Разработка лабораторного практикума по моделированию физических полей в САПР ANSYS

1. Введение

Многие задачи, которые приходится решать инженеру-конструктору, очень сложны, поскольку рассчитываемые физические процессы всегда протекают в пространстве четырех измерений: трех координат и времени. Расчет сводится к решению системы дифференциальных уравнений в частных производных, называемых уравнениями математической физики. В эти уравнения входят четыре независимые переменные. [1]

Иногда удается упростить задачу настолько, что в уравнениях остается одна независимая переменная, т. е. задача приводится к одномерной. Полученные таким образом дифференциальные уравнения содержат одну независимую переменную и могут быть в принципе решены точными аналитическими методами. Приведение задачи к одномерному виду всегда связано с её идеализацией. В идеальной задаче приходится пренебрегать рядом второстепенных факторов, влияющих на ход физического процесса. Отсюда возникают погрешности, которые трудно проконтролировать. Чем сложнее конструкция и условия, в которых она работает, тем труднее разработать одномерную расчетную модель, оставляющую надежду на достаточную достоверность результатов расчетов.

В большинстве случаев принципиально невозможно привести задачу к одномерному виду и решить ее точными аналитическими методами.

Особенно тяжело приходится конструктору радиоэлектронной аппаратуры. В радиоконструкциях тесно сплелись теория упругости и электродинамика, теплопередача и аэродинамика. Если допустить в какой-то области ошибку, то аппаратура работать не будет. А тут еще нужно учитывать, сложные внешние воздействия на конструкцию, а также множество внешних деталей, бороться за малые габариты и вес. Преодолеть эти трудности помогают различные приближенные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Среди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется метод конечных разностей, или метод сеток. В его основе лежит метод построения моделей сложных физических процессов, происходящих в больших объёмах пространства, из простых элементарных процессов, происходящих в малом объёме обычно кубической формы.

Разностные методы приводят, как правило, к огромным объёмам вычислений. Без современных электронных вычислительных машин здесь не обойтись.

Электронные цифровые вычислительные машины (ПЭВМ) находят все большее применение в практике проектирования радиоаппаратуры. С помощью машин производят компоновку деталей, трассировку проводников, рассчитывают электрические процессы. Метод конечных разностей открывает широкие возможности применения ПЭВМ для расчетов тепловых процессов в различных конструкциях.

1.1 Основные виды физических полей в конструкциях РЭС

1.1.1 Тепловое поле в конструкциях РЭС Одной из основных характеристик состояния вещества является его температура. От температуры зависят все свойства вещества — как механические, так и электрические. Особенно сильно влияет температура на электрические свойства полупроводников. Так, кристалл, который при низких температурах мог служить изолятором при высоких становится проводником. Поэтому одной из основных характеристик радиоэлементов или радиоэлектронного прибора является диапазон температур, в котором они надежно выполняют свои функции.

Вся или почти вся электрическая энергия, которую они потребляют, превращается в тепло. Тепло выделяется, как правило, именно в тех участках, где это грозит выходом прибора из строя. Например, оно выделяется на закрытых p-n переходах транзисторов и диодов[1]. Повышение температуры переходов увеличивает ток через них, а это, в свою очередь, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Получается лавинообразный процесс нарастания температуры. Если его вовремя не остановить, то произойдет тепловой пробой перехода. Остановить этот процесс можно с помощью теплоотводов (радиаторов).

Однако уменьшение размеров и веса блоков, применение интегральных микросхем, интенсивный режим эксплуатации радиоаппаратуры часто в условиях повышенной температуры окружающей среды — осложняют задачу обеспечения правильного теплового режима радиоэлементов.

Чтобы еще на стадии проектирования РЭА убедиться, что в создаваемой конструкции все сделано правильно и температура ее элементов не превысит допустимого значения, нужно рассчитать тепловой режим. Расчет тепловых процессов — одна из основных проблем, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. Надо сказать, что это довольно сложная задача, т.к. она связана с расчетом трехмерных нестационарных процессов в областях сложной конфигурации, скажем, внутри телевизора или радиоприемника.

1.1.2 Механическое поле в конструкциях РЭС При проектировании конструкции перед инженером-проектировщиком стоит также задача нахождения распределения напряжений, или поля напряжений. Иногда, чтобы узнать, нарушаются ли заданные зазоры между деталями конструкции, инженеру требуется вычислить перемещение лишь в определенных точках системы. В отдельных же случаях, особенно если нагрузки и поведение конструкции зависят от времени, проектировщику необходимо подсчитать полное распределение перемещений, или поле перемещений. Для рассчитанного поля напряжений должны выполняться в каждой точке условия равновесия, а перемещения при этом должны быть непрерывны (т.е. должны выполняться условия совместимости).

Приступая к некоторой задаче проектирования к отысканию напряжений и перемещений, проектировщик должен сначала задать определяющие уравнения, которые в той или иной форме обеспечивают выполнение условий равновесия и совместимости. Возникающая в связи с этим основная трудность, не говоря уже об аспектах разрешимости выбранных уравнений, состоит в решении вопроса: могут ли данные уравнения адекватно отражать выставляемые при проектировании требования к конструкции. Причем сложность геометрии конструкции, а также характера нагрузок и свойств материала должна быть учтена в этих рассмотрениях.

