Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.

ЭЛЕКТРОННАЯ МОДЕЛЬ КАК ОСНОВА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

 

Кофанов Ю.Н., Манохин А.И., Малютин Н.И.

 

(МИЭМ, ОАО «НПП «Волна»)

 

В рамках использования CALS – технологий широкое применение получили автоматизированные средства работы с данными, представленными в компьютерной форме.  Развитие компьютерных технологий в проектировании радиоаппаратуры позволяет сделать процесс проектирования и моделирования ее более наглядным, снижая риски  появления ошибок.

Важнейшей частью CALS-технологии является электронная форма представления данных, пришедшая на смену чисто бумажной,. По ГОСТ 2.001-93 теперь существуют две равноправные формы представления конструкторской документации (КД) — бумажная и электронная. В данной статье приводится пример использования  автоматизированной системы обеспечения надежности и качества АСОНИКА при автоматизированном расчете тепловых режимов блока радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с использованием электронных моделей среде .3D-моделей САПР проектирования совместно

Электронная модель изделия (по ГОСТ 2.052-2006) — взаимоувязанный набор данных на ЭВМ, формируемый и используемый при проектировании изделия и определяющий его свойства, необходимые для изготовления, контроля, приемки, сборки, эксплуатации, ремонта и утилизации этого изделия. Электронная геометрическая модель — математическая модель, описывающая форму, размеры и другие свойства изделия, определяемые его формами и размерами.

Электронная структура изделия — конструкторский документ, содержащий состав сборочной единицы, комплекса или комплекта, иерархические отношения (связи) между составными частями и другие данные в зависимости от его назначения.

Стандарт ГОСТ 2.052 устанавливает общие требования к выполнению электронных моделей изделий (ЭМИ) радиоэлектронной аппаратуры. ЭМИ используется для представления данных в автоматизированных системах; для наглядного отображения конструкции изделия в процессе выполнения проектных работ, производственных и иных операций; для изготовления чертежной КД в электронной и/или бумажной форме.

Электронный макет (DMU, Digital Mock-Up)— взаимосвязанное объединение всей информации об изделии и его компонентах в электронном виде, создаваемое и используемое на различных этапах жизненного цикла (ЖЦ) изделия. В электронный макет входят электронные модели всех частей изделия, включая 3D модели деталей, узлов и систем, сведения о характеристиках изделия, пространственной конфигурации, основных технических требованиях, компоновках основных узлов, агрегатов, подсистем, их взаимосвязях.

Создание электронного макета позволяет заменить "бумажные" книги на диалоговые (интерактивные) электронные технические руководства — компактный справочный материал с удобным  и оперативным поисковым аппаратом.

 

 

 

 

Рис. 1 Электронная твердотельная модель блока коммутации выполненная в SolidWorks

 

Электронная геометрическая модель блока, выполненная в промышленной CAD SolidWorks в данном случае используется для наглядного представления и получения геометрической и теплофизической информации для расчета. В дальнейшем рассчитываемые варианты конструкции будут  иллюстрироваться изображениями электронных 3D моделей   в этой CAD.

Описание конструкции

 

Блок представляет собой прямоугольную кассетной металлическую конструкцию с модулями, выполненными в виде печатных узлов.  Габаритные размеры блока 365*280*320 мм.

 

 

 

Рис. 2 Блок коммутации в двухмерном (AutoCAD) представлении

 

Данный двухмерный чертеж удобен для получения геометрических размеров блока.

 

В блоке установлены  модули ШС10-01Е (3 шт), ШС10-02Е, ШС10-10Е, ШС10-30Е,  ТМ-П, ШС10-71Е. Порядок установки блоков представлен ниже.

 

 

Рис. 3 Блок коммутации. Расположение блоков

 

Модуль ШС10-01Е представляет собой рамку с установленными на ней по бокам двумя параллельными печатными узлами  (ПУ). Печатные узлы  имеют размер c обрамлением 200*220 мм.  Аналогичную конструкцию имеют и другие модули.

Для вычисления мощности тепловыделения обычно составляют таблицу с потребляемыми токами и напряжениями для каждого модуля. Соответственно, пересчитываем через эти параметры мощности тепловыделения по каждому напряжению. Если модуль требует несколько напряжений, то суммируем мощность по всем напряжениям и получаем суммарную мощность по модулю. Методика может и не очень строгая, но в реальности, это часто единственная реальная возможность получить оценку тепловой мощности на модулях. Результат сведем в итоговую таблицу.

Таблица 1.

