(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка лабораторного практикума по моделированию физических полей в САПР ANSYS
1. Введение
Почти все задачки, которые приходится решать инженеру-конструктору, весьма сложны, так как рассчитываемые физические процессы постоянно протекают в пространстве 4 измерений: 3-х координат и времени. Расчет сводится к решению системы дифференциальных уравнений в личных производных, именуемых уравнениями математической физики. В эти уравнения входят четыре независящие переменные. [1]
время от времени удается упростить задачку так, что в уравнениях остается одна независящая переменная, т.е. задачка приводится к одномерной. Приобретенные таковым образом дифференциальные уравнения содержат одну независимую переменную и могут быть в принципе решены точными аналитическими способами. Приведение задачки к одномерному виду постоянно соединено с её идеализацией. В безупречной задачке приходится третировать второстепенных причин, влияющих на ход физического процесса. Отсюда появляются погрешности, которые тяжело проконтролировать. Чем труднее система и условия, в каких она работает, тем сложнее создать одномерную расчетную модель, оставляющую надежду на достаточную достоверность результатов расчетов.
Почти всегда принципно нереально привести задачку к одномерному виду и решить ее точными аналитическими способами.
В особенности тяжело приходится конструктору радиоэлектронной аппаратуры. В радиоконструкциях тесновато сплелись теория упругости и электродинамика, теплопередача и аэродинамика. Если допустить в некий области ошибку, то аппаратура работать не будет. А здесь еще необходимо учесть, сложные наружные действия на систему, также огромное количество наружных деталей, биться за малые габариты и вес. Преодолеть эти трудности помогают разные приближенные способы решения дифференциальных уравнений в личных производных.
Посреди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется способ конечных разностей, либо способ сеток. В его базе лежит способ построения моделей сложных физических действий, происходящих в огромных объёмах места, из обычных простых действий, происходящих в малом объёме обычно кубической формы.
Разностные способы приводят, обычно, к большим объёмам вычислений. Без современных электрических вычислительных машин тут не обойтись.
электрические цифровые вычислительные машинки (ПЭВМ) находят все большее применение в практике проектирования радиоаппаратуры. При помощи машин создают компоновку деталей, трассировку проводников, рассчитывают электронные процессы. способ конечных разностей открывает широкие способности внедрения ПЭВМ для расчетов термических действий в разных системах.
1.1 Главные виды физических полей в системах РЭС
1.1.1 Термическое поле в системах РЭС
одной из главных черт состояния вещества является его температура. От температуры зависят все характеристики вещества — как механические, так и электронные. В особенности очень влияет температура на электронные характеристики полупроводников. Так, кристалл, который при низких температурах мог служить изолятором при больших становится проводником. Потому одной из главных черт радиоэлементов либо радиоэлектронного устройства является спектр температур, в каком они накрепко делают свои функции.
Вся либо практически вся электронная энергия, которую они потребляют, преобразуется в тепло. Тепло выделяется, как правило, конкретно в тех участках, где это угрожает выходом устройства из строя. к примеру, оно выделяется на закрытых p-n переходах транзисторов и диодов[1]. Увеличение температуры переходов наращивает ток через их, а это, в свою очередь, вызывает повышение рассеиваемой мощности. Выходит лавинообразный процесс нарастания температуры. Если его впору не приостановить, то произойдет термический пробой перехода. Приостановить этот процесс можно при помощи теплоотводов (радиаторов).
Но уменьшение размеров и веса блоков, применение интегральных микросхем, интенсивный режим эксплуатации радиоаппаратуры нередко в критериях завышенной температуры окружающей среды — осложняют задачку обеспечения правильного термического режима радиоэлементов.
Чтоб еще на стадии проектирования РЭА убедиться, что в создаваемой конструкции все изготовлено верно и температура ее частей не превзойдет допустимого значения, необходимо высчитать термический режим. Расчет термических действий — одна из главных заморочек, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. нужно сказать, что это достаточно непростая задачка, т.к. она связана с расчетом трехмерных нестационарных действий в областях сложной конфигурации, скажем, снутри телека либо радиоприемника.
1.1.2 Механическое поле в системах РЭС
При проектировании конструкции перед инженером-проектировщиком стоит также задачка нахождения распределения напряжений, либо поля напряжений. время от времени, чтоб выяснить, нарушаются ли данные зазоры меж деталями конструкции, инженеру требуется вычислить перемещение только в определенных точках системы. В отдельных же вариантах, в особенности если перегрузки и должен поначалу задать определяющие уравнения, которые в той либо другой форме обеспечивают выполнение критерий равновесия и сопоставимости. Возникающая в связи с сиим основная трудность, не говоря уже о качествах разрешимости избранных уравнений, состоит в решении вопросца: могут ли данные уравнения правильно отражать выставляемые при проектировании требования к конструкции. При этом сложность геометрии конструкции, также нрава нагрузок и параметров материала обязана быть учтена в этих рассмотрениях.
1.1.3 Электромагнитное поле в системах РЭС
В крайнее время также огромное внимание исследованию и расчетам сложных электромагнитных полей. Это вызвано растущей ролью способов теории электромагнитного поля при проектировании электротехнического и электрического оборудования.
Надежность и достоверность работы РЭА и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к наружным и внутренним, случайным и постоянным помехам. От правильного решения задачки обеспечения помехоустойчивости частей и узлов РЭА зависят как сроки разработки производства и наладки РЭА, так и обычное ее функционирование в процессе использования.