1.1.3 Электромагнитное поле в конструкциях РЭС В последнее время также большое внимание исследованию и расчетам сложных электромагнитных полей. Это вызвано возрастающей ролью методов теории электромагнитного поля при проектировании электротехнического и электронного оборудования.

Надежность и достоверность работы РЭА и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭА зависят как сроки разработки изготовления и наладки РЭА, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Помехой для аппаратуры является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению аналоговой или дискретной информации в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Помеха — непредусмотренный при проектировании РЭА сигнал, способный нарушить ее функционирование. Так как сигналы в РЭА имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напряженность поля и др. Источники помех многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источниками электрических помех являются, в основном, 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 рассматривать как источники электромагнитных помех. Значительные помехи создают электромагниты, электрические двигатели, реле и электромеханические устройства. Внутренними помехами являются также помехи от рассогласования волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопротивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возникающие по земляным шинам.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического электричества и атмосферными явлениями. Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Помехи проникают в аппаратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) или электромагнитное поле.

Борьба с помехами приобретает все большую актуальность по следующим причинам.

1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается.

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличение плотности их размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения применения внешних устройств с большим количеством электромеханических узлов.

4. Внедрение РЭА во все сферы человеческой деятельности.

1.2 Введение в САПР ANSYS

Программное обеспечение ANSYS представляет собой наиболее современную, мощную и удобную систему анализа электронных устройств:

*позволяющую сократить число дорогостоящих этапов при проектировании электронного оборудования, связанных с макетированием и экспериментальной доработкой;

*находящую применение в различных отраслях электронной промышленности;

*предлагающую налаженную техническую поддержку силами ведущих специалистов в данной обрасти;

*имеющую удобный интерфейс и легкое для понимания отображение рассчитанной информации с помощью цвета.

Система ANSYS представляет собой полностью 32-разрядное приложение и поддерживает различные вычислительные платформы: Windows (95/98/2000, NT4/ME), UNIX. 2]

Программа позволяет:

— производить тепловой, механический, электромагнитный анализ отдельных компонентов электронных схем, таких как однокристальные и многокристальные микросхемы, гибридные и дискретные элементы.

Для теплового поля:

— осуществлять моделирование стационарного и нестационарного тепловых режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонентов.

Для механического поля:

— включать в него модули с нелинейными физическими соотношениями, учитывающие такие важные свойства, как:

? Внутреннее трение и корректные законы прочности;

? Локализацию сдвиговых деформаций в полосы скольжения;

? Процессы упрочнения и разупрочнения;

? Зависимость деформаций от времени;

? Описание процессов нагрузки, разгрузки и повторного нагружения;

? Учет эффекта дилатансии (изменения объема материала, вызванного деформацией сдвига) и других перекрестных эффектов.

Для электромагнитного поля:

— рассчитать:

? Линии векторного магнитного потенциала;

? Вектора магнитной индукции;

? Вектора напряженности магнитного поля, причем как для скалярных значений (модулей), так и для векторов. А также все эти результаты можно вывести как в графическом виде, так и виде таблицы распределения по узлам модели;

? Интегральные параметры, например индуктивность обмотки с током, интегральную электромагнитную силу, рассчитать магнитодвижущую силу.

А также имеет интерфейс связи с большинством наиболее распространенных систем САПР электронных устройств.

Работа с интерфейсом пакета ANSYS несколько отличается от работы с интерфейсом большинства других приложений и требует минимального навыка работы с ее графическим интерфейсом (с ее системой меню, окон, полос прокрутки, команд).

Программный комплекс МКЭ ANSYS отвечает следующим требованиям:

? высокий уровень тестирования комплекса на сложных задачах;

? наличие большой библиотеки конечных элементов;

? высокая вычислительная эффективность встроенных решателей для сверхбольших систем алгебраических уравнений (СЛАУ) и процедур численного нелинейного решения;

? поддержка многопроцессорного счета;

? прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD — систем, импорт формата IGES;

? наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов, в том числе деформирования (линейно-упругого, нелинейного, пластического, реологического и т. д.);

? открытость комплекса для встраивания дополнительных моделей поведения материалов, различных процедур решений, интерфейсных модулей и даже других численных методов.

В настоящее время в ANSYS реализован не только МКЭ — в этот пакет внедрены различные процедуры метода контрольных объемов (МКО), метода конечных разностей (МКР) и метода граничных элементов (МГЭ), что делает программный комплекс ANSYS универсальной вычислительной средой с различными вариантами аппроксимации искомой функции.

С помощью дружественного графического интерфейса пакета ANSYS осуществляется диалоговый (интерактивный) режим работы пользователя и компьютера. Данный интерфейс представляет собой совокупность окон ввода/вывода и различных меню. Существует еще и так называемый пакетный режим работы программы. В этом режиме все действия, начиная от построения модели до нахождения результатов решения и вывода их в текстовой или графической форме в файл, осуществляются автоматически по программе, написанной на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language — язык параметрической разработки ANSYS). Этот режим хорош тем, что не требуется взаимодействие программы и человека. Таким образом, подготовленная задача может решаться, например, на удаленном компьютере, обладающем большой производительностью (суперкомпьютере), либо на кластере (несколько компьютеров, объединенных сетью). В любом режиме работы пакета создаваемое описание задачи записывается программой в файл базы данных задачи, который имеет расширение *.db.