Мощности тепловыделения в модулях коммутации

 

Название

Мощность, Вт

Кол-во, шт

Мощность, Вт

ШС10-01

12,27

3

36,81

ШС10-02

18,85

1

18,85

ШС10-10

2,8

1

2,8

ШС10-30

3,1

1

3,1

ТМ-П

12,15

1

12,15

ШС10-71

81

1

81

Итого

 

 

154,71

 

Моделирование теплового режима блока коммутации

 

Задача расчета формулируется следующим образом. Для температуры +50ºC окружающей среды провести расчет теплового режима блока коммутации. Режим нагрева - стационарный (постоянный). Охлаждение блока снаружи и внутри - естественное воздушное охлаждение.  Расчет теплового режима производится для выявления превышения максимально-допустимой по ТУ температуры электро–радио - элементов (ЭРЭ) или превышения коэффициентов температурной нагрузки ЭРЭ, расчета надежности   блока.

Для автоматизированного моделирования теплового режима блока коммутации  использована подсистема  «Асоника-Т», предназначенная для моделирования теплового режима конструкций произвольного вида. Внутри блока существует естественная конвекция. Для оценки наихудшего случая будем считать первоначально блок герметичным.

 

 

Рис. 4. Электронная твердотельная модель блока коммутации в герметичном исполнении

 

Первым шагом моделирования является построение топологической модели тепловой процесса (МТП) конструкции, для чего сначала делаются допущения-упрощения:

·         - Корпус блока- изотермичен:

·         - воздух внутри блока изотермичен  и моделируется одним узлом модели:

·         - Каждый печатный узел (ПУ) изотеремичен:

·         -Мощность тепловыделения каждого ПУ моделируется источником постоянной мощности:

·         - Окружающая среда моделируется источником постоянной заданной температуры.

Влиянием рядом расположенных предметов пренебрегаем, т.е. считаем блок расположенным в просторном помещении с заданной температурой, а теплопроводностью через виброизоляторы  на основание пренебрегаем.

Понятие «изотермичности» конструктивного узла означает, что данный элемент моделируется одним узлом МТП.

С учетом этих допущения МТП будет выглядеть так

Номера узлов МТП:

Узел 1- окружающая среда. Узел 2 корпус блока, Узел 3 – внутренний воздушный объем блока

Узлы 4 и 5 – левый (л) и правый (пр) печатный узел блока ШС10-01

Узлы 6 и 7 – левый и правый печатный узел блока ШС10-02

Узлы 8 и 9 – левый и правый печатный узел блока ШС10-01

Узлы 10 и 11 – левый и правый печатный узел блока ШС10-01

Узлы 12 и 13 – левый и правый печатный узел блока ШС10-10

Узлы 14 и 15 – левый и правый печатный узел блока ШС10-30

Узлы 16   – печатный узел блока ТМ-П

Узлы 17 – корпус  блока ШС10-71

Узлы 18- ПУ блока ШС10-71

Узел 19 – торцевой радиатор блока ШС10-71

Тепло выделяемое в печатных узлах будет излучением передаваться на соседние печатные узлы и окружающие элементы конструкции (корпус блока и др.). Кроме того, конвекцией энергия будет передаваться во внутренний воздушный объем блока.

С поверхности блока энергия будет рассеиваться в окружающую среду конвекцией и излучением.

В соответствии с этой МТП были подготовлены исходные данные и проведен расчет с использованием подсистемы «Асоника-Т». Полученные результаты сведены в таблицу.

 

Таблица 2.

Результаты расчета при естественной конвекции

№ узла

Имя узла

Температура, C

1

Окр. среда

50

2

Корпус

70.6

3

Внутр. воздух

100.3

4

ШС1-л(евый)

101.9

5

ШС1-пр(равый)

113.5

6

ШС2-л

120.2

7

ШС2-пр

121.6

8

ШС1-л

119

9

ШС1-пр

117.8

10

ШС1-л

116.8

11

ШС1-пр

114.8

12

ШС10-л

109.9

13

ШС10-пр

108.5

14

ШС30-л

109.4

15

ШС30-пр

113.3

16

ТМ-П

123.2

17

Корпус ШС71

124.6

18

ШС71-ПУ

118.3

19

ШС71 рад

126.6

 

Вывод. При температуре окружающей среды 50 градусов получаем температуру внутреннего воздуха 100.2 градусов, что очень много. Более того, средние температуры ПУ получаются тоже очень высокие, например в ШС71  корпус имеет температуру 124 градусов, а ПУ 118 градуса, что недопустимо.

 

Предыдущий рассмотренный случай – наихудший случай - блок рассматривался как герметичный. Теперь оценим влияние перфорации.

