В настоящее время применение автоматизированных средств проектирования в процессе разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) стало нормой. Одновременно с ростом сложности электронной аппаратуры, к которой относятся и БЭУ, происходит совершенствование средств проектирования, разрабатываются новые методы, модели и методики, на основе которых создается математическое, методическое, программное, информационное обеспечение. Главная цель всех этих разработок — повысить оперативность и качество проектирования, что, в свою очередь, позволит повысить конкурентоспособность изделий.
Одним из основных направлений в данной области является применение средств математического моделирования разнородных физических процессов (электрического, теплового, аэродинамического и механического) в БЭУ, которые позволяют заменить дорогостоящие длительные испытания более быстрыми и дешевыми вычислительными экспериментами.
Таким образом, с помощью математического моделирования решаются следующие задачи:
1. Обоснование изменений в конструкции БЭУ, необходимых для удовлетворения требований технического задания, без проведения испытаний. Предпосылкой к этому является невозможность эмпирических поисков приемлемого варианта конструкции БЭУ, представляющего собой систему многих тел с источниками и стоками энергии, сложным образом распределенных в пространстве и времени [41]. При этом конструктивные элементы БЭУ имеют большое количество возможных комбинаций размеров, форм, условий размещения в пространстве, параметров материалов и т. д.
2. Выявление скрытых системных отказов, проявляющихся при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляющихся, если воздействие тех же факторов разнесено во времени. Проведение комплексного математического моделирования для выявления системных отказов может иметь решающее значение при обеспечении надежности работы аппаратуры в реальных условиях эксплуатации. Это связано с тем, что проведение соответствующих испытаний отсутствует необходимая испытательная база.
Однако данный подход имеет недостатки, главный из которых состоит в том, что комплексное моделирование устройства в целом осуществляется на этапах проектирования, когда принципиальные решения относительно многих параметров конструкции (габаритных размеров, размещения компонентов, способов виброизоляции и отвода тепла и т. д.) приняты и детально проработаны. Но их объединение не позволяет обеспечить требования технического задания ввиду того, что между отдельно разрабатывавшимися частями существовали связи, о которых проектировщики не подозревали. В результате получается, что выявленные недостатки невозможно устранить путем лишь частичного изменения отдельных конструктивных элементов, так как в процессе разработки возникновения именно такой ситуации не было учтено. Причем затраты на кардинальную переделку конструкции и электрической схемы БЭУ к этому моменту становятся сравнимыми с началом новой разработки. Причина данного явления кроется в высокой сложности процессов, протекающих в современных БЭУ. Поэтому разработчик, руководствуясь только собственным опытом, часто не в состоянии предсказать режимы их работы даже качественно.
Выходом из положения может быть применение методов и средств информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ (следующих непосредственно за этапом получения технического задания) в виде программ и методик комплексного математического моделирования.
Так как для ранних этапов проектирования нет какого-нибудь единодушно принятого определения, в данной диссертационной работе к ним отнесен этап эскизного проектирования, в особенности те его стадии, когда принимаются принципиальные решения (определяются габаритные размеры, компоненты, способы виброизоляции, система охлаждения и т. д.). Причем данные принципиальные решения должны позволять обеспечить две основных характеристики БЭУ: выполнение электрической схемой функций, определенных в техническом задании, при наличии жёстких внешних физических воздействий тепловых и механических факторов, изменяющих электрические параметры радиоэлементовнадёжность, т. е. высокую первичную безотказность (при нормальных условиях эксплуатации), а также надежность при комплексном воздействии электрической, тепловой и механической нагрузки на электрорадиоэлементы.
Поэтому в данной диссертационной работе к средствам информационной поддержки ранних этапов проектирования БЭУ отнесено следующее: программное, математическое, методическое и информационное обеспечение комплексного моделирования электрического, теплового, аэродинамического и механического процессов в БЭУ с использованием параметризованных моделейпрограммное обеспечение обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ (теоретическая информация, практические задания и лабораторные практикумы для обучения комплексному математическому моделированию разнородных физических процессов в БЭУ) — программное и информационное обеспечение, предназначенное для предоставления информации в рамках предметной области, к которой относятся: параметризованные комплексные модели физических процессов в БЭУгеометрические и теплофизические параметры элементов конструкций БЭУпримеры конструкторских решений и экспертные рекомендации по разработке БЭУ.
В связи с тем, что для выбора верного направления разработки БЭУ необходимо исследовать и сравнить между собой несколько принципиально разных вариантов конструкций, основным требованием к моделированию на ранних этапах является минимальное время его проведения. Использованию программных средств математического моделирования на ранних этапах проектирования мешают такие факторы как: длительное время построения и анализа упрощенных моделей БЭУ (свойственных ранним этапам разработки) сопоставимое со временем исследования полной моделисложность изменения параметров существующих моделей при исследованиях в рамках работ по приведению их в соответствие с новыми условиями и требованиямиограниченность информации относительно параметров объекта разработки, без которых моделирование проводиться не можетсложность учета взаимного влияния действующих на БЭУ факторов, в особенности тепловых и механических воздействийотсутствие квалифицированных кадров и т. д.