1.3 Особенности пакета

1.3.1 Простота использования Все программы пакета ANSYS имеют простой интуитивный пользовательский интерфейс на основе командного меню.

Выходными данными являются цветовые карты температуры, температурные градиенты, величины тепловых потерь, тепловые потоки, таблицы эпюр напряжений, карты сдвиговых деформаций, карты линий векторов магнитного потенциала, карты распределений векторов магнитной индукции, а также векторов напряженности магнитного поля, которые позволяют легко анализировать результаты расчета.

1.3.2 Высокая точность и скорость моделирования Иногда может потребоваться информация о времени расчета или размере требуемой оперативной памяти для решения задачи. Подобную информацию вы можете получить, воспользовавшись командой RUNSTAT [3], вызвав ее из экранного меню: Main Menu > Run-Time Stats).

Необходимо помнить, что RUNSTAT делает прогноз на основе информации, содержащейся в файле *.db. Поэтому ее следует использовать непосредственно перед запуском задачи на расчет (когда уже создана сетка КЭ, приложены соответствующие нагрузки и выбран тип анализа).

1.3.3 Библиотеки Библиотека элементов ANSYS содержит более 150 различных типов элемента. Каждый тип элемента имеет уникальный номер и имя, которое идентифицирует категорию элемента: BEAM4, PLANE77, SOLID96, и так далее.

Доступны следующие категории элемента[4,5]:

Тип элемента определяет:

* набор степени свободы (который в свою очередь определяет дисциплину — структурный, тепловой, магнитный, электрический, и так далее).

* находится элемент в двух или трехмерном пространстве.

Некоторые элементы могут использоваться при решении задач с различными типами материалов, и поэтому появляются в списке в разных категориях.

1.3.4 Учет характеристик платы и внешней среды Характеристики платы и внешней среды являются важными и неотъемлемыми частями теплового, механического и электромагнитного анализов.

Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, а также на число и расположение элементов на них.

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 или таблиц, после считывания результатов решения в память.

Для вывода результатов решения можно использовать следующие 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

После выбора маршрута GUI, приведенного выше, ANSYS отображает результаты в текстовом окне (здесь не приводится).

1.3.6 Область применения В течение последних лет пакет программ ANSYS развивался в направлении удовлетворения первоочередных потребностей разработчиков с учетом динамики развития технологии в различных областях электронной промышленности. Гибкость пакета и многолетний опыт команды разработчиков позволяет с уверенностью утверждать, что самые разнообразные проекты могут быть успешно промоделированы.

1.3.6.1 Космическое и авиационное приборостроение Большое количество пользователей программного обеспечения ANSYS занято в космической и авиационной промышленности, где они занимаются разработкой разнообразных космических летательных аппаратов, спутников, орбитальных станций, самолетов, ракет[6].

Важную роль в двигателе играют силовые элементы, корпуса, силовые стойки. Возможности продуктов ANSYS позволяют проводить прочностной анализ с учетом воздействия температурных потоков, радиационного теплообмена, контактных сопротивлений, упругих и пластических деформаций.

Программный комплекс ANSYS обеспечивает более точный и быстрый анализ конструкции любой сложности. Наличие в нем интегрирующей среды проекта ANSYS Workbench позволяет встроить систему ANSYS в систему Product Development Management (PDM), благодаря чему достигается еще более эффективный и структурированный подход к организации процесса проектирования.

На рисунках мы можем заметить полученные системным продуктом ANSYS[6]:

1.3.6.2 Нефтегазовая промышленность Нефтегазовое оборудование комплектуется стальной запорной трубопроводной арматурой. Наличие неисправностей, перегревов различных участков являются причиной более 80% отказов трубопроводной арматуры, которые приводят к нарушению нормального режима функционирования оборудования или к аварийным ситуациям, последствиями которых могут стать экономические потери, повреждение оборудования, загрязнение окружающей среды и пр. С помощью ANSYS было проведено исследование на распределение температур (рис 1.7), в зависимости от граничных условий и с указанием условий конвективного теплообмена с рабочей и окружающей средами (рис. 1.6)

Рис. 1.6 Распределение температуры по трубопроводной арматуре с указанием условий конвективного теплообмена с рабочей и окружающей средами Рис. 1.7 Распределение температуры по трубопроводной арматуре в зависимости от граничных условий

1.3.6.3 Электронные устройства для автомобилей В автомобильной промышленности применяются устройства, имеющие большие токи потребления. Наличие больших токов приводит к интенсивному выделению тепла проводниками печатных плат. Программный комплекс ANSYS обеспечивает точный и быстрый анализ конструкции, что позволяет произвести правильный расчет, для более надежной работы устройства.

1.3.6.4 Телекоммуникационное и промышленное оборудование В данных отраслях к оборудованию предъявляются повышенные требования по надежности, в то время как само оно выполнено в виде достаточно сложных комплексов с большим числом задействованных шкафов, модулей, блоков и плат. Для облегчения построения проектов такого рода служит интерфейс с различными системами проектирования.

1.3.6.5 Источники питания Особенность источников питания заключается в том, что в них используются элементы, имеющие значительную высоту. Высокие компоненты могут стать дополнительными препятствиями охлаждающим потокам воздуха, что может привести к перегреву отдельных частей устройства. При моделировании данного вида устройств, благодаря тому, что программный продукт ANSYS выводит красочные и легкие для понимания карты распределения температур легко видеть, какие участки подвергаются наибольшему прогреву.