Помехой для аппаратуры является наружное либо внутреннее действие, приводящее к искажению аналоговой либо дискретной инфы в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки либо передачи. Помеха — непредусмотренный при проектировании РЭА сигнал, способный нарушить ее функционирование. Потому что сигналы в РЭА имеют электронную природу, то при конструировании нужно учесть помехи той же природы, как более возможные источники преломления инфы. Помехами могут быть напряжения, токи, электронные заряды, напряженность поля и др. Источники помех разнообразны по физической природе и разделяются на внутренние и наружные.
Внутренние помехи появляются снутри работающей аппаратуры. Источниками электронных помех являются, в главном, блоки питания и токоразводящие цепи. Источниками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии, тактирующие и синхронизирующие цепи следует разглядывать как источники электромагнитных помех. Значимые помехи делают электромагниты, электронные движки, реле и электромеханические устройства. Внутренними помехами являются также помехи от рассогласования волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопротивлениями модулей, которые эти полосы соединяют, также помехи, возникающие по земельным шинам.
Под наружными помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных движков, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., также помехи, вызванные разрядами статического электро энергии и атмосферными явлениями. действие на аппаратуру наружных помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.
Помехи попадают в аппаратуру конкретно по проводам либо проводникам (гальваническая помеха), через электронное (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) либо электромагнитное поле.
Борьба с помехами приобретает все огромную актуальность по последующим причинам.
1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень наружных помех безпрерывно возрастает.
2. Повышение обоюдного воздействия частей из-за уменьшения габаритных размеров активных частей и линий связи меж ними, также повышение плотности их размещения.
3. Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения внедрения наружных устройств с огромным количеством электромеханических узлов.
4. Внедрение РЭА во все сферы людской деятель.
1.2 Введение в САПР ANSYS
Программное обеспечение ANSYS представляет собой более современную, сильную и комфортную систему анализа электрических устройств:
*позволяющую уменьшить число дорогостоящих шагов при проектировании электрического оборудования, связанных с макетированием и экспериментальной доработкой;
*находящую применение в разных отраслях электрической индустрии;
*предлагающую налаженную техно поддержку силами ведущих профессионалов в данной обрасти;
*имеющую удачный интерфейс и легкое для осознания отображение рассчитанной инфы при помощи цвета.
Система ANSYS представляет собой вполне 32-разрядное приложение и поддерживает разные вычислительные платформы: Windows (95/98/2000, NT4/ME), unix.[2]
Программка дозволяет:
— создавать термический, механический, электромагнитный анализ отдельных компонент электрических схем, таковых как однокристальные и многокристальные микросхемы, гибридные и дискретные элементы.
Для термического поля:
— производить моделирование стационарного и нестационарного термических режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонент.
Для механического поля:
— включать в него модули с нелинейными физическими соотношениями, учитывающие такие принципиальные характеристики, как:
? Внутреннее трение и корректные законы прочности;
? Локализацию сдвиговых деформаций в полосы скольжения;
? Процессы упрочнения и разупрочнения;
? Зависимость деформаций от времени;
? Описание действий перегрузки, разгрузки и повторного нагружения;
? Учет эффекта дилатансии (конфигурации размера материала, вызванного деформацией сдвига) и остальных перекрестных эффектов.
Для электромагнитного поля:
— высчитать:
? Полосы векторного магнитного потенциала;
? Вектора магнитной индукции;
? Вектора напряженности магнитного поля,
при этом как для скалярных значений (модулей), так и для векторов. Также все эти результаты можно вывести как в графическом виде, так и виде таблицы распределения по узлам модели;
? Интегральные характеристики, к примеру индуктивность обмотки с током, интегральную электромагнитную силу, высчитать магнитодвижущую силу.
Также имеет интерфейс связи с большинством более всераспространенных систем САПР электрических устройств.
Работа с интерфейсом пакета ANSYS несколько различается от работы с интерфейсом большинства остальных приложений и просит малого навыка работы с ее графическим интерфейсом (с ее системой меню, окон, полос прокрутки, установок).
Программный комплекс МКЭ ANSYS отвечает последующим требованиям:
? высочайший уровень тестирования комплекса на сложных задачках;
? наличие большенный библиотеки конечных частей;
? высочайшая вычислительная эффективность интегрированных решателей для сверхбольших систем алгебраических уравнений (СЛАУ) и процедур численного нелинейного решения;
? поддержка многопроцессорного счета;
? прямой импорт геометрических моделей из более фаворитных CAD — систем, импорт формата IGES;
? наличие различных математических моделей физического поведения материалов, в том числе деформирования (линейно-упругого, нелинейного, пластического, реологического и т.д.);
? открытость комплекса для встраивания доп моделей поведения материалов, разных процедур решений, интерфейсных модулей и даже остальных численных способов.
В истинное время в ANSYS реализован не только лишь МКЭ — в этот пакет внедрены разные процедуры способа контрольных размеров (МКО), способа конечных разностей (МКР) и способа граничных частей (МГЭ), что делает программный комплекс ANSYS всепригодной вычислительной средой с разными вариациями аппроксимации разыскиваемой функции.
При помощи дружеского графического интерфейса пакета ANSYS осуществляется диалоговый (интерактивный) режим работы юзера и компа. Данный интерфейс представляет собой совокупа окон ввода/вывода и разных меню. Существует к тому же так именуемый пакетный режим работы программки. В этом режиме все деяния, начиная от построения модели до нахождения результатов решения и вывода их в текстовой либо графической форме в файл, осуществляются автоматом по программке, написанной на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language — язык параметрической разработки ANSYS). Этот режим неплох тем, что не требуется взаимодействие программки и человека. Таковым образом, приготовленная задачка может решаться, к примеру, на удаленном компе, владеющем большенный производительностью (суперкомпьютере), или на кластере (несколько компов, объединенных сетью). В любом режиме работы пакета создаваемое описание задачки записывается программкой в файл базы данных задачки, который имеет расширение *.db.
