Методы и средства комплексного анализа механических и тепловых характеристик конструкций радиоэлектронных модулей

С.Ю. Сизов,
нач. отд. САПР/ИПИ-технологий, sizov@sozvezdie.su,
ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж,

А.В. Турецкий,
доц., к.т.н., tav7@mail.ru,
О.Ю. Макаров,
проф., д.т.н., mou@hotbox.ru,
И.А. Лозовой,
ассист., lia042@mail.ru,
ВГТУ, г. Воронеж

В статье проводится краткий обзор наиболее доступных современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, даны рекомендации по выбору САПР, приводится способ моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули с помощью системы PRO/ENGINEER MECHANICA, рассмотрены этапы создания моделей электрорадиоэлементов и приведен пример модального анализа модуля с использованием рассмотренного способа.

In this article demonstration the shot review of the most accessible modern system of the automated designing and the engineering analysis is spent, recommendations for choice CAD are made, demonstration method design of mechanical influence on electronic equipment with the help of system PRO/ENGINEER MECHANICA, consider a stage creation models electronic components and demonstration example of modal analysis with use considered method.

В настоящее время вопросы внедрения в производство радиоэлектронных средств подсистем и пакетов прикладных программ для автоматизации анализа различных характеристик РЭС приобретают все большую актуальность, так как это дает значительный экономический эффект за счет сокращения натурных испытаний и связанного с этим срока проектирования.

Современное состояние САПР в России можно охарактеризовать как время массового перехода промышленности к использованию технологии 3D-проектирования. Рассмотрим ряд основных САПР, осуществляющих 3D-проектирование и инженерный анализ.

Система Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости [1]. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие.

Однако в этой системе есть некоторая универсальность и направленность на механическое проектирование. Для использования системы в расчетах узлов на печатных платах, имеющих свою специфику, требуется доработка.

Программный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений.

С помощью ANSYS Mechanical может проводиться расчет термомеханических напряжений в полупроводниках, электронных модулях, печатных платах и замкнутых системах[2,3]. Кроме того, инженеры при проведении модального анализа, изучении ударных нагрузок и вибраций могут учитывать нелинейные явления в конструкции изделия – включая усталость паяных соединений, расслоение и ползучесть. Программный комплекс ANSYS AUTODYN может использоваться для моделирования ударных испытаний с целью оптимизации рабочих характеристик и надежности изделия.

Программный продукт ANSYS Icepak используется для оценки температурного состояния электронных устройств в целом и отдельных узлов в частности. Он позволяет моделировать все виды теплообмена: естественную и вынужденную конвекцию, лучистый теплообмен и теплопроводность. CFD-комплексы используются для акустического анализа, изучения микроканалов, многофазных потоков, фазовых переходов и др.

Анализируя возможности системы ANSYS можно сказать, что она наиболее полно отвечает современным требованиям инженерного анализа и оптимизации печатных узлов РЭС.

Комплекс T-FLEX, разрабатываемый и распространяемый российской компанией «Топ Системы». Позволяет решить практически все задачи конструкторско-технологической подготовки производства — от получения заказа до изготовления изделия. При этом по функциональности каждая из систем комплекса T-FLEX конкурирует с лучшими образцами как западных, так и российских продуктов[4].

Анализируя возможности системы T-FLEX можно выявить достаточно хорошую проработку проектной и технологической составляющих проектирования. Отличительной особенностью является поддержка не только современного, но и более старого оборудования, что немаловажно для ряда российских предприятий.

Однако в этой системе отсутствуют средства анализа и оптимизации печатных узлов РЭС. T-FLEX имеет строгую направленность на механическое проектирование, но возможно проведение некоторых основных прочностных и тепловых расчетов.

Расширенные возможности модуля Structure and Thermal Simulation системы сквозного проектирования Pro/ENGINEER позволяют решить многие задачи моделирования. Он обладает следующими возможностями[5, 6]:

· статический анализ для расчета напряжений и перемещений, включая контактные нелинейные задачи;

· модальные решения для незакрепленной и закрепленной модели;

· возможности расчета на устойчивость позволяют определить критическую для конструкции нагрузку;

· анализ стационарной теплопередачи для оценки воздействия на модель постоянной тепловой нагрузки и граничных условий.

Анализируя возможности модуля Pro/MECHANICA системы Pro/ENGINEER можно сделать вывод, что это достаточно мощный инструмент механического и температурного анализа конструкций, позволяющий проводить большинство необходимых видов расчетов и оптимизаций. Однако стоит отметить в основном его направленность на решение задач в области механического проектирования и слабую проработку анализа и оптимизации узлов на печатных платах РЭС.