1.4 Сравнение с аналогичными САПР В современных условиях к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), помимо соответствия основному набору технических характеристик, предъявляется ряд жёстких требований, направленных на повышение технологичности, надёжности, сокращения длительности и стоимости цикла проектирования[8]. Все эти задачи невозможно решить без специальных систем автоматизированного проектирования, позволяющих сократить число дорогостоящих этапов проектирования, связанных с макетированием, испытаниями и последующей доработкой макета по результатам испытаний. Весьма важную роль здесь играют программные средства математического моделирования тепловых процессов, протекающих в РЭА.

Традиционно задачи оценки тепловых, механических, электромагнитных режимов работы РЭА решались на завершающих этапах проектирования посредством проведения стендовых испытаний, где макет РЭА подвергался воздействию всех оговоренных в техническом задании тепловых дестабилизирующих факторов по заранее определённой программе. Информация о различных процессах, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, собиралась с помощью системы специальных приборов. Однако, у такого подхода есть очень серьёзный недостаток: в испытаниях должен участвовать специальный макет или готовое изделие, а следовательно, им должны предшествовать этапы конструирования и изготовления макета, на которые приходится большая часть накладных расходов и значительные временные затраты.

Намного разумнее было бы одновременно со схемотехническим проектированием проводить математическое моделирование процессов различных типов и электромагнитной совместимости, что позволило бы на самых ранних этапах проектирования вносить изменения в схему и конструкцию разрабатываемый РЭА.

Несколько лет назад на рынке САПР появились программные средства для моделирования тепловых, механических и электромагнитных процессов. Большинство из них представляют собой специализированные системы, позволяющие моделировать тепловые, механические и электромагнитные процессы в типовых конструкциях самой разнообразной сложности — от подложек гибридных интегральных схем и кристаллов интегральных схем, печатных плат до блоков и стоек.

Здесь можно отметить такое программное обеспечение, как BETAsoft компании Dynamic Soft Analysis, ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Красноярского Государственного Технического Университета (КГТУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ), ANSYS, ELCUT, ADAMS, LS — DYNA.

Приведем ряд некоторых особенностей каждой из представленных программ. Для этого коротко рассмотрим предоставляемые возможности данных пакетов, а также их недостатки.

1.4.1 Асоника-Т Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры АСОНИКА-Т (входит в состав Автоматизированной Системы Обеспечения Надёжности и Качества Аппаратуры) была разработана группой специалистов кафедры «Приборостроение» Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (МГИЭМ)[8].

Программа предназначена для работы на персональных компьютерах под управлением ОС Windows 95/98/NT/2000 и позволяет выполнять моделирование стационарных и нестационарных тепловых процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры.

В состав подсистемы входят уникальные программные комплексы, позволяющие синтезировать модели тепловых процессов в автоматическом режиме по созданной в специальной графической среде геометрической модели конструкции.

Подсистема позволяет решать следующие задачи:

? определение тепловых режимов работы всех радиокомпонентов и материалов несущих конструкций с учётом особенностей эксплуатации РЭА различного назначения (для аэрокосмической и автомобильной техники, морских судов и так далее);

? внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов тепловой нагрузки радиокомпонентов;

? выбор лучшего варианта конструкции аппаратуры с точки зрения её тепловых режимов из нескольких имеющихся;

? обоснование необходимости дополнительной защиты РЭА от тепловых воздействий;

? создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, наиболее удачное расположение мест установки датчиков и т. п.).

В состав подсистемы входит графический редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемого объекта и отражать на ней конструктивные особенности печатных плат (рис. 1.10, 1.11), гибридных интегральных схем и функциональных ячеек — печатных плат, выполняемых на основе металлического основания со сложной системой сквозных и несквозных вырезов, контуров из тепловых шин и теплостоков (рис. 1.12).

Рисунок 1.10. Геометрическая модель печатной платы с системой сквозных вырезов и системой тепловых шин Рисунок 1.11. Печатная плата с контуром из тепловых шин и системой сквозных вырезов Рисунок 1.12. Геометрическая модель функциональной ячейки с системой несквозных вырезов, тепловых шин и теплостоком Редактор имеет удобный пользовательский интерфейс и позволяет выполнять большое количество операций:

? размещать, перемещать, удалять и копировать радиокомпоненты по одному или целыми группами;

? задавать или менять их параметры;

? объединять группу радиокомпонентов в один элемент с автоматическим пересчётом его геометрических и теплофизических параметров;

? выполнять переориентацию радиокомпонентов на плоскости несущей конструкции;

? просматривать одновременно схемы размещения компонентов на обеих сторонах несущей конструкции;

? создавать и редактировать модель несущей конструкции (формировать и размещать печатные проводники силовых цепей, тепловые шины и контуры из шин, системы сквозных и несквозных вырезов, зоны с различными типами условий охлаждения и т. п.).

При прорисовке геометрической модели исследуемого объекта используются специальные библиотеки тепловых моделей компонентов. В подсистеме присутствует специальный модуль, который позволяет рассчитывать геометрические и теплофизические параметры радиокомпонентов при различных вариантах установки их на несущую конструкцию (рис. 1.14) и сохранять в специальной базе данных. В процессе построения проекта разработчик может выделить любой компонент на геометрической модели конструкции, после чего просмотреть и/или изменить один или всё множество первичных параметров радиокомпонента и выполнить повторный расчёт его геометрических и теплофизических параметров с последующим их сохранением в базе данных (рис. 1.13).

