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 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.

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

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

. 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

.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:Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Element SoluMenu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Elem TableMenu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu

Для построения векторного поля:Menu> General Postproc> Plot Results> Vector Plot> Pre-defined or Userdefined

Рис 1.2 График векторного поля.

Для вывода результатов решения в табличном виде:Menu>General Postproc>List Results>Element SolutionMenu>General Postproc>List Results>Nodal SolutionMenu>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 [7] (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.

.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. <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>.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.  <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>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 <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>) 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.  <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>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.  <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>1.15) или локальных (рис. 1. <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>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. <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>1.17); термограммы разрабатываемой конструкции (рис. <file:///D:\Home\Iris\2007%20-%208%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80\%D0%94%D0%B5%D0%B2%D1%8F%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B2\10.html>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 конструктивно- технологических 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",, 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.

 <javascript: wrForm = ImageView( '../images/f_1_14_05b.gif', '610', '450' ); wrForm.focus()>

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

.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.

.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

         Специальный редактор кривой намагничивания

         Линейные и нелинейные постоянные магниты

         Сверхпроводники

         Распределенные и точечные токи

         Граничные условия Неймана и Дирихле

         Специальные аппроксимирующие функции для осесимметричной формулировки задач, которые обеспечивают высокую точность вблизи оси вращения

         Результаты решения: индукция, напряженность поля, потенциал, магнитная проницаемость, энергия, собственная и взаимная индуктивность, усилия, моменты, и другие интегральные величины

         Связанные задачи: силы, действующие в магнитном поле, могут быть использованы для анализа механических напряжений

.        Модуль магнитные поля переменных токов может быть использован для анализа распределения вихревых токов. Для заданной частоты, он может анализировать магнитные поля от переменных токов, вихревых токов, индуцированных переменными магнитными полями. Этот модуль идеален для проектирования установок индукционного нагрева, трансформаторов, катушек, электрических машин, и многих типов индукторов.

Возможности:

         Анизотропная проводимость

         Распределенные и точечные заряды

         Плавающие проводники

         Граничные условия Неймана и Дирихле

         Результаты решения: потенциалы, заряды, электрическое смещение, емкость, усилия, моменты, и другие интегральные величины

         Связанные задачи: силы, действующие в электрическом поле, могут быть использованы для анализа механических напряжений

.        Модуль растекание токов может быть использован для расчета различных проводящих систем.

Возможности:

         Анизотропная проводимость

         Источники напряжения и тока

         Граничные условия Неймана и Дирихле

         Результаты решения: напряжение, плотность тока, электрическое поле, потери мощности, электрические токи через поверхность, и другие интегральные величины

         Связанные задачи: потери мощности могут быть использованы как источники тепла (джоулево тепло) в тепловых задачах

.        Модуль теплопередача может быть использован для проектирования и анализа различных электрических и механических систем.

Возможности:

         Нелинейные или анизотропные свойства

         Распределенные, линейные и точечные источники тепла

         Источники тепла в зависимости от температуры

         Источники тепла, как результат электрических потерь

         Задание температур и потоков тепла на границах

         Граничные условия с теплоотводом конвекцией или излучением

         Результаты решения: температура, тепловой поток, градиент температуры, суммарные тепловые потери в любой области, и другие интегральные величины

         Связанные задачи: рассчитанная температура может использоваться для нахождения механических напряжений

.        Модуль упругие деформации может быть использован для расчета и проектирования различных механических и электромеханических устройств.

Возможности:

         Плоско - параллельные напряжения и усилия, осесимметричные задачи

         Анизотропные свойства

         Распределенные и концентрированные нагрузки

         Термические напряжения, магнитные и электрические усилия

         Различные условия закрепления

         Результаты решения: перемещения, различные компоненты напряжения, главные напряжения, критерии Мизеса, Трески, Мора-Кулона и Друкера - Прагера

.4.4 ADAMS

Программный пакет ADAMS (Автоматизированный Динамический Анализ Механических Систем) предназначен для динамического и кинематического анализа сложных механических схем произвольного вида. Областями применения пакета являются авиационно-космическая промышленность, автомобильная и железнодорожные отрасли, энергетика и т.д..ADAMS - это лучшая на рынке программная система, предназначенная для виртуального моделирования сложных машин и механизмов.

Широкие возможности программного пакета, высокая надёжность и малая трудоёмкость его использования позволяют исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции сложных машин и механизмов, моделируя на компьютере реальные условия их работы, сравнивать и выбирать лучший вариант, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, тратя на это во много раз меньше времени и средств, чем традиционным старым путём.

Основой MSC.ADAMS являются высокоэффективный препроцессор и набор решателей. Препроцессор обеспечивает как импорт геометрических примитивов из многих CAD систем, так и создание твердотельных моделей непосредственно в среде MSC.ADAMS..Adams заменяет дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая предприятиям экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями. С помощью MSC.Adams быстро создается полностью параметризированная модель изделия: она строится непосредственно в предпроцессоре или импортируется из наиболее популярных CAD-систем. Задав связи компонентов модели, приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив расчет, можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний системы. Таким образом, представление о работе изделия складывается еще до начала раскроя металла или отливки пластика для изготовления опытного образца.

С использованием MSC.Adams сведения о характеристиках работы будущего изделия, получение которых требовало длительного времени и огромных затрат, могут быть получены в течение нескольких часов.

Видеть, как будет работать машина, улучшать ее характеристики пользователь может уже на самых ранних этапах проектирования (рис.1.34).

Пользователю доступны:

         выявление параметров изделия, определяющих его работоспособность и точность;

         проверка компонентов машины на столкновения, определение габаритных размеров пространства, необходимого для ее движущихся частей;

         определение уровня действующих нагрузок, необходимой мощности приводов;

         оптимизация параметров изделия..Adams позволяет исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции, выбирать лучший, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, затрачивая на это во много раз меньше времени и средств, чем при традиционном подходе..Adams может использоваться для улучшения конструкций всего, что движется: от простых механических и электромеханических устройств до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники и космических аппаратов..Adams отличают:

         широкий набор видов кинематических связей, упругих и диссипативных звеньев, нагрузок, кинематических воздействий;

         совместимость с системой моделирования систем автоматического регулирования и управления MATLAB/Simulink, а также пользовательскими программами, что обеспечивает моделирование и исследование сложных гетерогенных динамических систем;

         легкость в изучении и использовании - моделирование соответствует основным шагам построения физического макета (построение виртуальных прототипов, выполнение набора тестов, совершенствование конструкции);

         знакомый интуитивный интерфейс - если вы знакомы с другими программными средствами CAE, то быстро освоите работу с MSC.Adams;

         полная параметризация виртуальных моделей - любые параметры прототипа могут быть связаны функциональной зависимостью, модификация какого-либо размера модели автоматически приводит к изменению ее конфигурации и т. п.;

         эффективные средства визуализации результатов моделирования, включая анимацию и построение графиков.

Наряду с развитием универсальных возможностей пакета, разработчиками MSC.Adams созданы проблемно-ориентированные модули, обеспечивающие точное и быстрое моделирование самых сложных объектов:

         автомобилей (ADAMS/Car, ADAMS/Engine и др.);

         самолетов (ADAMS/Aircraft);

         железнодорожного транспорта (ADAMS/Rail);

         устройств автоматического управления (ADAMS/Control; ADAMS/Hydraulics).

В программном пакете MSC.Adams предусмотрена возможность учета податливости компонентов исследуемой машины. Для этого упругие характеристики ее частей определяются в конечно-элементной системе (например, MSC.Nastran), а затем в специальном формате передаются в MSC.Adams и включаются в виртуальную модель. Усилия, действующие в механизме и определенные с учетом податливостей, могут затем быть переданы в конечно-элементную систему и использованы как исходные данные для определения уровней напряжений в деталях. Такая технология обеспечивает точное моделирование современных оптимизированных по массе высоко динамичных механизмов.

Основой MSC.Adams являются системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику исследуемого объекта. Разработчики MSC.Adams продолжают повышать эффективность математической базы программного пакета. Применение устойчивых методов «жестких» систем дифференциальных уравнений обеспечивает получение необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с большой надежностью.

1.4.5 LS - DYNA

.4.5.1 Основные сведения

Пакет LS-DYNA разработан корпорацией LSTC (Livermore Software Technology Corporation) под руководством Р. Холлквиста в Ливерморской национальной лаборатории ядерных исследований им. Лоуренса (шт. Калифорния, США). Первая коммерческая версия датируется 1976 годом.DYNA - многоцелевая программа разработки предназначенная для решения трехмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и теплопереноса, механики деформируемого твердого тела и механики жидкости и газа. Программа была первой в своей области и послужила основой для большинства современных пакетов высоконелинейного динамического анализа.

В LS-DYNA реализованы эффективные методы решения перечисленных задач, в том числе явный и неявный метод конечных элементов, многокомпонентная гидродинамика (Mulimaterial Eulerian Hydrodynamics), вычислительная гидродинамика несжимаемых потоков, бессеточный метод сглаженных частиц (SPH - Smoothed Particle Hydrodynamics), бессеточный метод, основанный на методе Галеркина (EFG - Element Free Galerkin method). В LS-DYNA встроены процедуры автоматической перестройки и сглаживания конечно-элементной сетки при вырождении элементов - произвольные лагранжево-эйлеровы сетки (Arbitrary Lagrangian-Euleran), высокоэффективные алгоритмы решения контактных задач, широкий набор моделей материалов, возможности пользовательского программирования, а также процедуры лагранжево-эйлерового связывания и расчета многокомпонентных течений сжимаемых сред на подвижных эйлеровых сетках.

