CC BY
194
УДК 681.5
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ КОНСТРУКЦИЙ РЭС
И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий
В статье проводится краткий обзор наиболее доступных современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, даны рекомендации по выбору САПР
Ключевые слова: САПР, 3D моделирование, механический и тепловой анализ
В настоящее время вопросы внедрения в производство радиоэлектронных средств подсистем и пакетов прикладных программ для автоматизации анализов различных характеристик РЭС приобретают все большую актуальность, так как это дает значительный экономический эффект за счет сокращения натурных испытаний и связанного с этим сроком проектирования.
Современное состояние САПР в России можно охарактеризовать как время массового перехода промышленности к использованию технологии 3Б-проектирования. Рассмотрим одни из основных САПР, осуществляющие 3Б- проектирование и инженерный анализ.
Система МаБйаи.
Обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановив-шихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости [1]. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык БМЛР для создания пользовательских приложений.
Однако в этой системе есть некоторая универсальность и направленность на механическое проектирование. Для использования системы в расчетах узлов на печатных платах, имеющих свою специфику, требуется доработка. Слабо
Лозовой Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 43-77-06
Макаров Олег Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-77-06
Сизов Сергей Юрьевич - ОАО «Концерн «Созвездие», начальник отдела САПР/ИПИ технологий, тел. (4732) 52-22-94
Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-77-06
рассмотрены вопросы анализа электромагнитной совместимости.
Система ANSYS.
Программный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений.
С помощью ANSYS Mechanical может проводиться расчет термомеханических напряжений в полупроводниках, электронных модулях, печатных платах и замкнутых системах[2,3]. Кроме того, инженеры при проведении модального анализа, изучении ударных нагрузок и вибраций могут учитывать нелинейные явления в конструкции изделия -включая усталость паяных соединений, расслоение и ползучесть. Программный комплекс ANSYS AUTODYN может использоваться для моделирования ударных испытаний с целью оптимизации рабочих характеристик и надежности изделия.
Программный продукт ANSYS Icepak используется для оценки температурного состояния электронных устройств в целом и отдельных узлов в частности. Он позволяет моделировать все виды теплообмена: естественную и вынужденную конвекцию, лучистый теплообмен и теплопроводность. CFD-комплексы используются для акустического анализа, изучения микроканалов, многофазных потоков, фазовых переходов и др. Кроме того, они применяются в процессе производства полупроводников, в частности, при моделировании процессов травления, фотолитографии, химического осаждения из газовой фазы и др.
Анализируя возможности системы ANSYS можно сказать, что она наиболее полно отвечает современным требованиям инженерного анализа и оптимизации печатных узлов РЭС.
Система T-Flex.
Комплекс T-FLEX, разрабатываемый и распространяемый российской компанией «Топ Системы». Позволяет решить практически все задачи конструкторско-технологической подготовки производства — от получения заказа до изготовления изделия. При этом по функциональности каждая из систем комплекса T-FLEX конкурирует с лучшими образцами как западных, так и российских продуктов [4].
Анализируя возможности системы T-FLEX можно выявить достаточно хорошую проработку проектной и технологической составляющих проектирования. Отличительной особенностью является поддержка не только современного, но и более старого оборудования, что немаловажно для ряда российских предприятий.
Однако в этой системе отсутствуют средства анализа и оптимизации печатных узлов РЭС. T-FLEX имеет строгую направленность на механическое проектирование, но некоторые основные прочностные и тепловые расчеты можно провести.
Система Pro/ENGINEER Mechanica.
Расширенные возможности модуля Pro/ENGINEER Structure and Thermal Simulation позволяют решить многие задачи моделирования. Он обладает следующими возможностями[5, 6]:
- статический анализ для расчета напряжений и перемещений, включая контактные нелинейные задачи;
- модальные решения для незакрепленной и закрепленной модели;
- возможности расчета на устойчивость позволяют определить критическую для конструкции нагрузку;
- анализ стационарной теплопередачи для оценки воздействия на модель постоянной тепло -вой нагрузки и граничных условий.
Анализируя возможности модуля Pro/MECHANICA системы Pro/ENGINEER можно сделать вывод, что это достаточно мощный инструмент механического и температурного анализа конструкций, позволяющий проводить большинство необходимых видов расчетов и оптимизаций. Однако стоит отметить в основном его направленность на решение задач в области механического проектирования и слабую проработку анализа и оптимизации узлов на печатных платах РЭС.
Система АСОНИКА.
Система обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) включает в себя несколько подсистем, каждая из которых направлена на решение конкретной задачи [7].
Автоматизированная подсистема АСОНИ-КА-В предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах.
Подсистема АСОНИКА-М предназначена для автоматизации процесса моделирования неамортизированных конструкций РЭС на механические воздействия.