1.3 Индивидуальности пакета
1.3.1 Простота использования
Все программки пакета ANSYS имеют обычный интуитивный пользовательский интерфейс на базе командного меню.
Выходными данными являются цветовые карты температуры, температурные градиенты, величины термических утрат, термо потоки, таблицы эпюр напряжений, карты сдвиговых деформаций, карты линий векторов магнитного потенциала, карты распределений векторов магнитной индукции, также векторов напряженности магнитного поля, которые разрешают просто рассматривать результаты расчета.
1.3.2 Высочайшая точность и скорость моделирования
время от времени может потребоваться информация о времени расчета либо размере требуемой оперативки для решения задачки. Схожую информацию вы сможете получить, воспользовавшись командой RUNSTAT [3], вызвав ее из экранного меню: Main Menu > Run-Time Stats).
нужно держать в голове, что RUNSTAT делает прогноз на базе инфы, содержащейся в файле *.db. Потому ее следует употреблять конкретно перед пуском задачки на расчет (когда уже сотворена сетка КЭ, приложены надлежащие перегрузки и избран тип анализа).
1.3.3 Библиотеки
библиотека частей ANSYS содержит наиболее 150 разных типов элемента. Любой тип элемента имеет неповторимый номер и имя, которое идентифицирует категорию элемента: BEAM4, PLANE77, SOLID96, и так дальше.
Доступны последующие группы элемента[4,5]:
Тип элемента описывает:
* набор степени свободы (который в свою очередь описывает дисциплину — структурный, термический, магнитный, электронный, и так дальше).
* находится элемент в 2-ух либо трехмерном пространстве.
Некие элементы могут употребляться при решении задач с разными типами материалов, и потому возникают в перечне в различных категориях.
1.3.4 Учет черт платы и наружной среды
свойства платы и наружной среды являются необходимыми и неотъемлемыми частями термического, механического и электромагнитного анализов.
Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, также на число и размещение частей на их.
1.3.5 Управление выводом результатов расчета
ANSYS записывает результаты решения анализа в текстовый файл Jobname.RTH.
Можно просмотреть эти результаты используя путь: Main Menu>General Postproc.
В ANSYS результаты решения можно просматривать в виде графиков либо таблиц, опосля считывания результатов решения в память.
Для вывода результатов решения можно употреблять последующие пути GUI[4]:
Вывода поля результатов расчета:
Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Element Solu
Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Elem Table
Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu
Для построения векторного поля:
Main Menu> General Postproc> Plot Results> Vector Plot> Pre-defined or Userdefined
Рис 1.2 График векторного поля.
Для вывода результатов решения в табличном виде:
Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution
Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution
Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu
Опосля выбора маршрута GUI, приведенного выше, ANSYS показывает результаты в текстовом окне (тут не приводится).
1.3.6 Область внедрения
В течение крайних лет пакет программ ANSYS развивался в направлении ублажения первоочередных потребностей разрабов с учетом динамики развития технологии в разных областях электрической индустрии. Упругость пакета и долголетний опыт команды разрабов дозволяет с уверенностью утверждать, что самые различные проекты могут быть удачно промоделированы.
1.3.6.1 Галлактическое и авиационное приборостроение
Огромное количество юзеров программного обеспечения ANSYS занято в галлактической и авиационной индустрии, где они занимаются разработкой различных галлактических летательных аппаратов, спутников, орбитальных станций, самолетов, ракет[6].
Важную роль в движке играют силовые элементы, корпуса, силовые стойки. способности товаров ANSYS разрешают проводить прочностной анализ с учетом действия температурных потоков, радиационного термообмена, контактных сопротивлений, упругих и пластических деформаций.
Программный комплекс ANSYS обеспечивает наиболее четкий и резвый анализ конструкции хоть какой трудности. Наличие в нем интегрирующей среды проекта ANSYS Workbench дозволяет встроить систему ANSYS в систему Product Development Management (PDM), по этому достигается еще наиболее действенный и структурированный подход к организации процесса проектирования.
На рисунках мы можем увидеть приобретенные системным продуктом ANSYS[6]:
1.3.6.2 Нефтегазовая индустрия
Нефтегазовое оборудование комплектуется металлической запорной трубопроводной арматурой. наличие дефектов, перегревов разных участков являются предпосылкой наиболее 80% отказов трубопроводной арматуры, которые приводят к нарушению обычного режима функционирования оборудования либо к аварийным ситуациям, последствиями которых могут стать экономические утраты, повреждение оборудования, загрязнение окружающей среды и пр. При помощи ANSYS было проведено исследование на распределение температур [7] (рис 1.7), зависимо от граничных критерий и с указанием критерий конвективного термообмена с рабочей и окружающей средами (рис. 1.6)
Рис. 1.6 Распределение температуры по трубопроводной арматуре с указанием критерий конвективного термообмена с рабочей и окружающей средами
Рис. 1.7 Распределение температуры по трубопроводной арматуре зависимо от граничных критерий
1.3.6.3 электрические устройства для каров
В авто индустрии используются устройства, имеющие огромные токи употребления. наличие огромных токов приводит к интенсивному выделению тепла проводниками печатных плат. Программный комплекс ANSYS обеспечивает четкий и резвый анализ конструкции, что дозволяет произвести верный расчет, для наиболее надежной работы устройства.
1.3.6.4 Телекоммуникационное и промышленное оборудование
В данных отраслях к оборудованию предъявляются завышенные требования по надежности, в то время как само оно выполнено в виде довольно сложных комплексов с огромным числом задействованных шифанеров, модулей, блоков и плат. Для облегчения построения проектов такового рода служит интерфейс с разными системами проектирования.