Программный код LS-DYNA оптимизирован под основные платформы и операционные системы, векторизован, распараллелен для систем с общей (SMP) и распределенной памятью (МРР). Пользователями программы являются большинство мировых автомобильных и аэрокосмических концернов, многие известные промышленные предприятия и фирмы.

1.4.5.2 Решаемые задачи

1.      Нелинейные динамические, квазистатические и статические задачи механики деформируемого тела.

Целью решения динамических задачи механики деформируемого тела (динамического анализа) является определение реакции деформируемой механической системы на заданное зависящее от времени возмущение. В результате решения задачи требуется определить перемещения, скорости, ускорения элементов этой системы, напряжения и деформации в них, а также производные от них величины. Важным является то, что при решении задачи учитываются силы инерции, а искомые величины ищутся как функции времени.

.        Задачи стационарного и нестационарного теплопереноса.

Целью решения задачи нестационарного теплопереноса является определение распределения температуры, тепловых потоков и других производных от них величин в расчетной области как функции времени

.        Задачи стационарной и нестационарной гидродинамики.

Целью решения задач стационарной и нестационарной гидродинамики является определение распределения скоростей, напряжений, давлений, температуры, тепловых потоков, а также производных от них величин в расчетной области. При решении задач нестационарной гидродинамики искомые величины ищутся как функции времени, при решении стационарных задач ищется их стационарное распределение.

.        Связанные задачи механики деформированного тела и теплопереноса.

Целью решения связанных задач механики деформированного тела и теплопереноса является определение распределения перемещений, скоростей, ускорений элементов рассматриваемой системы, напряжения и деформации в них, а также температуры, тепловых потоков и производных от них величин как функции времени. Связывание осуществляется посредством:

         влияния температуры на характеристики механических свойств материалов, параметры моделей материалов, моделей накопления поврежденности и критериев разрушения;

         учета в расчете напряженно-деформированное состояние рассматриваемой системы температурного расширения;

         учета в расчете теплопереноса работы пластической деформации.

1.4.5.3 Библиотека элементов

LS-DYNA имеет обширную библиотеку элементов, которые используют как упрощенную, так и полную схему интегрирования. Элементы c упрощенной (одноточечной) схемой интегрирования, используемые в LS-DYNA, просты, эффективны и точны. Исключение деформационных форм с нулевой энергией в таких оболочечных и объемных элементах достигается как введением фиктивной вязкости, так и жесткости. Все элементы векторизованы, а также оптимизированы для использования в SMP и MPP системах.

1.4.5.4 Модели материалов

LS-DYNA имеет более 130 моделей металлических и неметаллических материалов, многие из которых имеют критерии разрушения.

1.4.5.5        Применение

Создание моделей ремней безопасности, включая моделирование акселерометра, натяжителя, датчиков, контактных колец; моделей подушек безопасности; моделей манекенов.

Оценка сопротивляемости удару транспортного средства (опрокидывание автобуса, столкновение двух автомобилей, столкновение автомобиля с препятствием).

Оценка пассивной безопасности пассажира (взаимодействия манекена с воздушной подушкой и ремнями безопасности при аварии)

Оценка общей дорожной безопасности, в частности оценка эффективности ограждений.

Оценка жесткости, прочности и долговечности всех элементов автомобиля

.        Аэрокосмическая промышленность.

Оценка пассивной безопасности пассажиров самолета при экстренной посадке.

Динамическое нагружение конструкций в экстренных ситуациях.

Задачи об отрыве лопатки турбинных двигателей.

.        Прочие виды транспорта.

Железнодорожный и водный.

Моделирование аварийных ситуаций и предсказание их последствий для пассажиров, окружающей среды и т.п. (лобовое столкновение локомотивов, столкновение бака корабля с опорной стойкой).

.        Строительство.

Моделирование землетрясений и других нештатных ситуаций и экологических катастроф, оценка прочности железобетонных, металлических профильных и других конструкций.

.        Медицина, биомеханика

.        Оборонная промышленность.

Взрывное нагружение изделий.

Примеры:

         Воздействие взрыва на заглубленный объект, статья,

         Воздействие взрыва на сооружение, статья,

         Воздействие подводного взрыва на судно, анимация

         Проникание и оценка эффективности средств поражения и защиты (статья);

         Функционирование боеприпасов

         Моделирование работы тепловых импульсных двигателей.

1.4.6 Заключение

В приведенном выше обзоре мы очень кратко попытались обозначить ситуацию на рынке электронных САПР ПП. Здесь упоминаются только те продукты, которые, по нашему мнению, имеют хорошие шансы распространения на территории России, что определяется, прежде всего, историческими условиями и специальной ценовой политикой.

На основании обзора можно выделить три программных продукта, которые наиболее подходят для рассмотрения и пользования в рамках учебной программы. Это ANSYS, Betasoft, Асоника-Т(Триана). Но среди них есть ряд особенностей, таких как:

1.      Асоника-Т(Триана) и Betasoft рассматривают только моделирование тепловых полей, не включая исследование электромагнитных и механических полей, что является огромным минусом. Отсюда следует, что моделирование данных полей придется осуществлять на другом программном продукте, что не совсем удобно и выгодно.

2.      ANSYS исследует не только поля данных видов, но и решает много других задач

После дополнительного рассмотрения более подходящих нам пакетов программ приходим к выводу, что программный продукт ANSYS является самым оптимальным, который удовлетворяет всем заданным требованиям, а это:

      наличие большой библиотеки конечных элементов;

      прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD - систем, импорт формата IGES;

      наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов

      наличие удобного интерфейса

      вывод результатов в легком для понимания отображении с помощью цвета.

2.      Постановка задачи

Тенденциями развития современной радиоаппаратуры являются непрерывное продвижение в верхнюю часть СВЧ диапазона, ужесточение требований к уровню преобразуемой мощности и ширине полосы рабочих частот при одновременном снижении веса и габаритов, повышение надежности аппаратуры.

Стремление к снижению массы и габаритов аппаратуры привело к развитию техники печатного монтажа. В диапазоне СВЧ появились симметричная и несимметричная полосковые линии с воздушным и диэлектрическим заполнением. Они хорошо переносят ударные нагрузки и вибрацию, просты в изготовлении, их производство можно автоматизировать.

Это позволило решить проблему микроминиатюризации СВЧ аппаратуры на основе техники интегральных схем, улучшить характеристики радиотехнических устройств, повысить их экономичность и надежность.

При достаточно большой функциональной насыщенности каждой схемы существенно сокращается число межсхемных соединений. Отпадает необходимость в большом числе разъемов, что существенно увеличивает надежность устройства.

На существующем этапе развития микроэлектронной техники СВЧ аппаратуре на интегральных схемах присущи и свои недостатки.

Первый из них заключается в энергетических ограничениях. Твердотельные генераторы и усилители СВЧ пока еще имеют относительно невысокий к. п. д., что приводит к выделению значительной мощности внутри твердого тела и, следовательно, к его перегреву.

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

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

Зачастую, из-за уменьшения габаритов нарушаются заданные зазоры между деталями конструкции, и инженеру требуется вычислить перемещение 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.

Однако эти недостатки не являются принципиальными. По мере разработки новых активных элементов, повышения к. п. д. генераторов и усилителей, развития техники охлаждающих устройств, улучшения характеристик материалов, применяемых в микроэлектронике, она все больше будет продвигаться в области более высоких частот и больших мощностей.

Но, 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 различных процессов, протекающих в 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.

Одним из таких пакетов является ANSYS позволяет детально анализировать результаты решения задачи путем построения контурных графиков и векторных полей. Мы можем получить и проанализировать результаты моделирования полей различных сред в любой интересующей нас части модели, в том числе в произвольном узле сетки, выводить решение вдоль выбранного пути или в сечении модели. Таким образом, ANSYS может быть применен как для решения учебных задач, так и для проведения сложных практических расчетов.

В связи с этим появилась необходимость разработки практикума лабораторных работ по моделированию полей различных сред в рамках САПР ANSYS для наглядного изучения влияния различных факторов на радиоаппаратуру.

3. Конструкторский раздел

В последнее время в электронной технике нашли применение интегральные схемы и печатные узлы.

Интегральные схемы представляют собой пластину, в объеме и на поверхности которой формируются диодные, транзисторные структуры, а также сопротивления и емкости, электрические соединения между которыми получают осаждением тонких металлических пленок на поверхность этой пластины. Таким образом, интегральная схема - это монолитная, физически неразделимая структура, которая после присоединения к ней внешних выводов является законченным функциональным блоком определенного назначения.

Печатным узлом называют печатную плату с навесными элементами.

Интегральные схемы и печатные узлы имеют очевидные преимущества по сравнению с обычными схемами, так как при их использовании резко сокращаются размеры и вес аппаратуры, повышается надежность и быстродействие электронных систем, кроме того, они дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения.

Но им присущи и свои недостатки.

Чтобы еще на стадии проектирования РЭА убедиться, что в создаваемой конструкции все сделано правильно, а именно:)      температура ее элементов не превышает допустимого значения)        не возрастает уровень помех)        печатный узел обладает достаточным запасом прочности нужно рассчитать тепловой, электромагнитный и механический режимы.

Расчет этих 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.

