CC BY
108
УДК. 621.396
Радиоэлектроника и системы связи
ПРОЦЕДУРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ В PRO/ENGINEER MECHANICA В.В. Бородин, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий
В данной статье рассматриваются процедуры инженерного анализа на механические и тепловые воздействия в системе Pro/Engineer
Ключевые слова: радиоэлектронный модуль, нагрузка, механический анализ, тепловой анализ
Моделирование физических процессов в различной электронной аппаратуре в настоящее время являются неотъемлемой частью процесса проектирования. Одним из основных направлений в этом является моделирование тепловых и механических процессов, для которых применяются специализированные пакеты САПР. Рассмотрим виды механического и теплового анализа в широко распространенной системе Pro/ENGINEER [1-5]. Для этих целей в ней имеется модуль Pro/ENGINEER Mechanica.
Pro/ENGINEER МеЛатса это составная часть метода конечных элементов, дающая возможность для проведения анализа механических и тепловых характеристик физической модели с использованием виртуальных 3D-моделей. Модуль позволяет определить критические значения параметров модели при различных воздействиях и на основе полученных результатов анализа изменить конструкцию.
В систему Pro/ENGINEER Mechanica входят два модуля - структурный и тепловой - каждый из которых, имеет свой собственный решатель для различных типов воздействий.
Также есть возможность использования математического ядра, других программных продуктов, таких как ANSYS и NASTRAN.
Модуль работает в интегрированном режиме с Pro/ENGINEER, и напрямую использует созданные в нем модели.
Основные возможности модуля следующие:
- статический анализ напряженно-деформированных состояний конструкции под воздействием различного типа нагрузок, учет контактных взаимодействий;
- модальный анализ конструкций, полностью закрепленных или обладающих степенями свободы, определение собственных частот и форм колебаний;
Бородин Владимир Васильевич - ВГТУ, ассистент, тел. (473) 243-77-06
Сизов Сергей Юрьевич - ОАО «Концерн» Созвездие», начальник отдела САПР, тел. (473) 252-22-94 Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06
- расчет устойчивости, коэффициента запаса устойчивости и критической нагрузки;
- моделирование установившихся тепловых состояний конструкции при различных тепловых нагрузках и граничных условиях - заданных температурах и режимах конвекции;
- комплексный анализ конструкции, в котором результаты теплового анализа используются как нагрузки для прочностного анализа.
Pro/ENGINEER Mechanica позволяет проводить:
- стандартные исследования как исходной модели, так и модели при любых допустимых значениях параметров проектирования (геометрических размеров, механических характеристик материалов);
- исследования локальной и глобальной чувствительности конструкции к изменению параметров проектирования;
- целевую оптимизацию конструкции и оценку возможности существования конструкции с заданными параметрами.
Кроме того, осуществляется автоматическая генерация сеток элементов, а также имеются широкие возможности по интерактивному управлению сетками.
Предусмотрены разнообразные форматы интерпретации результатов моделирования: редактируемая цветовая палитра, изолинии и изоповерхности, использование разрезов и сечений, разобранные виды, динамический запрос, анимация собственных форм колебаний, графики и др.
В тепловом анализе можно определить два типа исследований:
Рассмотрим основные этапы теплового анализа на примере исследования тепловых характеристик радиоэлектронного модуля, изображенного на рис.
1.
Steady Thermal (стационарный тепловой) [2] -вычисляет установившуюся тепловую реакцию на набор ограничений и одну или более дополнительных нагрузок высокой температуры. Набор ограничений состоит из одного или более известных температур и/или условия конвекции.
Для выполнения этого анализа необходимым условием является наличие хотя бы одного условия ограничений. Также необходимо задать тепловые нагрузки.
Создание термального анализа:
- запуск анализа;
- выбор набора граничных условий;
/
Рис.1. Внешний вид радиоэлектронного модуля
- выбор одного или более наборов нагрузок высокой температуры, если это требуется, чтобы включить их в анализ;
- дополнительные опции для устойчивого теплового анализа;
- запуск анализа.
Результаты такого вида анализа представлены на рис. 2.
Рис. 2. Окно результатов стационарного теплового анализа
На нем наглядно видны локальные перегревы наиболее теплонагруженных элементов.
Transient Thermal (тепловой переходный процесс) [2] - вычисляет температуры и потоки температур по модели в различное время как реакция на одну или более дополнительных нагрузок высокой температуры и подвергающийся одной или более дополнительным известными температурам и/или условиям конвекции. Необходимо определить по крайней мере один набор нагрузок или один набор ограничений.
Mechanica также анализирует величины, которые можно определили для своей модели. Имеется возможность использовать набор возможных расчетных величин для определения:
- времени, при котором данное условие верно;
- значение величины по времени в выбранной точке;
- max, min, или max abs для величины по всему анализу или в диапазоне требуемого времени.