1.3.6.5 Источники питания
Изюминка источников питания состоит в том, что в их употребляются элементы, имеющие значительную высоту. Высочайшие составляющие могут стать доп препятствиями охлаждающим потокам воздуха, что может привести к перегреву отдельных частей устройства. При моделировании данного вида устройств, благодаря тому, что программный продукт ANSYS выводит калоритные и легкие для осознания карты распределения температур просто созидать, какие участки подвергаются большему прогреву.
1.4 Сопоставление с подобными САПР
В современных критериях к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), кроме соответствия основному набору технических черт, предъявляется ряд жёстких требований, направленных на увеличение технологичности, надёжности, сокращения продолжительности и цены цикла проектирования[8]. Все эти задачки нереально решить без особых систем автоматического проектирования, позволяющих уменьшить число дорогостоящих шагов проектирования, связанных с макетированием, испытаниями и следующей доработкой макета по результатам испытаний. Очень важную роль тут играют программные средства математического моделирования термических действий, протекающих в РЭА.
Обычно задачки оценки термических, механических, электромагнитных режимов работы РЭА решались на оканчивающих шагах проектирования средством проведения стендовых испытаний, где макет РЭА подвергался действию всех обсужденных в техническом задании термических дестабилизирующих причин по заблаговременно определённой программке. информация о разных действиях, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, собиралась при помощи системы особых устройств. Но, у такового подхода есть весьма серьёзный недочет: в испытаниях должен участвовать особый макет либо готовое изделие, а как следует, им должны предшествовать этапы конструирования и производства макета, на которые приходится большая часть затратных расходов и значимые временные издержки.
Намного разумнее было бы сразу со схемотехническим проектированием проводить математическое моделирование действий разных типов и электромагнитной сопоставимости, что позволило бы на самых ранешних шагах проектирования заносить конфигурации в схему и систему разрабатываемый РЭА.
несколько лет вспять на рынке САПР возникли программные средства для моделирования термических, механических и электромагнитных действий. Большая часть из их представляют собой спец системы, дозволяющие моделировать термо, механические и электромагнитные процессы в типовых системах самой различной трудности — от подложек гибридных интегральных схем и кристаллов интегральных схем, печатных плат до блоков и стоек.
тут можно отметить такое программное обеспечение, как BETAsoft компании Dynamic Soft Analysis, ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный спецами Красноярского Муниципального Технического Института (КГТУ) и Столичного Муниципального Института Электроники и Арифметики (МИЭМ), ANSYS, ELCUT, ADAMS, LS — DYNA.
Приведем ряд неких особенностей каждой из представленных программ. Для этого кратко разглядим предоставляемые способности данных пакетов, также их недочеты.
1.4.1 Асоника-Т
Подсистема анализа и обеспечения термических черт радиоэлектронной аппаратуры АСОНИКА-Т (заходит в состав Автоматической системы Обеспечения Надёжности и Свойства Аппаратуры) была разработана группой профессионалов кафедры «Приборостроение» Красноярского муниципального технического института (КГТУ) и кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Столичного муниципального института электроники и арифметики (МГИЭМ)[8].
программка создана для работы на индивидуальных компах под управлением ОС Windows 95/98/NT/2000 и дозволяет делать моделирование стационарных и нестационарных термических действий в системах радиоэлектронной аппаратуры.
В состав подсистемы входят неповторимые программные комплексы, дозволяющие синтезировать модели термических действий в автоматическом режиме по сделанной в специальной графической среде геометрической модели конструкции.
Подсистема дозволяет решать последующие задачки:
? определение термических режимов работы всех радиокомпонентов и материалов несущих конструкций с учётом особенностей эксплуатации РЭА различного предназначения (для аэрокосмической и авто техники, морских судов и так дальше);
? внесение конфигураций в систему с целью заслуги данных коэффициентов термический перегрузки радиокомпонентов;
? выбор наилучшего варианта конструкции аппаратуры исходя из убеждений её термических режимов из нескольких имеющихся;
? обоснование необходимости доборной защиты РЭА от термических действий;
? создание действенной программки испытаний аппаратуры на термо действия (выбор испытательных действий, более удачное размещение мест установки датчиков и т.п.).
В состав подсистемы заходит графический редактор, позволяющий сформировывать геометрическую модель исследуемого объекта и отражать на ней конструктивные индивидуальности печатных плат (рис. 1.10, 1.11), гибридных интегральных схем и многофункциональных ячеек — печатных плат, выполняемых на базе железного основания со сложной системой сквозных и несквозных вырезов, контуров из термических шин и теплостоков (рис. 1.12).
Набросок 1.10. Геометрическая модель печатной платы с системой сквозных вырезов и системой термических шин
Набросок 1.11. Интегральная схема с контуром из термических шин и системой сквозных вырезов
Набросок 1.12. Геометрическая модель многофункциональной ячейки с системой несквозных вырезов, термических шин и теплостоком
Редактор имеет удачный пользовательский интерфейс и дозволяет делать огромное количество операций:
? располагать, перемещать, удалять и копировать радиокомпоненты по одному либо целыми группами;
? задавать либо поменять их характеристики;
? соединять воединыжды группу радиокомпонентов в один элемент с автоматическим пересчётом его геометрических и теплофизических характеристик;
? делать переориентацию радиокомпонентов на плоскости несущей конструкции;
? просматривать сразу схемы размещения компонент на обеих сторонах несущей конструкции;
? создавать и редактировать модель несущей конструкции (сформировывать и располагать печатные проводники силовых цепей, термо шины и контуры из шин, системы сквозных и несквозных вырезов, зоны с разными типами критерий остывания и т.п.).