Преодолеть эти трудности помогают различные приближенные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Среди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется метод и конечных разностей и конечных элементов. В их основе лежит метод построения моделей сложных физических процессов, происходящих в больших объёмах пространства, из простых элементарных процессов, происходящих в малом объёме.

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

Расчет конструкций с использованием систем компьютерного моделирования стал в последнее время необходимым условием организации циклов создания новой наукоемкой продукции и успешного продвижения ее как на отечественный, так и на международный рынок. Анализ современных систем компьютерного моделирования показал, что одним из мировых лидеров в области расчетных технологий является программный комплекс ANSYS. Это универсальный, конечно - элементный пакет, предназначенный для решения в единой среде на одной и той же конечно-элементной модели задач по механике сплошных сред, теплофизике, электромагнетизму, гидро- и газодинамике, междисциплинарных задач, а также оптимизации проекта на основе всех выше приведенных типов анализа.

3.1 Моделирование теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления полей распределения температуры, графиков температуры и величины теплового потока на заданном пути, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

.        Производится дискретизация объема, занимаемого интегральной схемой с находящимися на ней тепловыделяющими элементами, или, как говорят, строится сетка конечных элементов. Для объемного тела область разбивается на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными или параболическими функциями координат. Для поверхностных моделей - на плоские или криволинейные треугольники.

.        Задается температура окружающей среды, контактирующей с поверхностью (естественная конвекция). А также задаются источники тепла (мощность тепловыделения) через тепловой поток.

.        На основе заданных граничных условий производится вычисление температуры в каждой точке интегральной схемы.

.        Строятся графики температуры и величины теплового потока по заданному пути

3.2 Моделирование электромагнитного поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления распределения магнитного и электрического полей, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

.        Производится дискретизация объема, занимаемого интегральной схемой с находящимися на ней тепловыделяющими элементами, или, как говорят, строится сетка конечных элементов. Для объемного тела область разбивается на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными или параболическими функциями координат. Для поверхностных моделей - на плоские или криволинейные треугольники.

.        Задается электрическая (магнитная) стенка. Если микрополосковая линия изолирована со всех сторон экраном, то тогда ко всем сторонам можно применить условие идеального проводника.

.        Создается микрополосковая линия.

.        На основе заданных граничных условий производится вычисление распределения векторов магнитного и электрического полей.

3.3 Моделирование изгибных колебаний печатного узла в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления полей деформаций и напряжений в узлах, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

.        Производится дискретизация объема, занимаемого интегральной схемой с находящимися на ней тепловыделяющими элементами, или, как говорят, строится сетка конечных элементов. Для объемного тела область разбивается на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными или параболическими функциями координат. Для поверхностных моделей - на плоские или криволинейные треугольники.

.        Для пространственных конечных элементов степенями свободы являются перемещения в направлении осей локальной системы координат элемента. Для конечных элементов оболочек к трем перемещениям в каждом узле добавляются по три угла поворота нормали к срединной поверхности области, аппроксимируемой элементом, относительно тех же осей.

.        Назначенные граничные условия приводят к нагрузкам и перемещениям в узлах.

.        Для каждого конечного элемента, имея перемещения в узлах, рассчитываются деформации, на основе которых вычисляются напряжения в элементах.

.        Считываются результаты расчета по первым формам колебаний (модам).

.        Формируется анимационный файл для любой моды.

4. Технологический раздел

.1 Разработка методических указаний по выполнению лабораторных работ в САПР ANSYS и заданий для студентов

4.1.1 Расчет теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Цель работы

Познакомиться с методами моделирования тепловых полей в конструкциях РЭА, с принципами построения практических алгоритмов.

Получить практические навыки решения задач моделирования теплового поля интегральных схем.

Исходные данные

При разработке интегральных схем, содержащих элементы с большим тепловыделением, необходимо рассчитывать тепловой режим, т.е. определять температуру ее элементов и сравнивать с допустимыми значениями. Это одна из основных проблем, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. Следует отметить, что это довольно сложная задача, так как связана она с расчетом нестационарных процессов в областях сложной конфигурации.

Математическая формулировка задачи

В лабораторной работе ограничимся моделированием теплового поля интегральной схемы (рис.4.5) [1], в которой пленочные тепловыделяющие элементы имеют произвольную форму и могут быть произвольно расположены на поверхности подложки, а отвод тепла осуществляется через основание. Размеры пленочных элементов, их расположение на подложке и рассеиваемая элементами мощность известны.

В математической форме сформулированная задача является двумерной, так как толщина подложки Lz много меньше двух других размеров Lx и Ly и описывается дифференциальными уравнениями в частных производных.

Рис.4.5 Интегральная схема

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов [2] (который и используется в настоящей работе), позволяющий свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Метод конечных элементов представляет собой метод численной реализации решения вариационной задачи. В математике доказывается, что любой краевой задаче можно поставить в соответствие некоторую так называемую вариационную задачу - нахождение функции, минимизирующий соответствующий функционал. При этом необходимо решить две проблемы: найти соответствующий функционал и отыскать функцию, его минимизирующую. Такой метод решения краевых задач называется вариационным. Он основан на фундаментальном физическом принципе наименьшего действия.

В качестве примера иллюстрированного метода конечных элементов рассмотрим двумерную задачу теплопроводности (рис. 4.6), где на верхней стороне поддерживается температура Т2 , а на нижней Т1 , а боковые стороны идеально изолированы в тепловом смысле. Требуется найти распределение температуры в данной области.

В данном случае определяющим уравнением является уравнение Лапласа:

 в области D (1)

с граничными условиями Дирихле на части границы:- температура окружающей среды

Т2 - температура на верхнем торце интегральной схемы=0, (2)=Ly.

и условиями Неймана на остальной части границы:

, x=0,

, x=Lx. (3)

Уравнения (1) - (3) не будут использоваться непосредственно. Вместо них будет построена эквивалентная вариационная формулировка.

Рис. 4.6 Двумерная задача теплопроводности в интегральной схеме

С помощью вариационного исчисления можно показать, что решение Т(x,y) совпадает с функцией, которая минимизирует функционал

, (4)

где (x, y) - функция из допустимого множества пробных функций заданных в области D. Для этой задачи пробные функции (x, y) являются допустимыми, если они непрерывны и имеют кусочно-непрерывные первые производные. Кроме того, пробные функции должны удовлетворять главным граничным условиям (2). Граничные условия Неймана (3) будут выполняться автоматически для функции, минимизирующей функционал (4), как естественное следствие вариационной формулировки и, следовательно, будут называться естественными граничными условиями. Разобьем область на l конечных элементов. В рассматриваемой задаче в качестве конечного элемента выбран треугольник (рис. 4.7). Общее число узлов обозначим n.

Рис. 4.7 Разбиение области на l конечных элементов.

Рис. 4.8 Типичный треугольный элемент ei

Разбиение области и условия непрерывности, накладываемые на пробные функции, позволяют записать функционал (4) в виде:

, (5)

где  - элементный вклад, определяемый равенством:

. (6)

Рассмотрим типичный элемент ei , показанный на рис 4.8. Номера узлов i, j и m должны быть указаны в порядке, соответствующем движению против часовой стрелки. Для произвольного элемента ei в этом примере пробная функция (x,y) выбирается линейной, т.е

, x, yei , (7)

где ,  и  - постоянные, в общем случае различные для разных элементов.

С целью определения этих постоянных запишем последовательно уравнения (7) для узлов i, j и m:

,

,

, (8)

где , ,  - значения Т в узлах i, j и m соответственно. Верхний индекс ei опущен ради упрощения записи. Система уравнений (8) имеет единственное решение для постоянных а1, а2, и а3, так как определитель ее матрицы коэффициентов не равен нулю, т.е.

. (9)

С использование тригонометрии легко установить, что этот определитель равен удвоенной площади треугольника, как это и показано в (9). Так как площадь треугольника никогда не равна нулю, т.е. , то решение а1 , а2 , и а3 существует и единственно. Решая (8), получим для а1 , а2 , и а3 следующие выражения:

,

,

, (10)

где , , ,

а постоянные , , , , ,  могут быть определены путем циклической перестановки индексов. В приведенных выше выражениях для , ,  и  верхний индекс ei вновь опущен, чтобы не усложнять запись формул. Подстановка выражений (10) в (7) дает следующее представление через базисные функции:

, (12)

Требуемые производные можно получить, дифференцируя (12):

,

 (13)

Подстановка (13) в выражение для элементного вклада (6) дает:

. (14)

Так как подынтегральное выражение в (14) не зависит от х и y и, кроме того,

 , (15)

то равенство (14) может быть записано следующим образом [2]:

. (16)

Выражение вида (16) может быть получено для каждого элемента. Подставляя все эти элементные вклады в (5), преобразуем функционал, заданный равенством (4), в функцию всех узловых значений , ,…,, т.е.:

(17)

Здесь узловые параметры , ,…,рассматриваются в качестве переменных, значение которых необходимо определить. Условия минимума  могут быть записаны в виде:

, р=1,2,…,n. (18)

Подстановка (5) в (18) позволяет представить эти уравнения следующим образом:

, p=1,2,…,n. (19)

Очевидно, что при суммировании в (19) ненулевой вклад дают только те элементы, которые содержат узел р. Дифференцирование равенства (16) по  позволяет определить вклад  элемента  в выражении(19).

