Моделирование и оптимизация теплового проектирования радиоэлектронных устройств и комплексов на основе методов конструктивно-теплового синтеза

Актуальность темы

К настоящему времени такие основные направления развития радиоэлектронных средств (РЭС), в том числе применяемых в сфере связи и телекоммуникаций, как повсеместный переход на цифровые методов обработки сигналов и постоянное повышение производительности цифровых устройствширокое применение в качестве элементной базы быстродействующих БИС и СБИС с высоким энергопотреблениемреализация и использование систем на кристаллеминиатюризации конструкций и увеличение плотности компоновки на всех уровнях конструктивной иерархиирасширение области использования и эксплуатации современных радиоэлектронных устройств в различных, в том числе весьма жестких, внешних условиях привели к резкому росту удельных тепловых потоков и усилению тепловых воздействий, что поставило задачи обеспечения тепловых режимов в число наиболее важных в процессе проектирования РЭС. Поэтому обязательной частью процесса проектирования современных устройств и комплексов связи и телекоммуникаций является тепловое проектирование, а в состав САПР РЭС входят специализированные подсистемы и комплексы. Широко используемый подход к организации теплового проектирования РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечение теплового режима в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляющихся после решения какой-либо задачи конструкторского синтеза (размещение, компоновка, выбор и разработка конструкций блоков, стоек и т. д.), если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции. Такая структура процесса теплового проектирования не обхватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а так же не позволяет осуществить комплексное исследование, обеспечение и оптимизацию параметров систем охлаждения и теплоотвода.

СО) РЭС и тепловых характеристик разрабатываемых конструкций. Поэтому для уменьшения временных затрат и повышения качества проектирования РЭС необходимо решать вопросы обеспечения теплового режима на всех этапах разработки конструкций. В ходе конструкторского проектирования РЭС эффективное решение таких задач возможно на основе подхода, называемого конструктивно-тепловым синтезом, под которым понимается комплексное применение различных методов анализа тепловых процессов, разработки систем охлаждения, параметрического синтеза и оптимизации СО, теплоотводящих устройств и тепловых характеристик конструкции.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов, математических хмоделей, алгоритмов и программных средств реализации процедур конструктивно-теплового синтеза, направленных на получения конструкций РЭС с заданными или оптимальными тепловыми режимами путем решения задач структурного и параметрического синтеза систем охлаждения и комплекса теплоотводящих устройств, обеспечения и оптимизации процессов теплопередачи, конструктивных параметров и режимов функционирования.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства» и в рамках ГБ НИР 2004.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем».

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка математических моделей, алгоритмов, методик и программных средств синтеза и моделирования систем и устройств обеспечения тепловых режимов РЭС на различных этапах конструкторского проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ задач обеспечения теплового режима современных РЭС, решаемых в рамках процесса теплового проектирования, и определить основные направления повышения его эффективности на основе методов конструктивно-теплового синтезаразработать структуру процесса и состав проектных процедур конструктивно-теплового синтеза, а также соответствующего математического обеспечениясформировать комплекс математических моделей тепловых процессов в РЭС, базирующихся на ограниченном наборе унифицированных тепловых моделей, охватывающих все конструктивные уровни иерархии и применимых для задач обеспечения и оптимизации тепловых режимов на различных этапах конструкторского проектированияразработать математические модели систем охлаждения и теплопередачи в РЭС и теплоотводящих устройств различных типов, а также алгоритмы и методики выбора типа и структуры таких систем для конкретных РЭС и их параметрического синтеза и оптимизацииреализовать предложенное математическое обеспечение и методики в программно-методическом комплексе обеспечения теплового режима конструкций РЭС.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные методы теории автоматизированного проектирования, теплопроводности и теплообмена, математической физики, вычислительной математики, оптимизации, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: структура процесса конструктивно-теплового синтеза РЭС, состав соответствующих проектных процедур и математического обеспечения, отличающиеся комплексным подходом к решению задач синтеза системы охлаждения и комплекса теплоотводящих средств на всех уровнях конструктивной иерархии РЭСкомплекс унифицированных тепловых моделей конструкций РЭС и аналитических математических моделей тепловых процессов в них, отличающихся использованием ограниченного числа простых базовых моделей и позволяющих решать задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов конструктивных единиц различного иерархического уровня на разных этапах проектированияматематическая модель систем охлаждения и теплоотвода РЭС в виде графа, отражающая пути и способы теплопередачи в конструкции, обеспечивающая решение задач синтеза и оптимизации тепловых процессов путем определения эквивалентных коэффициентов теплоотдачи каждого возможного путипроцедуры и алгоритмы определения типа и структуры системы охлаждения РЭС и параметрического синтеза комплекса теплоотводящих устройств различных типов, отличающиеся применением эквивалентного коэффициента теплоотдачи как интегральной характеристики эффективности и унифицированных тепловых и математических моделей теплорассеивающих элементов, позволяющие решать задачи обеспечения заданных тепловых характеристик узлов и компонентов РЭСметодика и алгоритмы оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, отличающиеся использованием модели системы охлаждения в виде графа теплопередачи и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задач о максимальном потоке и задачи о назначениях.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы и программные средства, реализованные в программно-методическом комплексе обеспечения тепловых режимов РЭС, позволяющего комплексно решать задачи анализа, выбора и параметрического синтеза при разработке систем и устройств охлаждения в процессе теплового проектирования. Применение предложенных методов и средств обеспечивает сокращение затрат на проектирование, повышение качества проектных решений и надежности разрабатываемых РЭС.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированного комплекса использовались при выполнении ряда НИОКР для решении задач обеспечения теплового режима конструкций РЭС связи, их узлов и компонентов и внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие», а также в учебный процесс Воронежского государственного технического университета для студентов специальности 210 201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2006), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2007)» (Сочи, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007, 2008), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского государственного технического университета (2005;2008) и научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2005;2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 учебное пособие. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: анализ и формулировка задач обеспечения теплового режима в рамках метода конструктивно-теплового синтеза /3,4/, состав комплекса унифицированных тепловых моделей РЭС /3,7,10,11/, основные задачи, структура процесса, состав проектных процедур и математического обеспечения конструктивнотеплового синтеза РЭС /3/, математические модели тепловых процессов блоков различной формы /3, 8/, методика выбора типа системы охлаждения на базе графовой модели /3, 14/, модели ряда типовых теплоотводящих устройств и алгоритмы их параметрического синтеза /3/, вопросы интеграции средств моделирования характеристик РЭС в сквозном процессе «проектированиепроизводство» /2, 12/.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 44 рисунка, 9 таблиц.