Реальный блок имеет перфорацию, поэтому в нем наблюдается естественный массоперенос осуществляемый нагреваемым воздухом. Для оценки расхода воздуха в перфорированном блоке используем известную формулу из книги Дульнев Г.Н.,  Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры, «Энергия» , 1971. 248 с.

Где G- расход воздуха через аппарат, h – расстояние между верхними и нижним рядом перфорации.  R – коэффициент учитывающий геометрические параметры. Очевидно, наиболее трудно определить R.

 

Рис. 5. Электронная твердотельная модель блока коммутации с перфорацией стенок (вид сзади)

 

Перфорация представляет собой 43 щелевых отверстия размером 1.5*13 мм. Размер нижней перфорации аналогичен. Расстояние между верхней и нижней перфорацией 120 мм. В выражении для R наибольший вклад внесут слагаемые определяемые площадью входных и выходных отверстий, вследствии малости отверстий.  

R=1/f**2+1,7/f**2=2,7/f**2= 2.7/(8.4*10-5)=3.84*10+6 м**3

Расход воздуха составит 2.4*10-5 кг/сек или 0,22 л/сек. Или 3*10-3 м/сек. Что очень мало! Причем основной вклад, как уже указывалось, в такой малый расход вносят перфорационные отверстия.

Моделирование позволяет оценить различные варианты конструктивного исполнения, в том числе и, например, наилучший гипотетический случай, когда корпуса вообще нет или перфорация как- бы,  идеальна.

Рис. 6 Электронная твердотельная модель блока коммутации со снятым корпусом

 

С точки зрения МТП это означает, что в качестве внутреннего воздушного  объема будет выступать окружающая среда, который будем моделировать источником температуры равный температуре окружающей среды, т.е. 50 градусов.

 

 

 

Рис. 7. Электронная  топологическая МТП блока коммутации со снятым корпусом

 

 

Таблица 3.

Результаты расчета при естественной конвекции при отсутствии корпуса

 

№ узла

Имя узла

Температура,

С

1

Окр.среда

50

2

Корпус

53.5

3

Внутр. воздух

50

4

ШС1-л(евый)

63.5

5

ШС1-пр(равый)

67.4

6

ШС2-л

71.8

7

ШС2-пр

72

8

ШС1-л

68.4

9

ШС1-пр

67.2

10

ШС1-л

66.3

11

ШС1-пр

64.5

12

ШС10-л

58.6

13

ШС10-пр

57.2

14

ШС30-л

58.4

15

ШС30-пр

63.6

16

ТМ-П

79

17

Корпус ШС71

91.3

18

ШС71-ПУ

75.5

19

ШС71 рад

126.6

 

Выводы: Тепловой режим блока неплохой, но это идеализированный случай, показывающий потенциальные возможности данного решения.

 

Теперь проведем расчет теплового режима блока коммутации, в котором для снижения температур будет применен вентилятор, на входе которого снизу будет продувать воздух. В этом случае одна из задач это определение средней по сечению скорости воздуха по заданной производительности вентилятора.

В этом случае скорость воздуха в первом приближении будет определяться как производительность вентилятора деленная на поперечное сечение блока для продуваемого воздуха.

Рис. 8 Электронная твердотельная модель продуваемого блока коммутации с установленными снизу вентиляторами

 

По уточненным данным в качестве вентилятора был выбран осевой вентилятор PAPST-8414NH. Вентиляторы данной серии имеют размер 80*80*25 мм. Заявленная производительность вентилятора 79 м***3/час. Реальная производительность зависит обратно пропорционально от создаваемого статического давления и приводится в характеристиках на вентилятор.

Т.к. производительность вентилятора в реальности падает с учетом сопротивления потоку воздуха, то будем считать, что реальная производительность вентилятора будет не 79, а 70 м*3/час. С учетом геометрии блока и размеров вентиляторов применим два вентилятора, т.е. суммарная производительность составит 70*2=140 м*3/час.

Рассчитаем поперечное сечение собственно блока при продуве снизу вверх Размеры блока в этом направлении  365*320 мм, или с учетом толщины внутреннее сечении составит около 350*300 мм или 0.1 м*2. Т.к. ящик не пустой то пусть живое сечение его будет около 70 %. Тогда сечение будет 0.07 м*2.

При производительности 700 м*3 (вентилятор типа 2ДВ0-0,7.60-367-4) расчетная средняя скорость составит 2.65 м/сек. Построим таблицу зависимости расхода воздуха от  скорости продува.