После определения вкладов для всех элементов и объединения их получим матричное уравнение системы:

(20)

Выражение (20) может быть получено для каждого элемента. Подставляя все эти элементные вклады в (5), преобразуем функционал, заданный равенством (4), в функцию всех узловых значений , , , таким образом, находим переменные значения которых необходимо было получить.

Методика решения задачи.

Исходной информацией для моделирования является топологический чертеж РЭА.

Рассмотри моделирование теплового шага интегральной схемы с тепловыделяющими элементами (рис. 4.9), закрепленной на основании. Материал подложки - поликор - имеет при комнатной температуре удельную теплоемкость около 4.31*106 Вт*с/м3*0С и коэффициент теплопроводности около 25 Вт/м*0С. Материал основания - латунь - имеет при комнатной температуре коэффициент теплопроводности около 85 Вт/м*0С. Мощность рассеяния каждого радиоэлемента 20 Вт. Температура окружающей среды 200С. Найти распределение температуры.

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования теплового поля интегральной схемы реализует следующие режимы работы:

ввод исходных данных;

коррекция исходных данных;

расчет температуры функционального узла;

представление результатов в виде карты распределения температур;

представление результатов в графическом виде.

Порядок выполнения работы:

1.      Определяем тип анализа

Main Menu > Preferences > Thermal > Ok таким образом формируется меню под тепловой расчет.

2.      Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбираем тип элемента:Menu > Preprocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Thermal Mass > Solid > Brick 8node 70 задаем вид разбиения(описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > OK > CLOSE

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

    Add - позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

      Options - позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

      Delete - кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

      Close - закрывает диалоговое окно

      Help - выводит на экран справку

При выборе категории в левом списке, в правом появляется список элементов, относящихся к данной категории. Первым в каждой строке идет описание элемента. Как правило, оно содержит данные о форме элемента, количестве узлов и особенностях физических моделей материала, для которых он используется.

При выполнении работы не забывайте периодически сохраняться(лучше на некоторых законченных этапах делать версии работы для удобства редактирования). Сохранить работу можно File => Save as… или в сервисном меню SAVE_DB(если проект уже существует). Внимание, воспринимается только английский текст. Для чтения данных с файла пользуйтесь закладкой RESUM_DB.

. Выбираем свойства материала и задаем его характеристики [20]:Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните: Thermal > Conductivity > Orthotropic.

В окне Conductivity for Material Number 1(материал для тепловыделяющих элементов) заполняем таблицу, нажимаем ОК:

К(X,Y,Z) - теплопроводность элемента в соответствующих направлениях. Использование свойств неоднородности (Orthotropic) элемента связана с тем, что нам надо учесть воздействие подложки, которая служит как теплоотвод. Чтобы это учесть, нам надо тепловые потоки направить в основание подложки, т.е. по оси OY. Нуль программа не понимает, поэтому по другим координатам задаем значения близкие к нулю.

Переходим к следующему подэтапу работы. Для этого открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 2000.

б) Задаем свойство материала для подложки (поликор):

Не закрывая окна Define Material Model Behavior, создаем второй материал. Для этого во вкладке ниспадающего меню Material выбираем New Model и заполняем следующую таблицу:

Открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 3690.

в) Задаем свойство материала для основания подложки (латунное основание):

Точно также создаем третий материал и заполняем таблицу:

Открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 8920.

По осям X,Y мы задаем коэффициент теплопроводности равный 1.1 для того, чтобы не получилось, как бы обрезанного материала, в противном случае на нем появиться отрицательная или пониженная температура, если коэффициент теплопроводности будет ниже 1(т.е. если температура окружающей среды 200С и при этом происходит тепловыделение, а температура на подложке на некоторых элементах получается ниже 200С), а такого быть не может.

1.      Создаем функциональный узел:

а) подложка мм2 и основание мм2:Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY 2 CORNERS & Z.

Создаем функциональный узел в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

б) Устанавливаем тепловыделяющие элементы на подложку:Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

Создаем тепловыделяющие элементы в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

Вводим координаты первого тепловыделяющего элемента, нажимаем Apply, после чего вводим координаты второго и т.д.

Для того чтобы повернуть полученный функциональный узел, необходимо зайти в сервисное менюMenu => PlotCtrls => Pan Zoom Rotate или воспользоваться панелью управления, расположенной справа от рабочей области

Окно Pan Zoom Rotate позволяет повернуть изображение модели на экране, передвинуть его или изменить масштаб.

Управляющие элементы, содержащиеся в окне, разделены на 8 групп, каждая из которых выполняет определенный набор функций. Первой идет группа, состоящая из одного элемента, в котором можно выбрать, с каким окном ведется работа.

Кнопки из второй секции позволяют повернуть модель в одно из стандартных положений:

        Top - вид модели сверху (по оси Y+)

      Bot - вид модели снизу (по оси Y-)

      Left - вид модели слева (по оси X-)

      Front - вид модели спереди (по оси Z+)

      Back - вид модели сзади (по оси Z-)

      Right - вид модели справа (по оси X+)

      Iso - изометрический вид модели

      Obliq - вид, подобный изометрическому, но под другим углом

      WP - вид модели с рабочей плоскости

Кнопки третьей секции обеспечивают изменение масштаба изображения модели:

      Zoom - при нажатии этой кнопки пользователю предлагается указать центр и одну из сторон прямоугольника на экране. После этого данная область будет увеличена на все окно.

      BoxZoom - при нажатии данной кнопки пользователь должен указать две точки на экране, соответствующие двум противоположным углам прямоугольника, который будет увеличен на размер максимального окна.

      WinZoom - аналогично Zoom с той разницей, что выбираемое окно обязательно будет иметь те же пропорции, что и графическое окно ANSYS.

Кнопки четвертой секции позволяют сдвигать изображение модели на экране. При этом стрелки указывают направление перемещения модели, а не окна. Кнопки с закрашенными кругами позволяют менять масштаб изображения модели.

Группа пятой секции позволяет вращать модель относительно экранных координат XYZ.

Направление вращения модели изображено на кнопках.

Группу кнопок шестой секции представляет бегунок Rate, позволяющий изменять шаг поворота, сдвига модели и масштаб.

В седьмой секции окна можно включить динамический режим Dynamic Mode. Если данный пункт включен, появляется возможность сдвигать и поворачивать модель с помощью «мыши».

Последняя группа кнопок выполняет следующие действия:

                    Fit - автоматически выбирает масштаб и расположение модели, таким образом, чтобы она полностью помещалась на экране.

      Reset - убирает все повороты, изменения масштаба, перемещения, которые были применены к данной модели.

      Cloce - закрывает данное диалоговое окно.

      Help - выводит на экран справку по данному окну.

После преобразований должно получиться следующее:

2.      Назначаем каждому элементу свой материал:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Attributes > All Volumes…Picked Volumes выбираем верхние прямоугольники расположенные на подложке (тепловыделяющие элементы)

и нажимаем OK, в появившемся окне выставляем: MAT=1, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 и нажимаем APPLY, снова появляется предыдущее меню и предлагается выбрать второй элемент (подложка) нажимаем ОК в появившемся окне выставляем MAT=2, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 и нажимаем APPLY, тоже проделываем для третьего элемента конструкции(основание): MAT=3, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 ОК.

3.      Соединяем все элементы модели, для этого:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Volumes (для объемов) > PICK ALL.

Теперь объединяем все элементы:Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Volumes > PICK ALL.

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

4.      Разбиваем конструкцию на конечные элементы:

а) Задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Global > Size и переменной SIZE присваиваем значение 0.008, нажимаем ОК.

б) Выполняем разбиение на конечные элементы:Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Free > PICK ALL.

5.      Задаем граничные условия.

Задаем температуру окружающей среды, контактирующей с поверхностью (естественная конвекция, т.е. модель находиться в окружающей ее среде с температурой среды 20 при этом температура среды не меняется).Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Convection > On Areas > PICK ALL.

Присваиваем значение температуры 20. Нажимаем ОК.Film Coef on areas - применить коэффициент пленки на поверхности (позволяет задать постоянное значение состояния окружающей среды)Constant value then - если постоянное значение, то:I Film coefficient - значение коэффициента пленкиBulk Temp on areas - применить среднюю температуру на поверхности (позволяет задать постоянное значение температуры окружающей среды)Constant value then - если постоянная температура, то:I Bulk temperature - значение средней температурыkey, usually face no (required only for shell elements) - загрузка ключа, обычно не с лицевой стороны (требуется только для элементов оболочки)

6.      Задаем источники тепла.

Источник тепла (мощность тепловыделения) будем задавать через тепловой поток.Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Flow> On Nodes

Выделяем узлы тепловыделяющего элемента и нажимаем APPLY и так со всеми тепловыделяющими элементами.

Выглядит это так:

Вт/число узлов - мощность деленная на число выделенных узлов (пример: ),

т.е. 22 узла по 0,1818182 Вт.должно быть подсвечено. (выделите HEAT мышью)

Примечание:

Если вы случайно выделили не тот узел, то для его отмены нужно сделать клик по ПКМ при этом курсор мыши поменяет свое направление и снова указать на неправильно выбранный узел нажав ЛКМ, подсветка узла исчезнет.

Для удаления наложенных условий или нагрузки воспользуйтесь: MAIN MENU=>SOLUTION=>DEFINE LOADS=>DELETE в этом разделе вы можете выбрать интересующий вас раздел(нагрузка или граничные условия) выделить соответствующий элемент, объем, узел, поверхность и т.д.и нажать ОК или же нажать PICK ALL если вам надо полностью снять нагрузку или граничные условия.