Вопросам моделирования тепловых процессов ряд работ таких авторов, как: Алексеев В. А. [2−5], Дульнев Г. Н. [39−41], Кутателадзе С. С. [71], Леонтьев А. И. [103], Лыков А. В. [73, 74], Михеев М. А. [80], Петухов Б. С. [86], и др. Теория моделирования потов жидкости и газа рассмотрена в трудах Идельчика И. Е. [46], Кутателадзе О. С. [70], Норенкова И. П. [82, 83], Трудоношина В. А. [100]. Моделирование тепловых процессов в электронной аппаратуре с учетом аэродинамических факторов описано в работах Дульнева Г. Н. и Резникова Г. В. [94, 95] Моделированию механических процессов посвящены труды Маквецова Е. Н. [75−77], Писаренко Г. С. [87], Тартаковского A.M. [76, 77, 102], Тимошенко С. П. [104]. В данных работах освещены общие вопросы взаимосвязи тепловых и аэродинамических, а так же тепловых и механических процессов.
В МИЭМ вопросами моделирования физических процессов и автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств занимались: Батуев В. П. [9], Борисов Н. И. [10], Галиулин В. М. [32], Грачев Н. Н. [36], Гридин В. Н. [37], Засыпкин С. В. [45, 60], Кожевников A.M. [52], Кофанов Ю. Н. [54−68], Коновальчук А. С. [53], Крищук В. Н. [69], Лисицын А. В. [72], Сарафанов А. В. [34−35, 62, 97−99], Солодовников И. В. [101], Шалумов А. С. [55, 62, 64, 67], Желтов Р. Л. [44].
Эти и другие авторы внесли большой вклад в теорию и практику применения математического моделирования в процессе разработки электронной аппаратуры. Однако, в работах данных авторов недостаточно внимания уделено решению вопросов комплексного моделирования БЭУ на ранних стадиях проектирования, в частности вопросам параметризации моделей и обучения моделированию.
Как показал проведенный в диссертационной работе обзор, большинство из существующих в настоящее время программных средств анализа тепловых и механических процессов, таких как: ANSYS, NASTRAN, WinTherm, Cosmos/Works, SINDA и др., ориентированны на проведение моделирования машиностроительных конструкций, а не электронных устройств, с чем сопряжен ряд трудностей ввода и проведения расчета. В частности для печатного узла невозможно промоделировать его точную трехмерную геометрическую модель, так как возникают ошибки на этапе построения конечно-элементной сетки. Для устранения этого недостатка приходится проводить его идеализацию и упрощение. Однако и после этого остаются трудности, связанные с установкой большого количества сопряжений и задания граничных условий. Кроме того, данные программы позволяют только частично учесть взаимосвязь электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов, протекающих в БЭУ.
С другой стороны системы, ориентированные на анализ электронных устройств, такие как АСОНИКА-Т и BetaSoft не позволяют моделировать механический и аэродинамический процессы, а так же электрические схемы. Поэтому для проведения моделирования всех протекающих в БЭУ физических процессов, даже после того, как все необходимые параметры и характеристики конструкции и электрической схемы определены, необходимо использовать несколько различных систем, причем часто эти системы не совместимы на уровне входной/выходной информации, что создает дополнительные трудности.
Следует отметить, что существующие программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении, поэтому самостоятельное их изучение — процесс длительный и сложный. Понимая это фирмы, являющиеся разработчиками программного обеспечения, предлагают пройти специальные курсы, на которых проводится обучение использованию данных систем в процессе проектирования. Но акцент делается не на изучение самого процесса моделирования, а на то, какие возможности имеют их программы. В результате, когда перед разработчиком встают вопросы идеализации протекающих в конструкции физических процессов, ему приходится действовать методом проб и ошибок.
Поэтому актуальной задачей для создания БЭУ с высокими показателями технического уровня является разработка математического, методического, программного и информационного обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов, протекающих в БЭУ.
Цель диссертационной работы состоит в снижении погрешностей моделирования бортовых электронных устройств при их автоматизированном проектировании за счет учета в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов.
Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач: выполнение анализа существующих программных средств комплексного математического моделирования разнородных физических процессов и исследование возможности их применения для решения задач автоматизированного проектирования БЭУразработку метода комплексного моделирования физических процессов в при автоматизированном проектировании БЭУразработку в рамках комплексной модели топологической макромодели механических процессов в амортизированном блоке БЭУразработку архитектуры подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУвыполнение программной реализации разработанного метода комплексного моделирования разнородных физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемыразработку методического обеспечения подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУпроведение экспериментальной проверки разработанных в рамках концепции метода, макромодели, методического и программного обеспечения подсистемы, путем внедрения в практику проектирования БЭУ и учебный процесс вузов.
В процессе выполнения диссертационной работы использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования физических процессов, дидактические основы обучения, теория вероятности и математической статистики, принципы объектно-ориентированного программирования.
При решении поставленных в работе задач получены следующие новые научные результаты.
1. Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся возможностью проведения анализа БЭУ на основе комплексных параметризованных моделей тепловых, аэродинамических и механических процессов в БЭУ.
2. В рамках комплексной модели разработана макромодель амортизированного блока, позволяющая проводить анализ механических режимов БЭУ с многоуровневой системой виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий всех элементов (от шкафа до печатного узла), входящих в конструкцию (учитывается динамический характер взаимодействия), в рамках одной модели. За счет этого достигается увеличение точности моделирования. Причем время анализа модели конструкции с тремя уровнями виброизоляции на гармоническую вибрацию не превышает 10 секунд на компьютере с частотой процессора 500 Мгц.
3. На основе разработанных метода и программных средств предложены методики: комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУсоставления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУверификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.
Методики основаны на проведении комплексного моделирования разнородных физических процессов с помощью параметризованных моделей и взаимодействии подсистемы АСОНИКА-П с проблемными подсистемами системы АСОНИКА.
Практическая полезность работы состоит в том, разработанные в ней концепция, метод, макромодель, программные средства и методики позволяют:
1. Сокращать сроки проектирования за счет более раннего исключения из дальнейшего рассмотрения вариантов конструкций, не удовлетворяющих требованиям технического задания.
2. Улучшать технический уровень БЭУ за счет раннего выявления предпосылок к появлению системных отказов и принятия адекватных мер по их устранению.
3. Проводить подготовку и переподготовку специалистов в области автоматизированного проектирования БЭУ на основе комплексного математического моделирования.
Разработанные концепция, метод, методическое обеспечение и программные средства использовались в научно-исследовательской работе, проводившейся кафедрой «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ по заказу министерства образования Российской Федерации с 2000 по 2002 год «Создание межотраслевой системы компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях» № 100 378.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Ковровской государственной технологической академии, Красноярского государственного технического университета, Сибирской аэрокосмической академии, а так же использовались при проектировании БЭУ на предприятиях: государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи» дочернее предприятие федерального государственного предприятия «НПП «Волна» (г. Москва) — ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (г. Москва) — Государственный научно-исследовательский институт приборостроения (г. Москва) — ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» (г. Москва);
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1997;2000 г. г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2001;2002 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.), 53-й и 57-й научных сессиях, посвященных дню радио (г. Москва, 1998 г., 2002 г.), 3 Международной выставке-конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании» (г. Москва, 2001 г.), научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1998 г.), научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Москва, 1998 г., 1999 г., 2001;2003 г.), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано двадцать научных трудов, в том числе две статьи, материалы вошли в два отчета по НИР.
Диссертационная работа содержит введение, 4 главы с выводами, заключение, список литературы и приложения, включающие в себя акты внедрения, результаты расчётов, описание и руководство пользователя разработанных программных средств.
9. Результаты работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы № 100 378 по договору с министерством образования РФ в 2001;2002 г. г.
10. Отдельные результаты, а так же работа в целом докладывались и обсуждались на шестнадцати конференциях (в том числе на восьми международных конференциях) с 1997 по 2003 г. г.
11. По результатам диссертационной работы опубликовано двадцать работ, в том числе две статьи в центральных изданиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие основные результаты:
1. Выполнен анализ существующих программных средств, использующихся для моделирования тепловых, аэродинамических и механических процессов при проектировании БЭУ и обоснована необходимость разработки подсистемы комплексного моделирования основанной на применении параметризованных моделей.
2. Разработан метод комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, отличающийся применением комплексной параметризованной модели, объединяющей подмодели отдельных физических процессов в общую комплексную модель на основе общих модельных параметров конструкции. В методе так же расширена библиотека аналитических моделей, увеличено количество выходных данных моделирования и рассмотрен процесс поддержки создания комплексных моделей. Это позволяет расширить область применения метода на большее количество объектов БЭУ, облегчить процесс решения трудоемких задач по изменению параметров типовых комплексных моделей под конкретный объект моделирования.
3. В рамках комплексной модели разработана топологическая макромодель механических процессов в амортизированном блоке БЭУ, позволяющая моделировать многоуровневые системы виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий, подключать к макромодели фрагменты, описывающие печатные узлы и другие конструктивные элементы, использовать макромодель в составе комплексных моделей БЭУ.
4. Разработана архитектура подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ и отдельных программ, входящих в её состав. Это позволило улучшить преемственность между различными этапами разработки программного обеспечения подсистемы, а так же позволило присоединяющимся к работе сотрудникам быстрее входить в суть и приступать к продуктивной работе.
5. Выполнена программная реализация разработанного метода комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы.
6. Разработано методическое обеспечение подсистемы комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ, состоящее из: методики комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУметодики составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУметодики верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента.
7. Выполнена экспериментальная проверка разработанных в диссертации математического, методического, информационного и программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П и подтверждена эффективность их применения в практике разработки конструкций БЭУ.
8. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования БЭУ на четырех промышленных предприятиях и в учебный процесс трёх вузов.