Рисунок 1.13 Работа с геометрическими и теплофизическими параметрами радиокомпонента Рисунок 1.14 Выбор из библиотеки необходимого варианта установки радиоэлемента и его структуры Подсистема теплового моделирования предназначена для работы в тесной интеграции с другими САПР РЭА (P-CAD 2001, Protel 99 SE, OrCAD 9.2, Allegro, Specctra, а также старых, но всё ещё распространённых в России, версиях P-CAD 4.5−8.7).

Графический редактор и математическое программное обеспечение подсистемы позволяют учитывать условия эксплуатации, а также конструкторско-технологические ограничения, накладываемые на РЭА различного назначения. Так, в частности, тепловые шины, контуры из тепловых шин и системы вырезов, наряду с заданием локальных граничных условий, позволяют отразить особенности авиационной РЭА. Слоистая структура, система теплостоков, множество локальных граничных условий и описание источников тепловыделения в виде функциональных временных зависимостей позволяют отразить особенности РЭА космических и морских объектов. Системы печатных проводников силовых цепей, совместно с системой вырезов и локальных граничных условий, позволяют отразить особенности автомобильного радиоэлектронного оборудования.

Особенности охлаждения моделируемого объекта учитываются в подсистеме через задание глобальных (рис. 1.15) или локальных (рис. 1.16) граничных условий, которые описываются на уровне всех и/или отдельных поверхностей или локальных зон несущей конструкции. Широкий набор типов условий охлаждения, используемый в программе, позволяет моделировать: снятие тепла с несущей конструкции посредством контактного теплообмена; лучистый теплообмен; естественную (в неограниченных и ограниченных пространствах) и вынужденную (обдув и продув) конвекции; теплопередачу к поверхности с заданной температурой через известное тепловое сопротивление и т. п.

Рисунок 1.15. Задание глобальных граничных условий для функциональной ячейки с системой теплостоков Рисунок 1.16. Пример выделения локальных зон с граничными условиями, позволяющими учитывать неизотермичность воздушного потока В результате моделирования, разработчиком может быть получена следующая информация (в графическом виде или в виде файла отчёта): температуры корпусов и активных зон радиокомпонентов; тепловые поля шин; изотермы несущей конструкции (рис. 1.17); термограммы разрабатываемой конструкции (рис. 1.18); изображение только перегревшихся элементов; распределение мощностей по радиокомпонентам; коэффициенты тепловой нагрузки радиокомпонентов; графики зависимости температур радиокомпонентов от времени. Отметим, что некоторые из перечисленных характеристик недоступны в зарубежных системах теплового моделирования.

Рисунок 1.17 Изотермы функциональной ячейки устройства вторичного электропитания, входящего в состав космической аппаратур Рисунок 1.18 Термограмма печатного узла устройства приёма и обработки видеосигналов Данный программный комплекс позволяет в максимально гибкой форме создавать и анализировать модели сложных конструкций высших уровней иерархии (крейты, стойки, стеллажи) с учётом их конструкторско-технологических особенностей и алгоритмов функционирования.

Рисунок 1.19. Анализ тепловых режимов конструкций верхнего уровня иерархии Все модули программы имеют двуязычный (английский и русский) пользовательский интерфейс и интерактивную справочную систему.

Для моделирования на ПЭВМ стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭС, таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы (ПУ), функциональные ячейки (ФЯ), микросборки (МСБ) существует комплекс ТРиАНА, входящий в состав подсистемы АСОНИКА-Т.

Целью моделирования, проводимого при помощи комплекса ТРиАНА, является получение тепловых полей конструкций РЭС 3-го и 4-го уровней конструктивной иерархии (температур конструктивных узлов, элементов и потоков хладоносителя в сети каналов конструкции стойки или крэйта), тепловых полей конструктивных узлов 2-го уровня конструктивной иерархии (тепловых полей оснований функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов). 9]

В целом комплекс позволяет решать следующие задачи:

* определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивнотехнологических и эксплуатационных особенностей РЭС различного назначения (авиационной, космической, морской; автомобильной и др. РЭС) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимого (с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности и т. п.) теплового режима работы РЭС;

* выбор лучшего варианта конструкции РЭС из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик;

* обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭС от температурных воздействий;

* создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор параметров испытательных воздействий, наиболее удобное расположение мест установки регистрирующих датчиков и т. п.).

ПК ТРиАНА-2.00 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и в составе ПК следующих программных единиц: MTPEditor, MTPViewer, BoardEditor, Conv2triana, Triana.