Если же вы решили изменить какие-либо условия, то для начала их надо удалить, а потом наложить новые.

. Выполняем расчет:Menu > Solution > Solve > Current LS > OK.

У вас спрашивают запрос на расчет, нажимаете ОК.

Появляется сообщение:

Делает предупреждение и спрашивает стоит ли продолжать расчет. Говорим YES.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

11.    Просматриваем результаты расчета:

а) Картина распределения температуры:Menu > General Postproc > Plot Result > Contour Plot > Nodal Solu… > Of Solution > OK.

б) График температуры на заданном пути:

Задаем путь: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Define Path > By Nodes выделяем два узла: 1 начало, 2 конец, и нажимаем ОК, переменной NAME присваиваем имя, например TEMP,

и нажимаем ОК .

Определяем, что выводить на графике: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Map onto Path…, где выбираем PDEF значение DOF SOLUTION и переменной PBC устанавливаем галочку YES и нажимаем ОК.

Вводим в Main Menu > General Postproc > Path Operations > Plot Path Item > On Graph выбираем заданное имя пути TEMP и нажимаем ОК, в результате выводим график температуры на заданном пути.

в) График величины теплового потока по заданному пути:

определяем, что выводить на графике: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Map onto Path…, где выбираем PDEF значение FLUX & GRADIENT, THERMAL FLUX TFSUM и нажимаем ОК.

Вводим в Main Menu > General Postproc > Path Operations > Plot Path Item > On Graph выбираем TFSUM и нажимаем ОК.

В результате получаем график величины теплового потока по заданному пути.

Задания

Выбор задания производить по номеру варианта

Расположение элементов:

а - величина равная 1 мм

Толщину элементов брать равной 0,5 мм

Содержание работы

1.      Ознакомиться с теоретической частью работы.

2.      Получить у преподавателя вариант задания.

.        Ознакомиться с порядком выполнения работы.

.        Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

.        Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

рисунок интегральной схемы узла РЭА с тепловыделяющими элементами

краткое описание всех шагов температурного расчета

исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

карта распределения температуры, графики распределения температуры на заданном пути

краткая характеристика используемого метода и оценка полученных результатов

Контрольные вопросы

1.      Как формулируется задача моделирования теплового поля интегральной схемы?

2.      Каким образом осуществляется учет начальных и граничных условий?

.        В чем сущность метода конечных элементов?

.        Могут ли тепловыделяющие элементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

.        Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

.        Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1.      Маквецов Е.Н. Модели из кубиков. М: Сов.радио,1978.-192с.:ил.

.        Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

.        Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

4.      Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ <#"657594.files/image105.gif">

Рис. 4.10. Печатный узел

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов [1] (который и используется в настоящей работе), позволяющей свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Метод конечных элементов представляет собой метод численной реализации решения вариационной задачи. В математике доказывается, что любой краевой задаче можно поставить в соответствие некоторую так называемую вариационную задачу - нахождение функции, минимизирующий соответствующий функционал. При этом необходимо решить две проблемы: найти соответствующий функционал и отыскать функцию, его минимизирующую. Такой метод решения краевых задач называется вариационным. Он основан на фундаментальном физическом принципе наименьшего действия.

Рассмотрим двумерную область D с границей S (рис. 4.11, а), являющуюся плоской проекцией упругого тела толщины t. На части АT наружной граничной поверхности прилагается распределенная нагрузка, которая в любой точке может быть выражена в виде силы Т, приложенной к единичной площади. Нагружение равномерно вдоль толщины t, и часть ST граничной кривой соответствует части АT наружной поверхности. Обозначая через Тx и Тy соответственно x- и y-компоненты матрицы Т в точке, матрицу поверхностных напряжений Т в точке можно записать следующим образом:

. (1)

Пусть Р - массовые силы на единицу объема и U - вектор перемещений в точке аналогично заданы через их x- и y-компоненты соответственно в виде:

, . (2)

Для двумерных задач механики твердого тела на основе принципа минимума потенциальной энергии можно получить следующий функционал:

, (3)

где векторы деформаций  и напряжений  определяются матрицами:

, , (4)

а на объем V и внешнюю поверхность Ат действуют соответственно силы Р и Т (рис. 4.11).

рис. 4.11. Двумерное упругое тело, разбитое на конечные элементы.

а - двумерная область; б - типичный элемент е.

В выражениях (4) величины  ,  и  ,  представляют собой нормальные деформации и напряжения в направлениях x и y соответственно,  - деформация сдвига, а  - касательное напряжение.

Первый нижний индекс при  обозначает ось, нормальную к плоскости касательных напряжений, а второй указывает ось, параллельную касательной силе.

На основе принципа минимума потенциальной энергии можно показать, что поле перемещений, удовлетворяющее уравнениям равновесия (и совместимости) для двумерной задачи упругости, также минимизирует функционал, заданный уравнением (3)

Для разбиения, показанного на рис. 4.11, а, выражение (3) может быть записано в виде:

, (5)

где  - элементная подобласть,  - ее толщина, а l - общее число элементов в системе. Последний справа член не равен нулю лишь для элементов, расположенных вдоль границы ST . Матрицы ,  и  для каждого элемента могут быть выражены через элементный вектор узловых перемещений ; как показано ниже, это позволяет определить  в виде функции вектора узловых перемещений системы . Кроме того, смещения  внутри элемента выражаются через узловые смещения с использованием базисных функций:

. (6)

Здесь  - матрица базисных функций элемента, а  - вектор узловых перемещений элемента, определяемый выражением . С целью упрощения записи в оставшейся части этого раздела индекс е будет опускаться, если контекст исключает возможность недоразумений.

В случае линейных треугольных элементов, выбранных для рассматриваемой задачи, выражения перемещений  и  через базисные функции имеют вид:

, (7)

где , ,  -- x - компоненты, а , ,  -- y - компоненты узловых перемещений соответственно (рис. 2, б).

Используя (2) и (7), можно записать выражение (6) следующим образом:

(8)

В двумерном случае деформации связаны с перемещениями стандартными соотношениями:

(9)

Используя (9), матрицу деформаций  можно записать в виде:

(10)

Подстановка (6) в (10) дает:

(11)

где матрица В определена самим равенством. Можно просто показать, что для рассматриваемого трехузлового линейного элемента матрица В имеет вид:

(12)

Теперь выражая  через  и подставляя  из (11), можно определить матрицу напряжений  в терминах . Для плоских напряжений (равно нулю напряжение , нормальное к рассматриваемому плоскому телу) из учебников по теории упругости известны соотношения:

(13, а)

(13, б)

(13, в)

С использованием (13)  может быть записано как:

(14)

где Е - модуль упругости Юнга и  - коэффициент Пуассона.

Решая (14) относительно  получаем

(15)

или, проще,

(16)

где D определяется выражением (15).

Соотношение (16) также применимо к задачам о плоской деформации, но в этом случае матрица D имеет вид:

(17)

Заметим попутно, что матрица D в равенствах (15) и (17) симметрична. Наконец, подставляя (6), (11) и (16) в (5), получаем следующее выражение для функционала :

(18)

где матрица Dзадана либо равенством (15), либо равенством (17) в зависимости от того, рассматривается ли задача о плоских напряжениях или о плоских деформациях.

Теперь из уравнения (18) получаем элементное матричное уравнение дифференцированием элементного вклада  по ,

(19)

Уравнение (19) можно записать в стандартной форме:

(20)

где

(21, а)

(21, б)

(21, в)

а нижний индекс е у  в (20) [а также в (1), (18) и (19)] опущен.

Матрицы в выражениях (21) не зависят от переменных интегрирования и могут быть вынесены за знак интеграла. Остающийся интеграл равен  - площади треугольника, так что элементная матрица жесткости  принимает вид:

(22)

Так как размерность матрицы  равна  [см. (6) и (8)], то матрица  имеет размерность . Равенство (22) задает элементы  в виде функций от Е,  и узловых координат элемента. Таким образом, для случая плоских напряжений имеем:

(23)

Для других элементов  получаются аналогичные выражения.

Подстановка  из (8) и Р из (2) в (21, б) позволяет записать вектор столбец  в виде:

(24)

Если  и  внутри элемента полагаются постоянными (например, равными их средним значениям), то интегрирование в (24) выполняется легко. Так, для второго элемента  получаем:

(25)

где  - постоянное или среднее значение  для элемента е.

Обобщая, можно показать, что пары элементов в матрице , соответствующие локальным номерам узлов i = 1, 2, 3, могут быть записаны в виде:

(26)

Матрица граничных нагрузок, задаваемая равенством (21, в), может быть вычислена в форме, идентичной (26), но с заменой величин ,  на ,  и с интегрированием по  вместо . Из этого соотношения при условии, что i - граничный узел, как показано на рис. 3, соответствующая пара элементов в матрице  определяется выражением:

(27)

где  - длина стороны элемента вдоль ST. При выводе (27) приложенные нагрузки  и предполагались постоянными вдоль границы элемента (например, равными их средним значениям).