При прорисовке геометрической модели исследуемого объекта употребляются особые библиотеки термических моделей компонент. В подсистеме находится особый модуль, который дозволяет рассчитывать геометрические и теплофизические характеристики радиокомпонентов при разных вариантах установки их на несущую систему (рис. 1.14) и сохранять в специальной базе данных. В процессе построения проекта разраб может выделить хоть какой компонент на геометрической модели конструкции, опосля что просмотреть и/либо поменять один либо всё огромное количество первичных характеристик радиокомпонента и выполнить повторный расчёт его геометрических и теплофизических характеристик с следующим их сохранением в базе данных (рис. 1.13).
Набросок 1.13 Работа с геометрическими и теплофизическими параметрами радиокомпонента
Набросок 1.14 Выбор из библиотеки нужного варианта установки радиоэлемента и его структуры
Подсистема термического моделирования создана для работы в тесноватой интеграции с иными САПР РЭА( P-CAD 2001, Protel 99 SE, OrCAD 9.2, Allegro, Specctra, также старенькых, но всё ещё распространённых в Рф, версиях P-CAD 4.5-8.7).
Графический редактор и математическое программное обеспечение подсистемы разрешают учесть условия эксплуатации, также конструкторско-технологические ограничения, накладываемые на РЭА различного предназначения. Так, а именно, термо шины, контуры из термических шин и системы вырезов, вместе с заданием локальных граничных критерий, разрешают отразить индивидуальности авиационной РЭА. Слоистая структура, система теплостоков, огромное количество локальных граничных критерий и описание источников тепловыделения в виде многофункциональных временных зависимостей разрешают отразить индивидуальности РЭА галлактических и морских объектов. системы печатных проводников силовых цепей, вместе с системой вырезов и локальных граничных критерий, разрешают отразить индивидуальности авто радиоэлектронного оборудования.
Индивидуальности остывания моделируемого объекта учитываются в подсистеме через задание глобальных (рис. 1.15) либо локальных (рис. 1.16) граничных критерий, которые описываются на уровне всех и/либо отдельных поверхностей либо локальных зон несущей конструкции. Широкий набор типов критерий остывания, применяемый в программке, дозволяет моделировать: снятие тепла с несущей конструкции средством контактного термообмена; лучистый термообмен; естественную (в неограниченных и ограниченных местах) и принужденную (обдув и продув) конвекции; теплопередачу к поверхности с данной температурой через известное термическое сопротивление и т.п.
Набросок 1.15. Задание глобальных граничных критерий для многофункциональной ячейки с системой теплостоков
Набросок 1.16. Пример выделения локальных зон с граничными критериями, позволяющими учесть неизотермичность воздушного потока
В итоге моделирования, разрабом быть может получена последующая информация (в графическом виде либо в виде файла отчёта): температуры корпусов и активных зон радиокомпонентов; термо поля шин; изотермы несущей конструкции (рис.1.17); термограммы разрабатываемой конструкции (рис.1.18); изображение лишь перегревшихся частей; распределение мощностей по радиокомпонентам; коэффициенты термический перегрузки радиокомпонентов; графики зависимости температур радиокомпонентов от времени. Отметим, что некие из перечисленных черт недосягаемы в забугорных системах термического моделирования.
Набросок 1.17 Изотермы многофункциональной ячейки устройства вторичного электропитания, входящего в состав галлактической аппаратур
Набросок 1.18 Термограмма печатного узла устройства приёма и обработки видеосигналов
Данный программный комплекс дозволяет в очень гибкой форме создавать и рассматривать модели сложных конструкций высших уровней иерархии (крейты, стойки, стеллажи) с учётом их конструкторско-технологических особенностей и алгоритмов функционирования.
Набросок 1.19. анализ термических режимов конструкций верхнего уровня иерархии
Все модули программки имеют двуязычный (британский и российский) пользовательский интерфейс и интерактивную справочную систему.
Для моделирования на ПЭВМ стационарных и нестационарных термических действий, протекающих в системах РЭС, таковых как стоечные конструкции, блоки с постоянной и нерегулярной структурами, печатные узлы(ПУ), многофункциональные ячейки (ФЯ), микросборки (МСБ) существует комплекс ТРиАНА, входящий в состав подсистемы АСОНИКА-Т.
Целью моделирования, проводимого с помощью комплекса ТРиАНА, является получение термических полей конструкций РЭС 3-го и 4-го уровней конструктивной иерархии (температур конструктивных узлов, частей и потоков хладоносителя в сети каналов конструкции стойки либо крэйта), термических полей конструктивных узлов 2-го уровня конструктивной иерархии (термических полей оснований многофункциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов).[9]
В целом комплекс дозволяет решать последующие задачки:
* определение термических режимов работы всего огромного количества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно- технологических и эксплуатационных особенностей РЭС различного предназначения (авиационной, галлактической, морской; авто и др. РЭС) и внесение конфигураций в систему с целью обеспечения нужного (исходя из убеждений электронных черт либо характеристик надежности и т.п.) термического режима работы РЭС;
* выбор наилучшего варианта конструкции РЭС из нескольких имеющихся, исходя из убеждений термических черт;
* обоснование в необходимости доборной защиты РЭС от температурных действий;
* создание действенной программки испытаний аппаратуры на термо действия (выбор характеристик испытательных действий, более комфортное размещение мест установки регистрирующих датчиков и т.п.).