При производительности 140 м*3/сек (2 шт. PAPST-8414NH)   получим скорость продува воздуха  0.53 м/сек.

Тепло выделяемое в печатных узлах будет излучением передаваться на соседние печатные узлы и окружающие элементы конструкции (корпус блока и др.). В отличии от предыдущего случая энергия внутри будет передаваться в воздух уже не естественной а вынужденной конвекцией. А прокачиваемый внутренний воздух, поднимаясь будет нагреваться и, выходя наружу, уносить энергию из блока (тепломассоперенос).

Как и в первом случае с поверхности блока энергия будет рассеиваться в окружающую среду конвекцией и излучением. Т.е. если снаружи корпус будет отдавать энергию естественной конвекцией, то внутри будет главенствовать вынужденная конвекция.

Узел 3 МТП ранее представлявший замкнутый внутренний объем воздуха блока теперь будет моделировать продуваемый воздух, в который будет осуществляться вынужденная конвекция с внутренних печатных узлов блока.

Рис. 9 .Электронная топологическая МТП продуваемого блока коммутации

 

Тепломассоперенос воздуха из окружающей среды через блок моделируется ветвью модели  1-3 тепломассоперенос в канале  (тип 71) .

Сведем в таблицу результаты расчета теплового режима при двух скоростях продува воздуха 0.53 м/сек и 1 м/сек. Изменение скорости .продува моделируемого варианта заключается в изменении во всех ветвях МТП  0.53 м/сек на 1 м/сек.

 

Таблица 4.

 

Результаты расчета при скорости 0.53 м/сек

 (два вентилятора PAPST-8414NH  )

№ узла

Имя узла

Температура при скорости 0.53 м/сек,

С

Температура при скорости 1 м/сек,

С

1

Окр. среда

50

50

2

Корпус

54.4

53.1

3

воздух на выходе

53.5

52

4

ШС1-л(евый)

62.6

59

5

ШС1-пр(равый)

65.7

60.9

6

ШС2-л

69.7

64.1

7

ШС2-пр

69.8

64.1

8

ШС1-л

66.4

61.2

9

ШС1-пр

65.3

60.6

10

ШС1-л

64.7

60.2

11

ШС1-пр

63.3

59.3

12

ШС10-л

58.2

55.1

13

ШС10-пр

57.2

54.4

14

ШС30-л

58.3

55

15

ШС30-пр

63

58.1

16

ТМ-П

79.2

71.6

17

Корпус ШС71

96.7

89.1

18

ШС71-ПУ

75.4

67.3

19

ШС71 рад

126.6

126.6

 

Вывод. При температуре окружающей среды 50 градусов получаем температуру нагрева продуваемого воздуха 53.5 градуса. Т.е применение продува (0.53 м/с) значительно снизило температуру воздуха.

При температуре окружающей среды 50 градусов получаем температуру нагрева продуваемого воздуха 52. градуса. Температура корпуса ШС71 снизилась практически  до 89 градусов. Можно отметить большую температуру внешнего радиатора не зависящую от продува,  вследствие того, что он не обдувается. Кроме того, возможно, там достаточная сложная конструкция которую на данном этапе детализации учесть трудно.

 

Рис. 10 . Представление электронных моделей в PDM системе «Асоника-УМ»

 

В данном примере использовались следующие электронные модели: твердотельные модели в виде 3Д моделей выполненных промышленной САПР SolidWorks и электронные топологические МТП подсистемы Асоника-Т для различных конструктивных исполнений, Совокупность всех использованных электронных моделей составляет электронный макет изделия и сохраняется в соответствующей PDM системе АСОНИКА-УМ (рис.10.) позволяющей осуществлять простой процесс управления данными о проектируемом изделии.

Совокупность используемых моделей позволяет оперативно анализировать варианты разрабатываемых изделий в системе «Асоника» и других САПР и добиваться выполнения  ТЗ на ранних стадиях проектирования, снижая издержки и повышая качество разработки.

Литература

1. Шалумов А., Малютин Н., Кофанов Ю.Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1 Издательство: Энергоатомиздат, 2007 г. Твердый переплет, 368 стр.

2. Кофанов Ю.Н., Манохин А.И., Увайсов С.У. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества  радиоэлектронных средств: Учеб. пособие. / МГИЭМ., М.:, 1998 г., 140 с. 

3. Манохин А. И. Исследование тепловых режимов радиоаппаратуры с помощью вычислительного эксперимента.// Современные проблемы радиоэлектроники. //Сб. научных трудов.         Под редакцией А. В. Сарафанова. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. – с.505-511.

 

 

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.