Так как для этого элемента пробная функция линейна, то базисная функция  может быть записана (рис. 3) в виде линейного выражения:

(28)

относительно s. После подстановки (28) в (27) и интегрирования получается следующее выражение для :

(29)

Для узла j рассматриваемого элемента (рис. 3) соотношение  заменяет (28), но легко можно проверить, что последующее интегрирование дает выражение, идентичное (29). Следовательно, равенство (29) применимо к любому узлу элемента, лежащему на границе ST. Для узла, не лежащего на границе, правая часть (29), конечно, должна быть заменена нулем. Так, если узлы 2, 3 лежат на границе ST , а узел 1 - нет, то  будет иметь вид:

(30)

Следовательно, в случаях плоских деформаций или плоских напряжений выбор трехузловых треугольных элементов с линейными пробными функциями позволяет относительно легко определить элементное матричное уравнение в виде (20). Затем обычным образом осуществляются объединение этих элементных матричных уравнений в матричное уравнение системы и учет заданных перемещений. Решение этого уравнения дает узловые перемещения, а затем по формулам (11) и (16) определяются напряжения и деформации.

Для трехузлового треугольного элемента, использованного в этом разделе, линейная пробная функция соответствует линейному распределению перемещений на элементе. Однако распределение деформаций является постоянным, как это видно из равенства (10). По этой причине элемент часто называется треугольным с постоянной деформацией. Можно, конечно, использовать и другие элементы при соответствующей модификации формулировок.

Методика решения задачи.

Исходной информацией для моделирования является топологический чертеж РЭА.

Рассмотрим моделирование изгибных колебаний печатного узла с радиоэлементами (рис. 4.12) при ударном воздействии. Печатный узел укрепляется в пазах с помощью выступов. Материал подложки стеклотекстолит со следующими характеристиками:

         Модуль Юнга 2,1•1010 Па

         Коэффициент Пуассона 0,279

         Плотность материала 1800 кг/м3

Толщина платы 3 мм.

Все радиоэлементы имеют одинаковую массу 0.010 кг.

Определить прогибы интегральной схемы.

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования механического поля печатного узла и реализует следующие режимы работы:

ввод исходных данных

коррекция исходных данных

провести модальный анализ

представление результатов в графическом виде

считать результаты расчета по нескольким формам колебаний

сформировать анимационный файл для указанной в варианте моды

Порядок выполнения работы:

1.      Определяем тип анализа:

Main Menu > Preferences > Structural > Ok таким образом формируется меню под механический расчет.

2.      Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбрать тип элемента:Menu > Prepocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Structural Shell Elastic 4node 63 задаем тип разбиения (описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > Ok > Close

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

    Add - позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

      Options - позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

      Delete - кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

      Close - закрывает диалоговое окно

      Help - выводит на экран справку

При выборе категории в левом списке, в правом появляется список элементов, относящихся к данной категории. Первым в каждой строке идет описание элемента. Как правило, оно содержит данные о форме элемента, количестве узлов и особенностях физических моделей материала, для которых он используется.

При выполнении работы не забывайте периодически сохраняться (лучше на некоторых законченных этапах делать версии работы для удобства редактирования). Сохранить работу можно File => Save as… или в сервисном меню SAVE_DB(если проект уже существует). Внимание, воспринимается только английский текст. Для чтения данных с файла пользуйтесь закладкой RESUM_DB.

3.      Выбираем свойства материала и задаем его характеристики:

Задаем модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала:Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните:> Linear > Elastic > Isotropic.

В окне Linear Isotropic Properties for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:- модуль Юнга в соответствующем направлении.- коэффициент Пуассона в соответствующих направлениях. Использование свойств однородности (Isotropic) элемента. Чтобы это учесть, нам надо тепловые потоки направить в основание подложки, т.е. по оси OY.

Задаем плотность материала:Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models > Structural > Density > DENS=1800 (кг/м3) (согласно варианту).

Задаем толщину печатной платы:Menu > Preprocessor > Real Constant > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Ok > SHELL THICKNESS AT NODE I TK(I) = 0.003 > Ok > Close.Type Reference No. 1 - Ссылка на тип элемента номер 1Constant Set No. - Реальный постоянный набор номерthickness at node I TK(I) - Толщина платы в узле I TK (I)-node J TK(I) - в узле J TK(I)node K TK(I) - в узле K TK(I)node L TK(I) - в узле L TK(I)

4.

1.Создаем функциональный узел:

а) интегральная схема 48×60 мм2Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

и задать координаты X1, X2 и Y1, Y2 равные 0, a и 0, b > Ok.

Толщина интегральной схемы 3 мм.

Создаем конструкцию посредствам логического вычитания геометрических объектов.

Выделяем объекты, которые необходимо вырезать:

прямоугольник со сторонами 10 мм и 8 мм по осям OX и OY соответственно:Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

далее задаем указанные координаты и нажимаем OK.

Аналогично выделяем остальные прямоугольники.

Получаем:

Вычитаем геометрические объекты, которые мы выделили:Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > AREAS, затем нажимаем на прямоугольник и на OK, далее нажимаем на выделенные нами объекты, потом на OK.

б) устанавливаем радиоэлементы на подложку:Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

Создаем радиоэлементы в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

Вводим координаты первого радиоэлемента, нажимаем Apply, после чего вводим координаты второго и т.д.

Соединяем поверхности друг с другом:Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Volumes > Pick All

Теперь объединяем все элементы:Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Volumes > Pick All

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

5.      Разбиваем конструкцию на конечные элементы:

а) Задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Global > Size и переменной SIZE присваиваем значение 0.008, нажимаем ОК.

б) Выполняем разбиение на конечные элементы:Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Free > PICK ALL.

6.      Проводим модальный анализ:

Задаем тип анализа:Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Modal > OK.

7.      Задаем граничные условия.

Задаем условия закрепления интегральной схемы:Menu > Solution > Define Loads > Displacement > On Lines далее указать линии и условия закрепления (степени свободы) согласно варианту.

Получаем:

Настроить параметры анализа:Menu > Solution > Analysis Options > MODOPT=Block Lanczos, No. of modes to extract=10, MXPAND=Yes, NMODE=10, ELCALC=No, LUMPM=No, PSTRES=No > OKextraction method - Метод извлечения способа.of modes to extract (must be specified for all methods except the Reduced method) - Номер моды, которую извлекаем (должен быть определен для всех методов кроме Уменьшенного метода),mode shapes - Расширить формы способа.of modes to expand - Номер моды, которую расширяемCalculate elem result? - Вычисляем элементарный результат?lumped mass approx will be used - Использовать приблизительную массу, которая будет использоватьсяprestress effects? - Предподчеркивать эффекты?save - Экономия памяти

         Only applies if the PowerDinamics method is selected - Применяется только, если отобран метод Силовой Динамики.

В появившемся окне устанавливаем: FREQB=0, FREQE=10000 > OK.Freq (initial shift) - Начальная Частота (начальное изменение)Frequency - Конечная частотаmode shapes - Нормализуйте формы способа

. Выполняем расчет:Menu > Solution > Solve > Current LS > OK.

У вас спрашивают запрос на расчет, нажимаете ОК.

Появляется сообщение:

Делает предупреждение и спрашивает стоит ли продолжать расчет. Говорим YES.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

11.    Просматриваем результаты расчета:

Считываем результаты расчета по первой форме колебаний (моде):Menu > General Postproc > Read Results > First Set.

Вывести результат расчета первой моды на экран:Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solution > DOF Solution > Z - Component of displacement > OK.

Для просмотра следующей моды считать следующий результат расчетов: Main Menu > General Postproc > Read Results > Next Set.

Для вывода на экран результата повторить:Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solution > DOF Solution > Z - Component of displacement > OK.

Номер моды соответствует количеству выполнения команды Next Set + 1.

12.    Сформировать анимационный файл для указанной в варианте моды:

Plot CTRLS > Animate > Mode Shape… > No. of frames to create=10, Time delay=0.5, Acceleration type=Linear, Display type=DOF Solution > UZ > OK.

Задания:

Выбор печатной платы производить по номеру варианта

Таблица №1. Варианты.

Таблица №2. Параметры материалов.

Содержание работы

.        Ознакомиться с теоретической частью работы.

2.      Получить у преподавателя вариант задания.

3.      Ознакомиться с порядком выполнения работы.

.        Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

.        Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

рисунок печатного узла узла РЭА

краткое описание всех шагов модального расчета

исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

- формы собственных колебаний (10 первых).

таблица частот собственных колебаний и максимальных перемещений узлов интегральной схемы.

выводы.

Контрольные вопросы

. Как формулируется задача моделирования механического поля интегральной схемы?

. Каким образом осуществляется учет начальных и граничных условий?

. В чем сущность метода конечных элементов?

. Могут ли радиоэлементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

. Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

. Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1.      Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

.        Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

3.      Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ <#"657594.files/image202.gif">

Рис.4.13 Интегральная схема

В математической форме сформулированная задача является двумерной, так как толщина подложки Lz много меньше двух других размеров Lx и Ly и описывается дифференциальными уравнениями в частных производных.

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов[19] (который и используется в настоящей работе), позволяющей свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Метод конечных элементов представляет собой метод численной реализации решения вариационной задачи. В математике доказывается, что любой краевой задаче можно поставить в соответствие некоторую так называемую вариационную задачу - нахождение функции, минимизирующий соответствующий функционал. При этом необходимо решить две проблемы: найти соответствующий функционал и отыскать функцию, его минимизирующую. Такой метод решения краевых задач называется вариационным. Он основан на фундаментальном физическом принципе наименьшего действия.

Применительно к задачам электро- и магнитостатики при граничных условиях I рода (условия Дирихле) минимизируемым функционалом является величина, пропорциональная запасенной в пространстве электрической ( или магнитной) энергии:

Так как , то минимизируемый функционал можно записать в виде

,

а искомой (минимизирующей) функцией будет .

