайсов С. У. Текстурованные подложки из сплавов никеля с тугоплавкими металлами (W,Mo,Re) для сверхпроводящих кабелей второго поколения // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2012. № 2(22). С. 126-137.
22. Uvaysov S. U., Ivanov I.. A method of ensuring controllability of electronics based on diagnostic modeling of heterogeneous physical processes // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 24. P. 196-201.
23. Аминев Д. А., Козырев А. А., Кудрявцев Д. Ю., Увайсов С. У. Алгоритм определения наличия аварийного электрического разряда в сетях электропитания // Датчики и системы. 2013. № 2. С. 4951.
24. Увайсов С. У., Бушмелева К. И., Кривицкая М. Выбор критериев оптимальности при разработке рабочего учебного плана // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 1. С. 68-71.
25. Увайсов С. У., Аминев Д. А., Лисицын И. Ю. Защита бортовой спутниковой навигационной системы от кратковременного пропадания электропитания и электромагнитных помех // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3(46). С. 45-49.
26. Увайсов С. У., Кофанов Ю. Н. Методика выявления скрытых дефектов интегральных схем и аппаратуры // Надежность и контроль качества. Ежемесячное приложение к журналу "Стандарты и качество" . 2013. № 11. С. 19-31.
27. Увайсов С. У., Иванов И. А., Гольдберг О. Д., Иванов О. А. Обеспечение качества характеристик источников бесперебойного питания в условиях помех, вызванных нелинейной нагрузкой // Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 3. С. 55-64.
28. Увайсов С. У., Журавлева Ю., Палий С. П. Повышение качества прогнозирования доходности финансовых инструментов на основе фрактального анализа // Качество. Инновации. Образование. 2013.
Т. 97. № 6. С. 61-64.
29. Увайсов С. У., Бушмелева К. И. Система мониторинга газотранспортных объектов // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 1. С. 84-87.