Система обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) включает в себя несколько подсистем, каждая из которых направлена на решение конкретной задачи [7].

Автоматизированная подсистема АСОНИКА-В предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах.

Подсистема АСОНИКА-М предназначена для автоматизации процесса моделирования неамортизированных конструкций РЭС на механические воздействия.

После моделирования конструкций третьего и второго уровней (шкафов, блоков и т.п.) результаты передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования механических процессов в конструкциях первого уровня РЭС (печатных узлов, кассет и т.п.).

Подсистема АСОНИКА-Т используется для определения тепловых режимов работы всех ЭРИ и материалов несущих конструкций и внесения изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки.

Подводя итоги, можно отметить следующие общие недостатки, присущие подсистемам АСОНИКА:

· слабая связь с современными системами 3D проектирования, что серьезно ограничивает применяемость системы;

· отсутствие у ряда подсистем собственного решателя, что приводит к необходимости приобретения продуктов сторонних производителей, зачастую дорогостоящих;

· недостаточная реализация средств оптимизации конструкций, увеличивающая затраты на проектирование как временные, так и материальные.

В связи со сказанным выше и по сравнению с рассмотренными системами инженерного анализа система АСОНИКА имеет весьма скромные возможности, что серьезно ограничивает ее применение на современных российских предприятиях.

Подводя итоги обзора современных систем автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства, можно сделать вывод, что в качестве базового программного продукта целесообразно выбрать систему Pro/ENGINEER. Эта система обладает широкими возможностями по обеспечению эффективной разработки и выпуску конкурентоспособной продукции. Однако, в этой системе слабо реализованы возможности инженерных расчетов узлов на печатных платах, составляющих основу радиоэлектронного оборудования. В частности, отсутствуют возможности анализа электромагнитной совместимости, анализа теплового режима сложных многослойных плат, имеющих собственное тепловыделение, анализа целостности сигнала и др. Для расширения возможностей Pro/ENGINEER целесообразно применить систему ANSYS, достаточно эффективно выполняющую эти виды анализа, которая, кроме того, поддерживает свободную интеграцию с современными CAD системами, в том числе и с Pro/ENGINEER.

С использованием в качестве базы инструментальных средств анализа системы Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation) общая методика проведения моделирования тепловых и механических характеристик (при интеграции с ANSYS также и ЭМС) включает следующие основные этапы.

1. Создание 3D моделей конструкции.

2. Анализ требований ТЗ и условий эксплуатации, выделение основных типов внешних и внутренних воздействий (механические нагрузки, тепловыделение).

3. Определение конкретной формы воздействующих факторов (вибрация, удары, линейные ускорения, силы, температура, тепловой поток, температурный градиент и т.д.) и их количественных параметров.

4. Формирование комплекса задач моделирования и их сведения к типовым математическим постановкам в форме соответствующих задач математической физики.

5. Определение и задание количественных параметров граничных условий: границы областей с разными типами воздействий, объемные и плоские источники энергии, взаимодействие с окружающей средой и конструкциями более высокого уровня иерархии (например, определение коэффициентов теплообмена) и т.д.

6. Задание параметров, входящих в граничные условия, средствами Structure and Thermal Simulation непосредственно на 3D модели конструкции.

7. Проведение расчётов и анализ результатов.

При этом основным этапом, определяющим адекватность и точность результатов моделирования, является выбор класса решаемой задачи, определяемого видом базового дифференциального уравнения (Лапласа, Пуассона, Фурье и т.д.), формирование и задание граничных условий для 3D модели конструкции с эффективным использованием возможностей, представляемых Structure and Thermal Simulation. Поэтому, целесообразным представляется формирование комплекса постановок задач моделирования для всех основных видов анализа и определения типовых характеристик РЭС, наиболее широко применяемых конструкций (с учетом их иерархии) и внешних воздействий (библиотеки моделей), и создание для каждой из таких моделей частных методик и их реализации средствами Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation).

Рассмотрим одну из возможностей внедрения таких методик моделирования механических воздействий на предприятии ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж).

В настоящее время 3D-проектирование на данном предприятии осуществляется, в основном, для наглядного представления разрабатываемого изделия и для разработки технологии его производства, моделирование механических и тепловых характеристик производится в основном для корпусов изделий.

На рисунке 1 представлена блок-схема предложенного метода моделирования механических и тепловых характеристик радиоэлектронных модулей.