ПК (Персональный компьютер — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем) ТРиАНА-2.00 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и в составе ПК (Персональный компьютер — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем) последующих программных единиц: MTPEditor, MTPViewer, BoardEditor, Conv2triana, Triana.
* графический редактор топологических моделей термических действий (МТП) MTPEditor, позволяющий: сформировывать МТП конструкций РЭС с параметрическим описанием их компонент, использующих геометрические и теплофизические характеристики графических образов исследуемых узлов и/либо конструкций РЭС в целом; показывать результаты моделирования конкретно на топологической модели;
* графический редактор конструкций РЭС типа «печатный узел», «многофункциональная ячейка», «гибридно-интегральная схема либо микросборка»,
BoardEditor, который дозволяет создавать геометрические модели конструкций ПУ, ФЯ, МСБ с позиций исследования в их термических действий; вести базу данных по геометрическим и теплофизическим характеристикам электрорадиоэлементов; показывать результаты моделирования на геометрической модели исследуемого конструктивного узла;
* конвертор топологий печатных плат Conv2triana, реализующий функции автоматического преобразования главных характеристик несущей конструкции (НК) ПУ, ФЯ либо МСБ, также схемы размещения ЭРЭ на НК из форматов систем топологического проектирования печатных плат (PCAD, ACCEL и др.) в формат ПК (Персональный компьютер — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем) ТРиАНА;
* математическое ядро Triana, включающее в собственный состав: набор специализированных программ, реализующих функции автоматического синтеза моделей термических действий конструктивных узлов РЭС на базе их геометрической модели и температурных критерий их эксплуатации (граничные и исходные условия); набор модулей, выполняющих функции: формирования математических моделей для моделирования термических действий исследуемой конструкции в стационарном и нестационарном режимах; анализа математической модели, которая быть может сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений либо системы обычных дифференциальных уравнений; библиотеку аналитических моделей (набор критериальных уравнений) для анализа разных видов термообмена и их модификаций (в библиотеке содержится около 70 разделов).
вместе с программкой поставляются интерфейсы связи с системами (PCAD-4,5, PCAD-8, PCAD- 2001, ACCEL EDA, Orcad-9.1, Protel, MicroSim). Конвертор дозволяет вести преобразование данных файлов *.pcb и *.pdf.
Программный пакет Тriana дозволяет работать с 3D-моделью при активизации функции зрительного интерфейса “3D-модель”. При всем этом возникает особое окно, в каком отображается 3D-модель КУ (рис. 1.20).
Рис 1.20 3D-модель КУ
Для работы с 3D-моделью доступны последующие операции:
* поворот КУ в пространстве;
* изменение масштаба отображения 3D-модели КУ;
* сдвиг 3D-модели КУ в плоскости обзора;
* выбор обычного вида отображения 3D-модели КУ;
* обновление эскиза 3D-модели КУ;
* отображение результатов моделирования на 3D-эскизе КУ.
Рис 1.21 Результаты термического анализа 3D-модели КУ
1.4.2 BETAsoft
Программное обеспечение BETAsoft компании Dynamic Soft Analisys представляет собой более современную, сильную и комфортную систему термического анализа электрических устройств [10,11].
Главные способности:
— дозволяет создавать моделирование стационарного и нестационарного термических режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонент;
— поддерживает разные вычислительные платформы: Windows (3.1, NT, 95/98), unix, DOS;
— имеет интерфейс связи с большинством более всераспространенных систем САПР электрических устройств: VeriBest, PADS, ACCEL (PCAD & Tango), OrCAD, Mentor, Allegro, Cadstar, Protel, и др.
Для проектирования ПП с учетом ее термических черт BETAsoft дает принципно новейший подход к проектированию и термическому анализу, сущность которого состоит в том, что можно начать термическое моделирование, которое начинается фактически по нажатию одной клавиши и работает в связке с пакетом проектирования ПП. По мере доработки проекта ПП термическое моделирование проводится опять уже с учетом внесенных доработок и конфигураций — таковым образом, реализуется итеративный способ. Исходя из убеждений пакета BETAsoft вносимые в топологию конфигурации можно условно поделить на три уровня:
? перемещение компонент, изменение направления воздушных потоков и изменение толщины экранных слоев;
? добавление частей теплоотводов: радиаторов и теплопроводящих подложек, а так же теплопроводящих креплений компонент;
? добавлений локальных участков металлизации и изменение характеристик термобарьеров.
Начальной информацией для проведения анализа служит полное трехмерное определение внутренней структуры компонента с учетом наличия нескольких слоев из разных материалов и подключения наружных, может быть, изменяющихся во времени источников питания.
Результаты моделирования, приобретенные на любом шаге, сохраняются и сравниваются, что дозволяет системе избрать лучший вариант. Реализация такового способа имеет смысл лишь в том случае, если термическое моделирование вправду может проводиться фактически наряду с внесением конфигураций, другими словами практически одномоментно. BETAsoft удалось воплотить такую систему за счет скоростных алгоритмов расчета термических действий: так, к примеру анализ ПП, состоящей из 100 компонент, проводится наименее чем за 15 секунд на компе P III 800 МГц.
В состав программного обеспечения BETAsoft входят несколько программ, которые разрешают высчитать температуру и градиент температуры на разных участках печатной платы, температуры отдельных компонент и переходов, опосля что выдать предупреждение о вероятном превышении очень допустимой температуры. Промоделированные при помощи программ BETAsoft устройства отыскали применение в галлактической, авиационной, оборонной, авто индустрии, также в вычислительном, мед, телекоммуникационном и измерительном оборудовании.
Для определения температуры разных частей устройства делается анализ переходных действий и анализ в стационарном режиме. Наружные условия остывания могут быть получены из программки BETAsoft-Board, что дозволит моделировать работу устройства в критериях, очень приближенных к настоящим[11].