* графический редактор топологических моделей тепловых процессов (МТП) MTPEditor, позволяющий: формировать МТП конструкций РЭС с параметрическим описанием их компонентов, использующих геометрические и теплофизические параметры графических образов исследуемых узлов и/или конструкций РЭС в целом; отображать результаты моделирования непосредственно на топологической модели;

* графический редактор конструкций РЭС типа «печатный узел», «функциональная ячейка», «гибридно-интегральная схема или микросборка» ,

BoardEditor, который позволяет создавать геометрические модели конструкций ПУ, ФЯ, МСБ с позиций исследования в них тепловых процессов; вести базу данных по геометрическим и теплофизическим параметрам электрорадиоэлементов; отображать результаты моделирования на геометрической модели исследуемого конструктивного узла;

* конвертор топологий печатных плат Conv2triana, реализующий функции автоматического преобразования основных параметров несущей конструкции (НК) ПУ, ФЯ или МСБ, а также схемы размещения ЭРЭ на НК из форматов систем топологического проектирования печатных плат (PCAD, ACCEL и др.) в формат ПК ТРиАНА;

* математическое ядро Triana, включающее в свой состав: набор специализированных программ, реализующих функции автоматического синтеза моделей тепловых процессов конструктивных узлов РЭС на основе их геометрической модели и температурных условий их эксплуатации (граничные и начальные условия); набор модулей, выполняющих функции: формирования математических моделей для моделирования тепловых процессов исследуемой конструкции в стационарном и нестационарном режимах; анализа математической модели, которая может быть сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений; библиотеку аналитических моделей (набор критериальных уравнений) для анализа различных видов теплообмена и их модификаций (в библиотеке содержится около 70 разделов).

Совместно с программой поставляются интерфейсы связи с системами (PCAD-4,5, PCAD-8, PCAD- 2001, ACCEL EDA, Orcad-9.1, Protel, MicroSim). Конвертор позволяет вести преобразование данных файлов *.pcb и *.pdf.

Программный пакет Тriana позволяет работать с 3D-моделью при активизации функции визуального интерфейса «3D-модель». При этом появляется специальное окно, в котором отображается 3D-модель КУ (рис. 1.20).

Рис 1.20 3D-модель КУ Для работы с 3D-моделью доступны следующие операции:

* поворот КУ в пространстве;

* изменение масштаба отображения 3D-модели КУ;

* сдвиг 3D-модели КУ в плоскости обзора;

* выбор стандартного вида отображения 3D-модели КУ;

* обновление эскиза 3D-модели КУ;

* отображение результатов моделирования на 3D-эскизе КУ.

Рис 1.21 Результаты теплового анализа 3D-модели КУ

1.4.2 BETAsoft

Программное обеспечение BETAsoft компании Dynamic Soft Analisys представляет собой наиболее современную, мощную и удобную систему теплового анализа электронных устройств [10,11].

Основные возможности:

— позволяет производить моделирование стационарного и нестационарного тепловых режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонентов;

— поддерживает различные вычислительные платформы: Windows (3.1, NT, 95/98), UNIX, DOS;

— имеет интерфейс связи с большинством наиболее распространенных систем САПР электронных устройств: VeriBest, PADS, ACCEL (PCAD & Tango), OrCAD, Mentor, Allegro, Cadstar, Protel, и др.

Для проектирования ПП с учетом ее тепловых характеристик BETAsoft предлагает принципиально новый подход к проектированию и тепловому анализу, суть которого заключается в том, что можно начать тепловое моделирование, которое начинается практически по нажатию одной кнопки и работает в связке с пакетом проектирования ПП. По мере доработки проекта ПП тепловое моделирование проводится снова уже с учетом внесенных доработок и изменений — таким образом, реализуется итеративный метод. С точки зрения пакета BETAsoft вносимые в топологию изменения можно условно поделить на три уровня:

? перемещение компонентов, изменение направления воздушных потоков и изменение толщины экранных слоев;

? добавление элементов теплоотводов: радиаторов и теплопроводящих подложек, а так же теплопроводящих креплений компонентов;

? добавлений локальных участков металлизации и изменение параметров термобарьеров.

Исходной информацией для проведения анализа служит полное трехмерное определение внутренней структуры компонента с учетом наличия нескольких слоев из различных материалов и подключения внешних, возможно, изменяющихся во времени источников питания.

Результаты моделирования, полученные на каждом этапе, сохраняются и сравниваются, что позволяет системе выбрать наилучший вариант. Реализация такого метода имеет смысл только в том случае, если тепловое моделирование действительно может проводиться практически параллельно с внесением изменений, то есть почти мгновенно. BETAsoft удалось реализовать такую систему за счет высокоскоростных алгоритмов расчета тепловых процессов: так, например анализ ПП, состоящей из 100 компонентов, проводится менее чем за 15 секунд на компьютере P III 800 МГц.

В состав программного обеспечения BETAsoft входят несколько программ, которые позволяют рассчитать температуру и градиент температуры на различных участках печатной платы, температуры отдельных компонентов и переходов, после чего выдать предупреждение о возможном превышении максимально допустимой температуры. Промоделированные с помощью программ BETAsoft устройства нашли применение в космической, авиационной, оборонной, автомобильной промышленности, а также в вычислительном, медицинском, телекоммуникационном и измерительном оборудовании.

Для определения температуры различных частей устройства производится анализ переходных процессов и анализ в стационарном режиме. Внешние условия охлаждения могут быть получены из программы BETAsoft-Board, что позволит моделировать работу устройства в условиях, максимально приближенных к реальным[11].

Рис 1.22 Карта распределения температуры Рис 1.23 График зависимости изменения температуры от времени Данные, полученные с помощью этой программы, позволят пользователям правильно выбрать технологию упаковки устройства в корпус, метод отвода тепла, а значит, значительно повысить надежность конечного изделия.

