1.4 Процесс моделирования тепловых и механических процессов в радиоэлектронной аппаратуре

Программным комплексом для проведения компьютерного моделирования приемно-вычислительного блока выбран комплекс АСОНИКА "Автоматизированная Система Обеспечения Надежности Качества Аппаратуры". АСОНИКА - это специализированный программный продукт, созданный для компьютерного моделирования физических процессов, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, с учетом влияния внешних воздействий.

АСОНИКА имеет сертификат качества, выданный Министерством обороны РФ.

Важный плюс программы АСОНИКА заключается в том, что в неё загружены базы данных, которые содержат электрорадиоизделия и материалы соответствующие отечественным стандартам.

Три серьёзные проблемы, которые стоят перед конструкторами и разработчиками радиоэлектронной аппаратуры, и которые решаются с использованием программного комплекса АСОНИКА:

отказы аппаратуры на начальных этапах проектирования;

ограниченные сроки для проведения проектирования, а также ограниченные денежные ресурсы;

отсутствие электронного документооборота и сквозного проектирования.

Непосредственно, сам процесс компьютерного моделирования приемно-вычислительного блока в программном комплексе АСОНИКА происходит согласно методике "сверху - вниз" в две стадии. Вот почему потребуется подготовка исходных данных для двух стадий компьютерного моделирования (см. рисунок 2, рисунок 3):

для первого этапа необходимы исходные данные, чтобы получить значения средних температур всех конструктивных элементов, а также температуры воздуха, окружающего печатные узлы и получить значения механических характеристик в узлах креплений печатных узлов;

для второго этапа необходимы исходные данные, чтобы получить уже значения температур и параметров механических воздействий в отдельности на каждом электрорадиоизделии.

Для проведения компьютерного моделирования на механические воздействия требуется получить следующие исходные данные: справочные значения физико-механических параметров всех составных элементов конструкции, таких как плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и т.д. Так главным материалом, из которого изготавливается корпус блока, является сплав алюминиевый АД1. Он обладает следующими характеристиками: плотность равна 2710 кг/мі, модуль упругости равен 69 ГПа, коэффициент Пуассона равен 0,33.

Далее потребуется импортировать 3D-модель конструкции приемно-вычислительного блока в программу для расчета, т.к. требуется знать размеры самого блока, размеры печатных плат, всех электрорадиоизделий, а также указать граничные условия закрепления блока.

И, последнее, для проведения моделирования необходимо задать сами механические воздействия. Из технического задания берутся следующие характеристики механических воздействий:

>диапазон механического воздействия: временной интервал и шаг в секундах для удара многократного и однократного, а также для линейного ускорения; диапазон частот и шаг в герцах для вибраций (гармонических и случайных) и акустического шума;

>амплитуда механического воздействия: ускорение в [g] для линейных ускорений, гармонических вибраций, ударов многократных и однократных; спектральная плотность в [g²/Гц] для случайных вибраций; давление в [Дб] для акустических шумов;

>график зависимости амплитуды механического воздействия от времени.

Для проведения первого этапа моделирования тепловых процессов в приемно-вычислительном блоке необходимо задать:

>значения теплофизических показателей материалов таких, как коэффициент теплопроводности, теплоемкость;

>начальную температуру и остальные характеристики окружающего пространства;

>форму и размеры всего приемно-вычислительного блока и всех составляющих его печатных узлов;

>суммарные значения мощностей тепловыделения на каждом печатном узле;

>поверхности, отводящие тепло за счет кондукции.

Для проведения второго этапа компьютерного моделирования, на котором исследуется в отдельности каждый печатный узел, необходимо задать:

>средние значения температур всех конструктивных элементов и температуры воздуха вокруг печатных узлов, полученные на первом этапе компьютерного моделирования;

>справочные значения теплофизических параметров материалов корпусов всех электрорадиоизделий, включая коэффициент теплопроводности, теплоёмкость, тепловое сопротивление между печатной платой и кристаллом электрорадиоизделия;

>задать геометрические размеры и положение на печатной плате всех электрорадиоизделий, принимающих участие в расчете;

>мощности рассеивания на всех электрорадиоизделиях, участвующих в расчете;

>поверхности с отводом тепла посредством кондукции.

Из-за незначительного влияния на общую картину протекания тепловых процессов на печатных узлах допускается пренебрегать такими электрорадиоэлементами, которые имеют малые значения мощностей рассеивания по сравнению с большинством остальных. Как правило, согласно общим критериям отбора таких электрорадиоэлементов, не учитываются тепловыделения конденсаторов, индуктивностей и резисторов.

Пристальное внимание отводится моделям многослойных печатных плат (МПП). При моделировании МПП принимается несколько упрощений:

>принимаем, что МПП обладает свойствами ортотропности, другими словами коэффициент теплопроводности в направлении, перпендикулярном МПП (л_Z), отличается от значений коэффициентов теплопроводности в плоскости многослойной печатной платы (л_XY =л_X =л_Y);

>вся МПП обладает усредненной плотностью и удельной теплоемкостью;

>не учитываем переходные и сквозные отверстия;

Слои МПП состоят из диэлектриков и проводников. Как правило, в качестве диэлектрика применяется стеклотекстолит марки FR4 с коэффициентом теплопроводности равном 0,3 Вт/м·К, а в качестве проводника применяется медь с коэффициентом теплопроводности равном 385 Вт/м·К.

Значения коэффициентов теплопроводности в различных плоскостях многослойной печатной платы зависят от нескольких показателей: количество слоев в МПП (N); процент заполнения слоёв проводников и слоев диэлектрика (е); толщина отдельных слоёв с проводниками и с диэлектриками (д), а также материалов слоев.

Для расчета коэффициентов теплопроводности МПП используются следующие формулы:

Рис. 3. Данные для 1 этапа компьютерного моделирования.

Рис. 4. Данные для 2 этапа компьютерного моделирования.