Задача расчета поля сводится к нахождению такой функции , при которой .

В классической теории поля вариационным методом решено множество разнообразных задач. В настоящее время широко применяется численный метод решения вариационных задач, ориентированный на применение ЭВМ - метод конечных элементов.

Суть метода заключается в следующем.

Область решения разбивается на конечные элементы. В качестве функционала выступает сумма электрических энергий, накопленных во всех элементах. Так как элементы соприкасаются друг с другом, у них есть общие точки. Энергия элементов выражается через потенциалы этих общих точек.

,

где N - число этих общих точек.

Вычисляются такие значения потенциалов общих точек, при которых W - минимальна. В дальнейшем задача сводится к формированию и решению системы алгебраических уравнений, неизвестными величинами в которых являются потенциалы общих точек элементов.

Рассмотрим пример формирования системы уравнений при решении двумерной задачи в декартовой системе координат.

Рис. 4.14. Разбиение области на конечные элементы

Пусть в области G надо найти решение уравнения Лапласа, удовлетворяющее условию Дирихле на границе L этой области. Область G разбиваем на конечные элементы. Выбираем в качестве элементов простейшие фигуры - треугольники.

Один из элементов с номером i представлен на рис.4.14. Положение i - го элемента определяется координатами его вершин m,n, p (xm , ym , xn , yn , xp ,yp). Внутри каждого элемента искомую функцию  представляем так называемой пробной функцией, удовлетворяющей следующим требованиям:

)        пробная функция должна позволять вычислить , т.е. иметь кусочно-непрерывную первую производную;

)        пробная функция должна позволять аналитически вычислять энергию элемента, т.е. интеграла (в предложении постоянства диэлектрической проницаемости внутри элемента):

.

Отметим, что пробные функции не обязательно должны удовлетворять уравнению Лапласа. Как правило, для всех конечных элементов выбираются пробные функции одного вида.

Простейшей пробной функцией является линейная

, (1)

где , ,  - параметры аппроксимации.

Эта функция удовлетворяет указанным выше требованиям:

)        ; (2)

)        ,

где  - площадь треугольника

Коэффициенты аппроксимации , ,  могут быть найдены через потенциалы вершин треугольника.

, (3)

где В - координатная матрица i-го элемента.

Решением (3) является

. (4)

При этом  (знак определяется порядком следования индексов - минус соответствует следованию индексов m, n, p по часовой стрелке).

По (4) представим  и  в виде:

Подставим эти значения в (2):

.

Для N элементов:

Очевидно, что , где m - общее число вершин треугольников.

Производные от этого выражения будут полиномами первой степени от потенциалов вершин треугольников. Например, дифференцируя по , получаем:

(5)

Условием минимума функции W является равенство нулю всех производных типа (5). В матричной форме это условие приобретает вид

, (6)

где К - матрица влияния,  - элементы матрицы К.

Перенумеруем вершины треугольников так, чтобы начальными номерами обозначились вершины, не лежащие на границе области (неизвестные потенциалы), а последующими - вершины, лежащие на границе. В этом случае (6) примет вид:

, (7)

где  - вектор-столбец неизвестных потенциалов, а  - заданных.

Из (7)следует:

, (8)

откуда

. (9)

Для реализации метода на ЭВМ разработаны алгоритмы формирования матрицы влияния. После определения неизвестных потенциалов вершин треугольников, по (4) могут быть найдены параметры аппроксимации, а затем по (1) - значения потенциалов любой точки области.

Для повышения точности решения задач методом конечных элементов применяется либо увеличение числа конечных элементов, либо усложнение структуры пробных функций; при этом возрастает число граничных узлов. Метод конечных элементов может быть реализован при решении трехмерных задач, а также при граничных условиях второго и третьего рода. Помимо уравнений Лапласа - Пуассона метод КЭ применяется для решения ряда других уравнений математической физики.

Методика решения задачи.

Исходными данными для моделирования электромагнитного поля интегральной схемы являются:

     диэлектрические и конструктивные размеры подложки;

      размеры и расположение микрополоскового проводника;

      размер экрана.

Рис.4.15. Экранированная микрополосковая линия (дискретизация среды).

В качестве примера, произведем моделирование в программе ANSYS электромагнитного поля микрополосковой линии.

Исходные данные:

- относительная диэлектрическая проницаемость подложки

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования механического поля интегральной схемы реализует следующие режимы работы

ввод исходных данных

коррекция исходных данных

провести модальный анализ

представление результатов в виде карт распределения электрического и магнитного полей

Порядок выполнения работы:

1.      Определяем тип анализа:

Main Menu > Preferences > High Frequency > Ok таким образом формируется меню под выполнение высокочастотного анализа.

2.      Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбрать тип элемента:Menu > Prepocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > HF Electromagnet >2D Quad 118 задаем тип разбиения (описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > Ok > Close

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

    Add - позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

      Options - позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

      Delete - кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

      Close - закрывает диалоговое окно

      Help - выводит на экран справку

При выборе категории в левом списке, в правом появляется список элементов, относящихся к данной категории. Первым в каждой строке идет описание элемента. Как правило, оно содержит данные о форме элемента, количестве узлов и особенностях физических моделей материала, для которых он используется.

При выполнении работы не забывайте периодически сохраняться(лучше на некоторых законченных этапах делать версии работы для удобства редактирования). Сохранить работу можно File => Save as… или в сервисном меню SAVE_DB(если проект уже существует). Внимание, воспринимается только английский текст. Для чтения данных с файла пользуйтесь закладкой RESUM_DB.

3.      Выбираем свойства материала и задаем его характеристики:

Задаем свойства материала (подложка):Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните:> Relative Permeability > Constant

В окне Permeability for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:- магнитная проницаемость материала.

В окне Relative Permittivity for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:- диэлектрическая проницаемость материала

Создаем второй материал, для этого выбираем:> New Model…

Аналогично задаем свойства для второго материала (воздух):(Constant) - MURX = 1 - магнитная проницаемость;(Constant) - PERX = 1 - диэлектрическая проницаемость.

4.

1.Создаем функциональный узел:Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners

В появившемся окне задаются координаты нижнего левого угла прямоугольника и его размеры: длина и ширина.

В нашей работе необходимо создать две плоскости размером 8х2 и 8х6, соответственно для подложки и воздушного пространства.

2.   Соединяем поверхности друг с другом:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Area > Pick All

Теперь объединяем все элементы:Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Area > Pick All

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

5.      Присваиваем свойства плоскостям и создаем конечно-элементную сетку:

а) назначаем каждому элементу свой матриал:Menu > Preprocessor > Meshing>Mesh Tool

В появившемся окне в разделе Element Attributes выбираем Area и нажимаем Set.

Далее выбираем одну из областей (подложка или воздух) и нажимаем Apply, напротив Material number выбираем номер материала соответствующий той или иной среде.

Повторяем те же действия и для другого материала.number - Номер материалаconstant set number - Реальное постоянное число набораtype number - Номер типа элементаcoordinate sys - Координата элементаsection - Секция элемента

б) задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:

В разделе Size Controls окна Mesh Tool, нажимаем Set напротив Area.

Выделяем обе плоскости и нажимаем OК.

В окне Element Size at Picked Areas указываем шаг разбиения (размер стороны квадрата) 0,01 м и нажимаем OК.

Затем в разделе Mesh окна Mesh Tool устанавливаем Area, в разделе Shape выбираем Quad и Mapped и нажимаем Mesh, после чего выделяем все области и нажимаем OК.

Получаем:

2.      Задаем граничные условия:

Так как по условию микрополосковая линия изолирована со всех сторон экраном, то тогда ко всем сторонам применим условие идеального проводника:Menu > Preprocessor > Loads > DefineLoads > Apply > Electric > Boundary > Electric Wall > On lines

Затем выбираем внешние горизонтальные и вертикальные стороны и нажимаем ОК.

Для создания микрополоска применим этот же идеальный проводник но только не к линии, а к узлу:Menu > Preprocessor > Loads > DefineLoads > Apply > Electric > Boundary > Electric Wall > By Nodes

и выделим узлы принадлежащие микрополоску по заданию.

Получаем:

3.      Проводим анализ:

Задаем тип анализа:Menu > Solution > Analisys Type > New Analisys > Modal > ОК

1.      Выполняем расчет:

Main Menu > Solution > Solve > Electromagnet > HF Emag > 2D Freq Sweep

В появившемся окне устанавливаем значение частоты 3e9 напротив стартового значения, а остальные поля для задании частот делаем пустыми. Так же устанавливаем число Number of required modes = 1 (число необходимых модов) и нажимаем ОК.frequency - Начальная частотаfrequency - Конечная частотаincrement - Приращение частотыNumber of required modes - Число необходимых мод

После этого произойдет запуск анализа.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

2.      Просматриваем результаты расчета:

Main Menu > General Postproc > Vector Plot > Predefind Vectors

Выбрав необходимый нам тип поля Е или Н, мы можем наблюдать распределение векторов в микрополосковой линии, а так же их скалярное значение.Plot of Predefined Vectors - Векторное Распределение Предопределенных ВекторовVector item to be plotted - Зафиксируйте Векторный пункт по пунктам, который будет подготовлен:& gradient - Поток и градиент- ЭнергияDensity - Текущая ПлотностьVector or raster display - Векторный или растровый способ показаMode - Векторный СпособMode - Растровый СпособVector location for result - Местоположение Вектора для результатаCentroid - Элементарная Средняя точкаNodes - Элементарные УзлыElement edges - Края Элемента- Скрытыйof Vector Arrows - Вычисление Векторных СтрелокNumber - Номер окнаfactor multiplier - Множитель фактора масштабаscaling will be - Векторное вычисление будетplot based on - Векторное распределение основано на

Распределение магнитного поля:& gradient > Mag field H

Распределение электрического поля:& gradient > Elec field EF

Задания:

Содержание работы

.        Ознакомиться с теоретической частью работы.