Получить результаты расчета можно с точностью 10%. В процессе анализа выполняется полное трехмерное моделирование суммарного поля течения и отдельных теплоносителей с учетом теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Метод конечных разностей с адаптивными усовершенствованными локальными ячейками позволяет за минимальное время получить весьма точные результаты. Моделирование выполняется в среднем, в 50 раз быстрее, чем в других программах, использующих метод конечных элементов.

Все программы пакета BETAsoft имеют простой интуитивный пользовательский интерфейс на основе командного меню. Модуль BETAsoft-Board содержит библиотеки, насчитывающие около 2500 различных компонентов и более 45 материалов с указанием их проводимости, причем возможно создание новых компонентов и материалов.

Выходными данными являются цветовые карты температуры и градиента, которые позволяют легко анализировать результаты расчета. Обширные возможности отображения результатов расчета позволяют создавать в стандартных текстовых редакторах красочные и легкие для понимания отчеты.

Вся информация о компонентах, используемых модулем BETAsoft-Board, хранится в двух специализированных библиотеках. Первая из них — Working Library — создается с помощью интерфейса импорта из системы проектирования и содержит компоненты из разработанной вами печатной платы. Вторая — Master Library — содержит 2500 полностью определенных, готовых к применению компонентов, причем размер ее не ограничен. Компоненты могут быть без труда перенесены из Working Library в Master Library с помощью всего лишь нескольких щелчков мыши.

Рис. 1.24 Окно импорта из Working Library в Master Library

Модуль BETAsoft-Board позволяет моделировать термическое поведение многослойных плат нерегулярной формы. Плата с помощью креплений различного типа может быть расположена в любом месте открытого или закрытого корпуса, при этом будет учитываться отвод тепла через крепежные устройства и специальные радиаторы, а также наличие естественной и принудительной вентиляции. Возможно моделирование с учетом гравитации, атмосферного давления и направления воздушного потока. К различным элементам системы могут быть подключены различные теплоотводы, тепловые трубы, охлаждающие вентиляторы и просто металлизированные контактные площадки.

Пакет BETAsoft позволяет без труда моделировать рассеяние тепла через специальные теплоотводы, проводящие контактные площадки и элементы крепления с учетом естественной и принудительной вентиляции, изменения атмосферного давления и силы тяжести. Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, а также на число и расположение элементов на них.

Оценка температуры компонентов Самой важной задачей теплового анализа является оценка температуры корпусов компонентов платы и переходов. Пакет BETAsoft позволяет рассчитать среднюю температуру корпуса элемента, а дополнительный модуль THETA дает возможность определить температуру переходов. Рассчитанные результаты отображаются на чертеже платы с помощью различных цветов, что дает возможность без труда определить степень нагрева элементов. Имеется возможность вывода численных значений рассчитанных температур в табличной форме.

Поиск перегревающихся элементов Интенсивность отказов компонентов имеет экспоненциальную зависимость от температур переходов и определяется используемой технологией изготовления интегральных схем. Следовательно, различные типы компонентов имеют различные предельно допустимые температуры. Модуль BETAsoft-Board позволяет индивидуально задавать предельные температуры для различных элементов и отображать на экране с помощью цвета разницу между только что рассчитанной температурой корпуса и этим пределом (рис 1.26).

Карта прогрева печатной платы Пакет BETAsoft позволяет рассчитать и составить карту прогрева анализируемой печатной платы. Вследствие существования явления температурного расширения физических материалов, области платы с повышенной температурой могут претерпевать различные деформации, например, вспучиваться и коробиться. Это в свою очередь может стать причиной отслаивания печатных проводников и разрушения паяных контактов, особенно в проектах, выполненных по технологии поверхностного монтажа. Своевременная идентификация таких областей позволит избежать разрушительных последствий в ходе испытаний и эксплуатации уже изготовленных изделий.

Расчет температурного градиента Модуль BETAsoft-Board позволяет рассчитать карту температурных градиентов. Наличие высокого температурного градиента, как правило, приводит к тепловому удару, обусловленному большой разницей в условиях температурного расширения различных участков платы. Наличие таких областей при многократном циклическом нагревании и охлаждении может привести к разрушению как самой платы, так и расположенных на ней элементов. Программа моделирования позволяет своевременно предсказать наличие этих областей и принять меры по их устранению.

Модуль BETAsoft-System

Программа BETAsoft-System позволяет производить тепловой анализ объемных модулей электронного оборудования, например, блоков, крейтов и шкафов. Здесь учитываются самые разнообразные физические эффекты и факторы: движение теплого потока вверх с учетом силы тяжести, температуру окружающей среды, силу ветра, интенсивность солнечного излучения, препятствия на пути воздушного потока и наличие контакта с крепежными элементами. При тепловом анализе поведения плат учитываются: мощность, рассеиваемая каждой отдельной платой, высота используемых элементов и плотность их расположения, тепловое сопротивление крепления и предельные температуры переходов. Отметим, что при моделировании с помощью модуля BETAsoft-System системы из нескольких плат, вовсе не обязательно точно задавать их топологию.

Благодаря результатам, полученным в ходе анализа с помощью программы BETAsoft-System, пользователь может выбрать правильный метод охлаждения проектируемого устройства, оптимизировать расположение блоков и плат с целью обеспечения более равномерного тепловыделения. В конечном итоге все это обязательно приведет к снижению массогабаритных характеристик оборудования и повышению его надежности.

