В основе комплексного моделирования лежит обмен информацией между моделями отдельных процессов. Можно выделить несколько основных случаев, когда он необходим:
При переходе с одного этапа проектирования к другому.
При реализации иерархического подхода к моделированию отдельных физических процессов в схеме и конструкции РЭУ.
При реализации комплексного моделирования физических процессов, частным случаем которого является последовательное моделирование.
Рассмотрим указанные варианты обмена информацией и обусловленные им требования к средствам CALS-технологий подробнее.
При переходе с одного этапа проектирования к другому происходит уточнение требований к режимам работы отдельных элементов, составных частей и РЭУ в целом, а также увеличивается глубина проработки схемно-конструктивных решений. Это приводит к усложнению моделей, описывающих физические процессы в РЭУ, т.е. модели с предыдущих этапов проектирования уточняются и корректируются на последующих этапах. Следовательно, между этапами проектирования передаются модели физических процессов, а средства CALS должны поддерживать эту передачу на уровне структуры представления и соответствующих связей.
Иерархический подход подразумевает, что моделирование физических процессов РЭУ проводится в несколько этапов, причем электрическая схема и конструкция разбиваются на составные части, в соответствии с уровнем представления выходных характеристик. Модели различных уровней иерархии связаны между собой таким образом, что выходные характеристики моделей высокого уровня являются граничными условиями для моделей низкого уровня. Например, модель тепловых процессов в блоке соответствует более высокому уровню, чем модель тепловых процессов в печатном узле (ПУ). При этом ПУ в модели блока может быть представлен интегральной температурой, в то время как в модели ПУ низкого уровня будет получено его тепловое поле и температуры электрорадиоизделий. Граничными условиями для модели ПУ будут служить интегральные температуры соседних ПУ и других конструктивных элементов, являющиеся выходными характеристиками модели блока.
Таким образом, при иерархическом подходе к моделированию в процессе обмена данными необходимо из множества характеристик модели высокого уровня получать граничные условия для моделей следующего, более низкого иерархического уровня. В сложных случаях целесообразно организовывать обратные связи, назначение которых состоит в уточнении модели высокого уровня на основе данных, получаемых из моделей низкого уровня. Примером такого уточнения может служить идентификация параметров тепловой модели блока на основе интегральных температур рассчитанных для полной модели ПУ. Требованием к средствам CALS является представление в структуре данных граничных условий моделей и организация связей в соответствии с уровнями иерархии моделей.
Передача данных между моделями для реализации комплексного моделирования представляет собой наиболее сложную задачу. Обычно, при комплексном моделировании рассматриваются взаимные связи электрического и теплового, теплового и аэродинамического (гидравлического), теплового и механического процессов. Причем в общем случае подмодели отдельных физических процессов могут принадлежать к разным иерархическим уровням.
Рассмотрим основные варианты комплексного моделирования и соответствующий им обмен данными между моделями реализуемый в том числе средствами CALS-технологий.
1. Обмен данными происходит между моделями одного иерархического уровня, которые предназначены для расчёта интегральных характеристик конструктивных элементов.
2. Обмен данными происходит между моделями разных иерархических уровней, причем для электрической схемы, тепловой и механической моделей характеристики рассчитывают с точностью до ЭРИ, а для аэродинамической модели определяют скорости потоков теплоносителя в условно выделенных каналах (например, канал образованный ПУ и стенкой прибора).
3. Обмен данными происходит между моделями разных иерархических уровней, причем в процессе расчёта возможен возврат информации на предыдущие более высокие уровни разукрупнения (например, уточнение параметров макромодели тепловых процессов в блоке на основе рассчитанных интегральных температур полных моделей ПУ).
Электротепловые взаимосвязи в первом случае имеют следующий вид. Мощности тепловыделения, получаемые после расчёта электрической схемы, пересчитываются в суммарные мощности тепловыделения нагретых зон (например, нагретой зоной может быть ПУ, если в модели тепловых процессов он представляется одним узлом). Эти значения подставляются в элементы моделей тепловых процессов (МТП) - источники мощности. После расчёта МТП интегральные температуры печатных узлов должны быть поставлены в соответствие электрорадиоэлементам электрической схемы в соответствии с их расположением. Данные температуры передаются в качестве параметров элементов в расчёт электрических процессов в схеме РЭУ.
Теплоаэродинамические взаимосвязи для первого случая выглядят следующим образом. Полученные в результате расчёта интегральные температуры конструктивных элементов (температуры ПУ1, ПУ2 и корпуса блока) и локальные температуры воздуха (температуры воздуха на входе и выходе из блока) пересчитываются в средние температуры стенок каналов (средняя температура стенки канала ограниченного ПУ1, ПУ2 и корпусом блока) и средние температуры воздушных потоков (средняя температура потока между входом и выходом из блока). Вычисленные в результате расчёта модели аэродинамических процессов (МАП) скорости воздуха передаются в параметры элементов МТП, моделирующих процессы теплоотдачи вынужденной конвекцией и теплоперенос в воздушных каналах.