После моделирования конструкций третьего и второго уровней (шкафов, блоков и т.п.) результаты передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования механических процессов в конструкциях первого уровня РЭС (печатных узлов, кассет и т.п.).
Подсистема АСОНИКА-Т используется для определения тепловых режимов работы всех ЭРИ и
материалов несущих конструкций и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки.
Подводя итоги можно отметить следующие общие недостатки, присущие подсистемам АСОНИКА:
- слабая связь с современными системами 3D проектирования, что серьезно ограничивает применяемость системы;
- отсутствие у ряда подсистем собственного решателя, что приводит к необходимости приобретения продуктов сторонних производителей, зачастую дорогостоящих;
- недостаточная реализация средств оптимизации конструкций, увеличивающая затраты на проектирование как временные, так и материальные.
В связи со сказанным выше и по сравнению с рассмотренными системами инженерного анализа система АСОНИКА имеет весьма скромные возможности, что серьезно ограничивает ее применение на современных российских предприятиях.
Подводя итоги обзора современных систем автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства можно сделать вывод, что в качестве базового программного продукта целесообразно выбрать систему Pro/ENGINEER. Эта система обладает широкими возможностями по обеспечению эффективной разработки и выпуску конкурентоспособной продукции. Однако в этой системе слабо реализованы возможности инженерных расчетов узлов на печатных платах, составляющих основу радиоэлектронного оборудования. В частности, нет возможности анализа электромагнитной совместимости, анализ теплового режима сложных многослойных плат, имеющих собственное тепловыделение, анализа целостности сигнала и др. Для расширения возможностей Pro/ENGINEER целесообразно применить систему ANSYS, достаточно эффективно выполняющую эти виды анализа, которая, кроме того, позволяет свободную интеграцию с современными CAD системами, в том числе и с Pro/ENGINEER.
С использованием в качестве базы инструментальных средств анализа системы Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation) общая методика проведения моделирования тепловых и механических характеристик (при интеграции с ANSYS также и ЭМС) включает следующие основные этапы.
1. Создание 3D моделей конструкции.
2. Анализ требований ТЗ и условий эксплуатации, выделение основных типов внешних и внутренних воздействий (механические нагрузки, тепловыделение).
3. Определение конкретной формы воздействующих факторов (вибрация, удары, линейные ускорения, сипы, температура, тепловой поток, температурный градиент и т.д.) и их количественных параметров.
4. Формирование комплекса задач моделирования и их сведения к типовым математическим постановкам (п. 1.2) в форме соответствующих задач математической физики.
5. Определение и задание количественных параметров граничных условий: границы областей с разными типами воздействий, объемные и плоские источники энергии, взаимодействие с окружающей средой и конструкциями более высокого уровня иерархии (например, определение коэффициентов теплообмена) и т.д.
6. Задание параметров, входящих в граничные условия, средствами Structure and Thermal Simulation непосредственно на 3D модели конструкции.
7. Проведение расчетов и анализ результатов.
При этом основным этапом, определяющим адекватность и точность результатов моделирования, является выбор класса решаемой задачи, определяемого видом базового дифференциального уравнения (Лапласа, Пуассона, Фурье и т.д.), формирование и задание граничных условий для 3D модели конструкции с эффективным использовани ем возможностей, представляемых Structure and Thermal Simulation. Поэтому целесообразным представляется формирование комплекса постановок
задач моделирования для всех основных видов анализа и определения типовых характеристик РЭС, наиболее широко применяемых конструкций (с учетом их иерархии) и внешних воздействий (библиотеки моделей). И создание для каждой из таких моделей частных методик их реализации средствами Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation).
Литература
1. Рычков С. П. MSC.visual NASTRAN для Windows / С.П. Рычков. М: НТ-пресс, 2004. 552 с.
2. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя / К.А. Басов. М.:ДМК Пресс, 2005. 640 с.
3. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2004. 269 с.
4. T-FLEX. Трехмерое моделирование. Руководство пользователя. Топ системы 2006 г. 748 с.
5. Буланов А. Wildfire 3.0. Первые шаги. М.: Изд-во «Поматур», 2008. 240 с.
6. Грэхам Г. Pro/Engineer 2001 / Г. Грэхам, Д. Стенффен. М.: Изд-во «Лори», 2003. 363 с.
7. Шалумов А.С. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Т. 1. / А.С. Шалумов, Н.В. Малютин, Ю.Н. Кофанов и др.; Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.
Воронежский государственный технический университет ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж)
COMPUTER DESIGN AIDS AND ANALYSIS MEHANICHE-SKIH AND THERMAL PROCESSES OF DESIGNS OF RADIO-ELECTRONIC MEANS I.A. Lozovoj, O.J. Makarov, S.JU. Sizov, A.V. Turetsky
In article the short review of the most accessible modern systems of the automated designing and the engineering analysis is spent, recommendations for choice CAD are made
Key words: CAD, 3D modelling, the mechanical and thermal analysis