.        Получить у преподавателя вариант задания.

.        Ознакомиться с порядком выполнения работы.

.        Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

.        Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

рисунок интегральной схемы узла РЭА

краткое описание всех шагов модального расчета

исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

- карта распределения магнитного поля

карта распределения электрического поля

выводы.

Контрольные вопросы

. Как формулируется задача моделирования электромагнитного поля интегральной схемы?

. В чем сущность метода конечных элементов?

. Какова структура электромагнитного поля в поперечном сечении экранированной микрополосковой линии с неоднородным заполнением?

. Могут ли радиоэлементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

. Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

. Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1.      Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

.        Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

3.      Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ <#"657594.files/image253.gif">, где:

НЭН - норма расхода энергии;

СЭН - стоимость единицы энергии (1кВ/ч = 1.23 руб.);

ЗЭН = 188.72 1.23 = 232.13 руб.

В итоге по статье «Спецоборудование для научных работ» мы имеем:

+ 232.13 = 7407.13 руб.

5.2.3 Основная заработная плата производственного персонала

К статье «Основная заработная плата» относится основная заработная плата научных сотрудников, инженерно-технических работников, лаборантов, чертежников, копировщиков и рабочих, непосредственно занятых выполнением конкретной НИР, а также заработная плата работников нештатного (несписочного) состава, привлекаемых к ее выполнению. Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости, затрачиваемой ими на выполнение отдельных видов работ, и их средней заработной платы (ставки) за один рабочий день. Средняя заработная плата за один рабочий день определяется для каждой категории работающих исходя из месячного должностного оклада и количества рабочих дней в месяце. Средняя заработная плата за один рабочий день для рабочих определяется исходя из условий повременной системы оплаты труда. При заполнении таблицы указываются только те категории работающих, которые фактически участвуют в выполнении НИР.

Исходными данными для расчёта является трудоёмкость отдельных видов работ по категориям работающих таблицы 5.1.

Необходимо определить среднее количество рабочих дней в месяце, а так же среднюю продолжительность рабочего дня. Это потребуется для определения основной заработной платы на НИР. Примем:

среднее количество рабочих дней в месяце - 22 рабочих дня;

продолжительность рабочего дня - 8 часов.

Изходя из таблицы 1, делаем вывод, что на разработку серии методических работ потребуется 4месяца.

При этом основная заработная плата вычисляется по формуле:

, где:

ЗП - основная заработная плата производственного персонала по НИР;

q - число профессиональных групп исполнителей;

Сi - усреднённая часовая тарифная ставка заработной платы одного работника профессиональной группы, руб./час;

Ti - нормативное время каждой профессиональной группы на выполнение своей работы во всей НИР.

Перечень профессиональных групп исполнителей НИР, усреднённые часовые ставки заработной платы работников каждой группы и коэффициенты, соответствующие удельному весу каждой профессиональной группы в трудоёмкости НИР, представлены в таблице 5.4.

Таблица 5.4. Усреднённые часовые ставки исполнителей НИР.

В таблице 5.5 мы можем увидеть окончательный расчет основной заработной платы, оплачиваемой в процессе НИР.

Таблица 5.5. Расчёт фонда основной заработной платы.

5.2.4 Дополнительные затраты

К статье «Дополнительная заработная плата» относятся выплаты, предусмотренные законодательством за непроработанное (неявочное) время: оплата очередных и дополнительных отпусков, оплата времени, связанного с выполнением государственных и общественных обязанностей, выплаты вознаграждений за выслугу лет и др. Размер дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР, определяется в процентах от их основной заработной платы. В научных учреждениях этот размер составляет примерно 10-12% от основной.

В итоге: 31640*0.12 = 3796,8 руб.

На статью «Отчисления на социальное страхование» относятся отчисления на оплату перерывов в работе по временной нетрудоспособности. Размер отчислений на социальное страхование определяется в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР. В научных учреждениях отчисления на социальное страхование составляет 26% от суммы основной и дополнительной заработной платы.

В итоге: (31640 + 3796,8) 0.26 = 9214 руб.

К статье «Прочие прямые расходы» относятся расходы на приобретение и подготовку материалов специальной научно-технической информации, оплата всех видов услуг связи, расходы на приобретение литературы, оплата услуг страховой и пожарной охраны, налоги, сборы, расходы по подготовки научных кадров. Прочие прямые расходы принимают равными 10% от основной заработной платы.

В итоге: 316400.1 = 3164 руб.

Суммы затрат по статьям и итоговая смета затрат на проектирование приведены в таблице 5.6.

Таблица 5.6. Итоговая смета затрат на проектирование.

6. Охрана труда

.1      Обеспечение требований охраны труда при работе с ПЭВМ

.1.1 Введение

Современный период развития цивилизованного общества по праву называют этапом информатизации. Характерной чертой этого периода является тот факт, что доминирующим видом деятельности в сфере общественного производства, повышающим его эффективность и наукоемкость, становится сбор, продуцирование, обработка, хранение, передача и использование информации, осуществляемые на базе современных информационных технологий.

Информатизация общества - это глобальный социально-экономический процесс, характеризующийся интенсивным производством и использованием информации в качестве общественного продукта, обеспечивающего интенсификацию всех сфер экономики, ускорение научно-технического прогресса, интеллектуализацию всех видов человеческой деятельности, интенсификацию процессов обучения и подготовки кадров, развитие творческого потенциала членов общества и, как следствие этого, демократизацию общества, повышение уровня благосостояния народа.

Одним из главных направлений процесса информатизации современного общества становится информатизация образования, обеспечивающая широкое внедрение в практику реализацию идей развивающего обучения, совершенствование форм и методов организации учебного процесса.

Реализация идей информатизации образования возможна в условиях использования в сфере образования перспективных моделей ЭВМ, обеспечивающих, во-первых, знакомство учащихся с современными программными средствами, требующими работы с большими объемами информации, во-вторых, обеспечивающих работу со специальным периферийным оборудованием (блоки АЦП и ЦАП для персональной компьютерной лаборатории, учебные роботы и обрабатывающие комплексы и т.д.). В связи с этим особое значение приобретает также и роль кабинета, в котором должны проводиться лабораторные занятия.

Данный раздел дипломного проекта посвящен рассмотрению следующих вопросов

определение оптимальных условий труда инженера - программиста

расчет освещенности

6.1.2 Характеристика условий труда инженера - программиста

Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областях деятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов электромагнитных полей (диапазон радиочастот ВЧ, УВЧ и СВЧ), инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др. [21,22].

Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы инженера - программиста.

В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.

6.1.3 Требования к производственным помещениям

.1.3.1 Окраска и коэффициенты отражения

Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения.

Источники света, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхности экрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехи физиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении, особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичных источников света, должно быть сведено к минимуму. Для защиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны [23].

В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола

окна ориентированы на юг - стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета пол - зеленый

окна ориентированы на север - стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета пол - красновато-оранжевый

окна ориентированы на восток - стены желто-зеленого цвета

пол зеленый или красновато-оранжевый

окна ориентированы на запад - стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета пол зеленый или красновато-оранжевый.

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения для потолка 60 - 70%, для стен 40 - 50%, для пола около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели 30 - 40%.

.1.3.2 Освещение

Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Существует три вида освещения - естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе) [24].

Естественное освещение - освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений. Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.

Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день). Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее - освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное - освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.

Согласно СНиП II-4-79 в помещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,30,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,51,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно [23].

Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная - 750лк аналогичные требования при выполнении работ средней точности - 200 и 300лк соответственно.

Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.

6.1.3.3 Параметры микроклимата

Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения (см. табл. 6.1) [22].

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5м3/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.1 Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры

Таблица 6.2 Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры

Для обеспечения комфортных условий используются как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).

6.1.3.4 Шум и вибрация

Шум ухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [выше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере [24].

В табл. 6.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности

Таблица 6.3 Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах.

Уровень шума на рабочем месте инженеров-программистов не должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительных машинах - 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.

6.1.3.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения

Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются [22].

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в табл. 6.4.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10…100мВт/м2.

Таблица 6.4 Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.

6.2    Эргономические требования к рабочему месту

Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены следующие основные условия оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения.

Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементов рабочего места [25].

Главными элементами рабочего места инженера - программиста являются стол и кресло. Основным рабочим положением является положение сидя.

Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление инженера - программиста. Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.

Моторное поле - пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.

Максимальная зона досягаемости рук - это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.

Оптимальная зона - часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.

Оптимальное размещение предметов труда и документации в зонах досягаемости:

Дисплей размещается в зоне а (в центре)

Системный блок размещается в предусмотренной нише стола

Клавиатура - в зоне г/д

Мышь - в зоне в справа

Сканер в зоне а/б (слева)

Принтер находится в зоне а (справа)

Документация необходимая при работе - в зоне легкой досягаемости ладони в, а в выдвижных ящиках стола - литература, неиспользуемая постоянно.

Рис 6.1.