Тепломеханические взаимосвязи в первом случае заключаются в передаче интегральных температур крупных конструктивных элементов в модель механических процессов, где от них зависят параметры элементов, моделирующих податливости и демпфирование. Если конструктивный элемент (например, ПУ) моделировался несколькими узлами МТП (несколько нагретых зон), то при передаче необходимо вычислять температуры каждого фрагмента конструкции, отраженного в модели механических процессов (ММП).
Во втором случае реализация электротепловых взаимосвязей так же требует передачи мощностей тепловыделения элементов из расчёта электрической схемы в тепловую модель. При этом в отдельных случаях вычисляют суммарную мощность нескольких элементов электрической схемы, когда эти элементы конструктивно реализованы в одном корпусе, например, резисторной сборке или микросборке. Вторым вариантом является прямая передача выделяемой тепловой мощности элемента в тепловую модель ПУ, когда в одном корпусе реализован один элемент электрической схемы. Соответственно изменяются и теплоэлектрические связи. Температура одного корпуса ЭРИ является общим параметром для нескольких элементов электрической схемы, реализованных в нем. Либо эта температура уникальна, если элемент имеет собственный корпус.
Второй случай применительно к теплоаэродинамическим взаимосвязям подразумевает, что одно значение скорости воздуха, полученное из расчёта МАП, будет являться граничным условием ПУ образующего соответствующий канал. Обратная передача температур потока теплоносителя и ПУ в МАП не производится.
Тепломеханические взаимосвязи второго варианта комплексного моделирования могут быть реализованы несколькими способами:
по результатам теплового расчёта рассчитывается интегральная температура печатной платы, которая передаётся в ММП;
в ММП передаётся тепловое поле печатной платы. В случае, если размерность дискретов сеток МТП и ММП разная проводятся дополнительные вычисления для определения средней температуры каждого дискрета печатной платы ММП.
Третий вариант комплексного моделирования наиболее сложен. Он подразумевает, что для одного и того же процесса в одном расчётном цикле исследуются и уточняются параметры моделей нескольких иерархических уровней. Данный вариант трудно поддается автоматизации, поэтому в рамках данной статьи рассмотрим только один пример комплексного моделирования тепловых и аэродинамических процессов. Он будет представлять собой взаимосвязь двух МТП и одной МАП. Первая МТП будет иметь высокий уровень и соответствовать макромодели блока с одним ПУ. Вторая МТП низкого уровня представляет собой полную модель ПУ. МАП позволяет получить скорости воздуха в каналах блока образованных ПУ и его стенками.
В этом случае из МАП скорости потоков воздуха в каналах передаются в МТП макромодели блока. В результате расчёта макромодели получают интегральные температуры конструктивных элементов и воздушных потоков, которые передаются в МАП для уточнения аэродинамических характеристик. После того как расчёт МАП и МТП сходится полученные значения скоростей воздуха, его средних температур и температур конструктивных элементов передаются в полную МТП ПУ. Если расчёт полной МТП ПУ показывает, что интегральная температура ПУ не соответствует рассчитанной по макромодели блока, то производится уточнение параметров макромодели, таких как, суммарная площадь ЭРИ, коэффициенты черноты и т.д. Причем при уточнении проводится и расчёт МАП.
В настоящее время задачи интеграции комплексного моделирования и CALS-технологий в Московском государственном институте электроники и математики решаются в лаборатории надёжности и управления качеством. Комплексное моделирование проводится на базе системы АСОНИКА, имеющей в своем составе проблемно-ориентированные подсистемы анализа электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов, подсистему анализа механических процессов с учётом тепла и подсистему комплексного анализа электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов на уровне макромоделей АСОНИКА-П. Варианты комплексного моделирования РЭУ в рамках системы АСОНИКА представлены следующим образом.
Первый вариант комплексного моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов реализован в подсистеме АСОНИКА-П.
В третьем варианте участвуют все подсистемы, информации передаётся с применениеv средств CALS или вручную, а момент окончания расчёта определяется специалистом, проводящим моделирование.
Реализация второго варианта ведётся в настоящий момент. Он будет представлять собой объединение конверторами данных подсистем с механизмом автоматического определения момента окончания расчёта. Проводится так же дальнейшее совершенствование математического ядра подсистемы АСОНИКА-П, с целью учита в комплексных моделях новых физических эффектов.
Литература
Стрельников В. П., Федухин А. В. Оценка и прогнозирование надёжности электронных элементов и систем. - К.: Логос, 2002. - 486 с.
Ken Neubeck. MIL - HDBK-217 and the real // RAC Jornal, 1994. - 2, #2 р.15-18.
Павлухина Е. В. Планирование процесса надёжностно-ориентированного проектирования РЭС // Надёжность, 2004 г. - №3, с.13-15.
Воловиков В. В., Кофанов Ю. Н. и др. Обеспечение качества радиоэлектронной аппаратуры при концептуальном проектировании на основе CALS-технологии // Качество и ИПИ (CALS) - технологии: ежеквартальный науч.-техн. и производств. журн. - М.: Фонд «Европейский центр по качеству», 2005. - №4 (8), с.2-6.