2. Результаты работы были внедрены в проектные работы на предприятии (ОАО «Концерн «Созвездие») и использованы в учебном процессе Воронежского государственного технического университета, их применение показало позволило повысить эффективность теплового проектирования РЭС связи, качество проектных решений и надежность разрабатываемых РЭС, сократить затраты на проектирование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ особенностей организации процесса теплового проектирования современных РЭС связи, применяемого математического и программного обеспечения и определены основные направления повышения их эффективности на основе методов конструктивно-теплового синтеза.

2. Сформирован комплекс и схема взаимодействия проектных процедур конструктивно-теплового синтеза РЭС, а также разработана структура и состав математического обеспечения, охватывающего модели процессов теплопередачи и температурных полей основных типов конструкций РЭС, используемых в данной области, теплоотводящих устройств различного назначения и соответствующие алгоритмы, позволяющего решать все поставленные задачи анализа и синтеза при выполнении теплового проектирования.

3. Сформирован комплекс унифицированных тепловых моделей конструкций различных РЭС, который охватывает все рассматриваемые иерархические уровни и позволяет получать модели тепловых процессов в них в аналитической форме, а также получен набор аналитических математических моделей процессов и температурных полей в конструктивных единицах РЭС различных уровней иерархии, обеспечивающих выполнение процедур оценки, анализа и обеспечения теплового режима на различных этапах проектирования.

4. Предложена математическая модель процессов теплопередачи и систем охлаждения РЭС в виде графа, отражающего пути и способы теплоотво-да в конструкции, обеспечивающая решение задач анализа и оптимизации процессов теплоотдачи при проектировании систем обеспечения теплового режима.

5. Предложена методика и алгоритм синтеза СО, обеспечивающие выбор способа теплопередачи и типа системы теплоотвода при проектировании конструкций РЭС, основанные на использовании эквивалентного коэффициента теплоотдачи аэ как интегральной характеристики эффективности различных СО и видов теплоотводящих устройств.

6. Создан комплекс математических моделей широко применяемых устройств интенсификации теплоотвода различных видов, основанных на унифицированных тепловых и математических моделях типовых теплопере-даюгцих и теплорассеиваюхцих элементов и обеспечивающих определение значений эквивалентных коэффициентов теплоотдачи, а также методика и алгоритм параметрического синтеза таких теплоотводящих устройств при решении задач обеспечения теплового режима РЭС, их узлов и компонентов, основанные на применении данных математических моделей.

7. Разработана методика и алгоритм оптимизации структуры построения и характеристик системы охлаждения и конструктивных параметров РЭС, использующие графовую модель системы теплоотвода и обеспечивающие повышение эффективности процессов теплопередачи в конструкции на основе решения задачи о максимальном потоке.

8. На основе предложенных методов, ¿-моделей и алгоритмов разработано программное обеспечение автоматизированного комплекса, позволяющего решать задачи анализа, выбора струкруры и параметрического синтеза при разработке систем и устройств охлаждения в процессе теплового проектирования. Результаты работы внедрены в проектные работы на предприятии и в учебный процесс, их применение позволяет сократить затраты на проектирование, повысить качество проектных решений и надежность разрабатываемых РЭС.