рис.1 – Блок-схема метода моделирования механических и тепловых характеристик радиоэлектронных модулей

Расшифровка блок-схемы.

1. Создание модели РЭМ с помощью системы OrCAD.

2. Конвертация модели в систему Pro/Engineer, добавление третьей координаты.

3. Доработка модели РЭМ в системе Pro/Engineer с помощью библиотеки ЭРЭ (4).

4. Создание библиотеки электрорадиоэлементов.

Для решения этой задачи необходимо создание библиотеки элементной базы, в которую будут включены все электрорадиоэлементы (с закрепленными свойствами), входящие в состав изготавливаемых РЭС.

Ниже приведена последовательность создания модели ЭРЭ на примере микросхемы, выпускаемой в корпусе DIP24:

4.1. Создание моделей компонентов, составляющих ЭРЭ (корпуса, выводы, теплоотводы и тд.).

4.2. Добавление свойств материалов к моделям (плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент термального расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность).

4.3. Создание сборки модели электрорадиоэлемента.

4.4. Добавление тепловых свойств к модели (рассеиваемая мощность и т.п.).

Высокая точность построенных 3D-моделей, по отношению к реальным элементам, дает возможность контролировать влияние механических воздействий на всю конструкцию в целом, включая собственные частоты элементов и их выводов, что важно при проектировании конструкций, подверженных интенсивным механическим воздействиям.

Если необходимо уменьшить время процесса моделирования, достаточно упростить модели электрорадиоэлементов, заменив их на простые геометрические фигуры: параллелепипеды, тетраэдры, цилиндры и т.п. Но это, в свою очередь, приводит к некоторой погрешности в результатах моделирования, в том числе в этом случае отсутствует возможность контроля механических воздействий на элементы. Данное упрощение конструкции удобно при анализе тепловых процессов, проходящих при работе радиоэлектронного модуля и при отсутствии интенсивных механических нагрузок.

5. Проведение процесса моделирования механических и тепловых воздействий на основе разработанных методик (6).

рис. 2 – Собранная 3D модель микросхемы

Возможности CAD-системы программного комплекса Pro/ENGINEER позволяют в достаточно короткие сроки создавать геометрию моделей и сборку модулей, основные временные затраты уходят на поиск механических свойств материалов.

рис. 3 – 3D-модель сборки радиоэлектронного модуля

Модальный анализ иногда называется анализом собственной частоты. Модальный анализ важен для моделей, которые подвергнуты циклическим или вибрационным нагрузкам. Этот тип анализа сообщает о собственных частотах и соответствующих главных собственных форм системы при оценке.

рис. 4 – Перемещение точек РЭМ на частоте 605,94 Гц

рис. 5 – Напряжения в выводах микросхемы при частоте колебания платы 915 Гц

Модальный анализ проводился в интервалах частот от 100Гц до 2000Гц и от 20кГц до 24кГц. Выявлены следующие частоты вибрации:

o 605,94 Гц (колебание платы вдоль длинной стороны);

o 915,46 Гц (колебания платы вдоль меньшей стороны);

o 1429,34 Гц (кручение платы);

o 1442,3Гц (собственная частота вибрации теплоотводящей пластины);

o 20129,01 Гц (первая собственная частота транзисторов);

o 20337,89 Гц (первая собственная частота колебаний микросхем в корпуса DIP8);

o 21553 Гц (кручение транзисторов и микросхем).

рис. 6 – Напряжения в выводах транзистора при частоте колебаний 915,46Гц

рис. 7 – Напряжения на выводах элементов при воздействии частоты 20,33кГц

Приведенные результаты моделирования позволяют сделать вывод о достаточной точности и эффективности комплексного анализа механических характеристик радиоэлектронных модулей на основе применения системы Pro/ENGINEER Mechanica.

Литература

1. Рычков С. П. MSC.visual NASTRAN для Windows / С.П. Рычков. М: НТ-пресс, 2004. 552 с.

2. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя / К.А. Басов. М.:ДМК Пресс, 2005. 640 с.

3. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2004. 269 с.

4. T-FLEX. Трехмерое моделирование. Руководство пользователя. Топ системы 2006 г. 748 с.

5. Буланов А. Wildfire 3.0. Первые шаги. М.: Изд-во «Поматур», 2008. 240 с.

6. Грэхам Г. Pro/Engineer 2001 / Г. Грэхам, Д. Стенффен. М.: Изд-во «Лори», 2003. 363 с.

7. Шалумов А.С. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Т. 1. / А.С. Шалумов, Н.В. Малютин, Ю.Н. Кофанов и др.; Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.