Переходный тепловой анализ, также используется чтобы узнать следующую информацию:
- время, которое необходимо модели, чтобы нагреться или остыть;
- как нагреется модель при воздействии тепловой нагрузки с учетом времени этого воздействия;
- тепловые напряжения, которые развиваются в результате изменений температуры по модели.
Требования к выполнению переходного теплового анализа
- наличие 3D-модель;
- наличие только изотропических свойств материала;
- в модели не должно быть никаких оболочек и никаких связей;
- наличие хотя бы 1 набора ограничений и 1 набора нагрузок.
Пример результатов расчета представлен на рис. 3.
4
ЧимГ - Пгр». >Н >М1 .111 <1Ч1М.1НГМ1.И)
\--------------------
I
Рис. 3. Результаты переходного теплового анализа
В виде графиков представлено распределение температуры по времени различных элементов (микросхемы и платы).
Рассмотрим вибрационный анализ.
В режиме структурного анализа доступны четыре типа вибрационного анализа [2,3]:
- Dynamic Time (динамический временной) — вычисление перемещений, скорости, ускорения и напряжения в модели по времени как реакцию на переменную во времени нагрузку.
- Dynamic Frequency (динамический частотный) — анализ амплитуды и фазы смещений, скорости, ускорения, и напряжения в модели как реакция на колебания нагрузок в различных частотах.
- Dynamic Random (динамический случайный)
— анализ энергии спектральной плотности и среднеквадратичные значения смещения, скорости, ускорения и напряжения в модели, как реакция на нагрузки при указанном значении спектральной плотности.
-Dynamic Shock (динамический ударный) — расчет максимальных значений перемещений и напряжений в модели, как реакция на основное возбуждение в указанном спектре.
Динамический временной анализ измеряет ответ системы к непериодической или импульсивной нагрузке с временной зависимостью. Входные нагрузки принимают форму временной зависимости. В динамическом анализе времени Mechanica вычисля-
ет смещения, скорость, ускорения, и напряжения в модели в разное время в ответ на нагрузки, изменяющиеся со временем. Имеется возможность просмотра всех рассчитанных значений в каждый, выбранный, момент времени.
При проведении механического исследования инженер проходит следующие этапы:
- задание граничных условий и нагрузок;
- выбор вида анализа;
- задание дополнительных опций (частотного диапазона, амплитуды, момента силы и пр.)
- запуск решателя;
- отображение результатов.
Для примера приведем результаты анализа ускорения элемента конструкции при действии удара (рис. 4), модального анализа (рис. 5) и статического (рис. 6).
Kill rut і л ■ I
г- ' ич ї"
.iSatll.MijrlІ іГІІА.ЇШІІ .Н!,!**!
'ІігіпГ ' .fit ' Rh .H7
k
ft
№
m
№
K,
1 f П m : E і r ~ Ї * 3 і і і і 1 I H n 1 ! 1 І
Рис. 4. Результат анализа ускорения модуля при воздействии удара (рис. 3)
a- II i- rtri" ¥i | ».-1
!■ і'ДЙіГ
..
І и.
І ' r
?
— н Uh і-* 4-s- Uh ■ h h 'ля 'нм -нн U--a
W! !.U„ іВСЕІ
■■■ ■ Law№1l W1IHI ‘і aw.- cuijiiiJ -
I'M.
ї 1 і'' '■
\
Рис. 6. Результаты расчета статического анализа
Таким образом, использование модуля Pro/ENGINEER Mechanica позволяет выполнять все основные виды исследований механических и тепловых характеристик радиоэлектронных модулей современных РЭС.
Литература
1. Минеев М. А. Pro/Engineer Wildfire 2.0/3.0/4.0. - М.: Наука и техника, 2008 г. -352 с.
2. Буланов А. Wildfire 3.0. Первые шаги./ А. Буланов М.: Изд-во «Поматур», 2008. 240 с.
3. Грэхам Г. Pro/Engineer 2001 / Г. Грэхам, Д. Стенффен. М.: Изд-во «Лори», 2003. 363 с.
4. Прокди Р.Г Pro/Engineer Wildfire 2.0/3.0/4.0. / Р.Г. Прокди, М.А Минеев М.: Наука и техника 2008 г. 352 с.
5. Чемоданова Т. В. Pro/ENGINEER: деталь, сборка, чертеж / Т.В. Чемоданова СПб.: Изд-во «BHV» 2003 г. 560 с.
6. Степанов А.В. Pro/ENGINEER. Специальный справочник / А.В. Степанов СПб.: Изд-во «Питер» 2001 г. 624 с.
Рис. 5. Результаты расчета модального анализа
Воронежский государственный технический университет ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж
PROCEDURES OF RESEARCH OF MECHANICAL AND THERMAL CHARACTERISTICS OF RADIO-ELECTRONIC MODULES IN PRO/ENGINEER MECHANICA V. V. Borodin, S.Yu. Sizov, A.V.Turetsky
In this article the engineering analysis procedures on mechanical and thermal influences in Pro/Engineer system are considered
Key words: radio-electronic module, loading, mechanical analysis, thermal analysis