Рис 1.22 карта распределения температуры
Рис 1.23 График зависимости конфигурации температуры от времени
Данные, приобретенные при помощи данной для нас программки, дозволят юзерам верно избрать технологию упаковки устройства в корпус, способ отвода тепла, а означает, существенно повысить надежность конечного изделия.
Получить результаты расчета можно с точностью 10% . В процессе анализа производится полное трехмерное моделирование суммарного поля течения и отдельных теплоносителей с учетом теплопроводимости, конвекции и термического излучения. способ конечных разностей с адаптивными улучшенными локальными ячейками дозволяет за малое время получить очень четкие результаты. Моделирование производится в среднем, в 50 раз резвее, чем в остальных программках, использующих способ конечных частей.
Все программки пакета BETAsoft имеют обычный интуитивный пользовательский интерфейс на базе командного меню. Модуль BETAsoft-Board содержит библиотеки, насчитывающие около 2500 разных компонент и наиболее 45 материалов с указанием их проводимости, при этом может быть создание новейших компонент и материалов.
Выходными данными являются цветовые карты температуры и градиента, которые разрешают просто рассматривать результаты расчета. Необъятные способности отображения результатов расчета разрешают создавать в обычных текстовых редакторах калоритные и легкие для осознания отчеты.
Вся информация о компонентах, применяемых модулем BETAsoft-Board, хранится в 2-ух специализированных библиотеках. 1-ая из их — Working Library — создается при помощи интерфейса импорта из системы проектирования и содержит составляющие из разработанной вами печатной платы. 2-ая — Master Library — содержит 2500 вполне определенных, готовых к применению компонент, при этом размер ее не ограничен. Составляющие могут быть без усилий перенесены из Working Library в Master Library при помощи всего только нескольких щелчков мыши.
Рис. 1.24 Окно импорта из Working Library в Master Library
Модуль BETAsoft-Board дозволяет моделировать тепловое месте открытого либо закрытого корпуса, при всем этом будет учитываться отвод тепла через крепежные устройства и особые радиаторы, также наличие естественной и принудительной вентиляции. Может быть моделирование с учетом гравитации, атмосферного давления и направления воздушного потока. К разным элементам системы могут быть подключены разные теплоотводы, термо трубы, охлаждающие вентиляторы и просто металлизированные контактные площадки.
Пакет BETAsoft дозволяет без усилий моделировать рассеяние тепла через особые теплоотводы, проводящие контактные площадки и элементы крепления с учетом естественной и принудительной вентиляции, конфигурации атмосферного давления и силы тяжести. Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, также на число и размещение частей на их.
Оценка температуры компонент
Важнейшей задачей термического анализа является оценка температуры корпусов компонент платы и переходов. Пакет BETAsoft дозволяет высчитать среднюю температуру корпуса элемента, а доп модуль THETA дает возможность найти температуру переходов. Рассчитанные результаты показываются на чертеже платы при помощи разных цветов, что дает возможность без усилий найти степень нагрева частей. Имеется возможность вывода численных значений рассчитанных температур в табличной форме.
Поиск перегревающихся частей
Интенсивность отказов компонент имеет экспоненциальную зависимость от температур переходов и определяется применяемой технологией производства интегральных схем. Как следует, разные типы компонент имеют разные максимально допустимые температуры. Модуль BETAsoft-Board дозволяет персонально задавать предельные температуры для разных частей и показывать на дисплее при помощи цвета разницу меж лишь что рассчитанной температурой корпуса и сиим пределом (рис 1.26).
карта прогрева печатной платы
Пакет BETAsoft дозволяет высчитать и составить карту прогрева анализируемой печатной платы. Вследствие существования явления температурного расширения физических материалов, области платы с завышенной температурой могут претерпевать разные деформации, к примеру, вспучиваться и скоробливаться. Это в свою очередь может стать предпосылкой отслаивания печатных проводников и разрушения паяных контактов, в особенности в проектах, выполненных по технологии поверхностного монтажа. Своевременная идентификация таковых областей дозволит избежать разрушительных последствий в процессе испытаний и эксплуатации уже сделанных изделий.
Расчет температурного градиента
Модуль BETAsoft-Board дозволяет высчитать карту температурных градиентов. наличие высочайшего температурного градиента, обычно, приводит к термическому удару, обусловленному большенный различием в критериях температурного расширения разных участков платы. наличие таковых областей при неоднократном повторяющемся нагревании и охлаждении может привести к разрушению как самой платы, так и расположенных на ней частей. программка моделирования дозволяет вовремя предсказать наличие этих областей и принять меры по их устранению.
Модуль BETAsoft-System
программка BETAsoft-System дозволяет создавать термический анализ больших модулей электрического оборудования, к примеру, блоков, крейтов и шифанеров. тут учитываются самые различные физические эффекты и причины: движение теплого потока ввысь с учетом силы тяжести, температуру окружающей среды, силу ветра, интенсивность солнечного излучения, препятствия на пути воздушного потока и наличие контакта с крепежными элементами. При термическом анализе поведения плат учитываются: мощность, рассеиваемая каждой отдельной платой, высота применяемых частей и плотность их расположения, термическое сопротивление крепления и предельные температуры переходов. Отметим, что при моделировании при помощи модуля BETAsoft-System системы из нескольких плат, совсем не непременно буквально задавать их топологию.
Благодаря результатам, приобретенным в процессе анализа при помощи программки BETAsoft-System, юзер может избрать верный способ остывания проектируемого устройства, улучшить размещение блоков и плат с целью обеспечения наиболее равномерного тепловыделения. В итоге все это непременно приведет к понижению массогабаритных черт оборудования и увеличению его надежности.