1.4.3 ELCUT

1.4.3.1 Основные сведения

ELCUT — программа моделирования двумерных полей методом конечных элементов. Программа позволяет рассчитывать поля электрической, магнитной, температурной природы, а также механические упругие напряжения и деформации. ELCUT, помимо интерфейса на русском языке, отличается от родственных пакетов двумя чертами:

? дружественный, интуитивно ясный пользовательский интерфейс;

? высокая скорость решения задач и нетребовательность к ресурсам компьютера.

Пользователь может начать работу с ELCUT практически сразу, не отвлекаясь на изучение математических основ вычислительных алгоритмов и особенностей их реализации.

Традиционно считается, что полевые расчеты применяются в случаях, когда необходимо изучить локальные особенности проектируемой конструкции или уточнить существующие инженерные методики. Легкость ELCUT, степень автоматизации рабочих процедур и интуитивная ясность интерфейса дают возможность использовать пакет не только в исключительных ситуациях, но и в повседневных расчетных процедурах. Новая черта ELCUT — возможность обращения к его функциям из сторонних программ — позволяет объединять полевые расчеты с другими видами анализа, а также интегрировать ELCUT в комплекс программ САПР предприятия.

1.4.3.2 Назначение пакета ELCUT и обзор основных типов задач

ELCUT представляет собой интегрированную диалоговую систему программ позволяющую решать следующие плоские и осесимметричные задачи:

— Линейная и нелинейная магнитостатика.

— Магнитное поле переменных токов (с учетом вихревых токов).

— Нестационарное магнитное поле.

— Электростатика.

— Электрическое поле переменных токов в неидеальном диэлектрике.

— Растекание токов в проводящей среде.

— Линейная и нелинейная, стационарная и нестационарная теплопередача.

— Линейный анализ напряженно-деформированного состояния.

— Связанные задачи.

Редактор модели позволяет легко и быстро описать геометрию модели. Также можно импортировать фрагменты модели из AutoCAD или других систем проектирования. При построении сетки конечных элементов можно использовать удобные средства управления ее густотой или полностью довериться автоматической системе построения сетки. Источники и граничные условия полностью независимы от сетки, и могут быть изменены в любое время.

С помощью ELCUT пользователь может в течение одного сеанса описать задачу — свойства сред, источники поля, граничные и другие условия, решить ее с высокой точностью и проанализировать решение с помощью средств цветной графики. ELCUT позволяет решать сложные задачи расчета полей на персональных компьютерах, не прибегая к помощи больших ЭВМ или рабочих станций.

1.4.3.3 Основные сведения об организации ELCUT

ELCUT использует следующие типы документов, относящиеся к каждой конкретной задаче:

— описание задачи;

— геометрическая модель;

— физические свойства;

— результаты решения;

Описание задачи соответствует каждой физической задаче, решаемой при помощи ELCUT, которое при записи на диск помещается в файл с расширением *.pbm. Этот документ содержит общие характеристики как тип задачи («Электростатика», «Магнитостатика», «Теплопередача» и пр.), класс модели (плоская или осесимметричная) и пр., а также имена других документов, ассоциированных с данной задачей. Кроме этого описание задачи содержит ссылки на все остальные файлы, использующиеся в задаче. К их числу относятся файл геометрии модели, имеющий стандартное расширение mod и файлы физических параметров, имеющие одно из расширений des, dms, dcf, dec, dht или dsa в зависимости от предметной области задачи.

Пакет ELCUT позволяет создавать геометрические модели объектов любой конфигурации и сложности. Рис. 1.31 демонстрирует возможность создания блоков различной геометрии, границы которых образованы набором дуг окружностей и прямых линий.

Физические свойства или Данные различаются для разных типов задач (свойства для электростатики, свойства для вихревых токов и т. д.) Эти документы содержат значения свойств материалов, источников поля и граничных условий для разных помеченных геометрических объектов модели. Документ свойств может быть использован как библиотека материалов для различных задач.

Задача может ссылаться на два документа физических свойств одновременно: один из них, называемый справочник свойств, содержит свойства часто используемых материалов (библиотека материалов), а другой документ содержит данные, специфичные для данной задачи или группы задач.

Рис. 1.31. Окно геометрической модели ELCUT с примерами построения объектов сложной конфигурации В процессе решения задачи ELCUT создает еще один файл — файл результатов. Этот файл всегда имеет расширение res, имя, совпадающее с именем файла описания задачи, и помещается в ту же папку, в которой находится файл описания задачи.

Интерактивный постпроцессор позволяет просмотреть результаты расчета в различных формах представления: линии поля, цветные карты, графики различных величин вдоль произвольных контуров и пр. Можно вычислять различные интегральные величины на заданных пользователем линиях, поверхностях или объемах. Постпроцессор обеспечивает вывод таблиц и рисунков в файлы для дальнейшей обработки или качественной графической печати.

Программа легко осваивается и прекрасно подходит для обучения студентов технических специальностей. Для ознакомления с возможностями программы существует бесплатная студенческая версия с примерами задач, для покупателей — поддержка в режиме реального времени по электронной почте и телефону.

1.4.3.4 Возможности пакета

1. Модуль магнитостатика может быть использован для расчета и анализа устройств таких как соленоид, электрические машины, магнитные экраны, постоянные магниты, магнитные диски, и т. п.

Возможности:

— Материалы: линейные и нелинейные