1.4.3 ELCUT
1.4.3.1 Главные сведения
ELCUT — программка моделирования двумерных полей способом конечных частей. программка дозволяет рассчитывать поля электронной, магнитной, температурной природы, также механические упругие напряжения и деформации. ELCUT, кроме интерфейса на российском языке, различается от схожих пакетов 2-мя чертами:
? дружеский, интуитивно ясный пользовательский интерфейс;
? высочайшая скорость решения задач и нетребовательность к ресурсам компа.
юзер может начать работу с ELCUT фактически сходу, не отвлекаясь на исследование математических основ вычислительных алгоритмов и особенностей их реализации.
Обычно считается, что полевые расчеты используются в вариантах, когда нужно изучить локальные индивидуальности проектируемой конструкции либо уточнить имеющиеся инженерные методики. Легкость ELCUT, степень автоматизации рабочих процедур и интуитивная ясность интерфейса дают возможность употреблять пакет не только лишь в исключительных ситуациях, да и в ежедневных расчетных процедурах. Новенькая черта ELCUT — возможность воззвания к его функциям из посторониих программ — дозволяет соединять воединыжды полевые расчеты с иными видами анализа, также интегрировать ELCUT в комплекс программ САПР компании.
1.4.3.2 Предназначение пакета ELCUT и обзор главных типов задач
ELCUT представляет собой интегрированную диалоговую систему программ позволяющую решать последующие плоские и осесимметричные задачки:
— Линейная и нелинейная магнитостатика.
— Магнитное поле переменных токов (с учетом вихревых токов).
— Нестационарное магнитное поле.
— Электростатика.
— Электронное поле переменных токов в несовершенном диэлектрике.
— Растекание токов в проводящей среде.
— Линейная и нелинейная, стационарная и нестационарная теплопередача.
— Линейный анализ напряженно-деформированного состояния.
— Связанные задачки.
Редактор модели дозволяет просто и стремительно обрисовать геометрию модели. Также можно импортировать фрагменты модели из AutoCAD либо остальных систем проектирования. При построении сетки конечных частей можно употреблять комфортные средства управления ее густотой либо вполне довериться автоматической системе построения сетки. Источники и граничные условия вполне независимы от сетки, и могут быть изменены в хоть какое время.
При помощи ELCUT юзер может в течение 1-го сеанса обрисовать задачку — характеристики сред, источники поля, граничные и остальные условия, решить ее с высочайшей точностью и проанализировать решение при помощи средств цветной графики. ELCUT дозволяет решать сложные задачки расчета полей на индивидуальных компах, не прибегая к помощи огромных ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) либо рабочих станций.
1.4.3.3 Главные сведения о организации ELCUT
ELCUT употребляет последующие типы документов, относящиеся к каждой определенной задачке:
— описание задачки;
— геометрическая модель;
— физические характеристики;
— результаты решения;
Описание задачки соответствует каждой физической задачке, решаемой с помощью ELCUT, которое при записи на диск помещается в файл с расширением *.pbm. Этот документ содержит общие свойства как тип задачки («Электростатика», «Магнитостатика», «Теплопередача» и пр.), класс модели (плоская либо осесимметричная) и пр., также имена остальных документов, ассоциированных с данной задачей. Не считая этого описание задачки содержит ссылки на все другие файлы, использующиеся в задачке. К их числу относятся файл геометрии модели, имеющий обычное расширение mod и файлы физических характеристик, имеющие одно из расширений des, dms, dcf, dec, dht либо dsa зависимо от предметной области задачки.
Пакет ELCUT дозволяет создавать геометрические модели объектов хоть какой конфигурации и трудности. Рис. 1.31 показывает возможность сотворения блоков различной геометрии, границы которых образованы набором дуг окружностей и прямых линий.
Физические характеристики либо Данные различаются для различных типов задач (характеристики для электростатики, характеристики для вихревых токов и т.д.) Эти документы содержат значения параметров материалов, источников поля и граничных критерий для различных помеченных геометрических объектов модели. документ параметров быть может применен как библиотека материалов для разных задач.
Задачка может ссылаться на два документа физических параметров сразу: один из их, именуемый справочник параметров, содержит характеристики нередко применяемых материалов (библиотека материалов), а иной документ содержит данные, специфичные для данной задачки либо группы задач.
Рис. 1.31. Окно геометрической модели ELCUT с примерами построения объектов сложной конфигурации
В процессе решения задачки ELCUT делает очередной файл — файл результатов. Этот файл постоянно имеет расширение res, имя, совпадающее с именованием файла описания задачки, и помещается в ту же папку, в какой находится файл описания задачки.
Интерактивный постпроцессор дозволяет просмотреть результаты расчета в разных формах представления: полосы поля, цветные карты, графики разных величин вдоль случайных контуров и пр. Можно вычислять разные интегральные величины на данных юзером линиях, поверхностях либо размерах. Постпроцессор обеспечивает вывод таблиц и рисунков в файлы для предстоящей обработки либо высококачественной графической печати.
программка просто осваивается и отлично подступает для обучения студентов технических специальностей. Для ознакомления с способностями программки существует бесплатная студенческая версия с примерами задач, для покупателей — поддержка в режиме настоящего времени по электрической почте и телефону.
1.4.3.4 Способности пакета
1. Модуль магнитостатика быть может применен для расчета и анализа устройств таковых как соленоид, электронные машинки, магнитные экраны, неизменные магниты, магнитные диски, и т.п.
способности:
— Материалы: линейные и нелинейные
]]>