ИЕРАРХИЧЕСКИЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РЭУ 1 1 1 1 Уровень 1 ММ микросборок и интегральных схем Уровень 0 ММ электрорадио - элементов. - презентация

1

2 ИЕРАРХИЧЕСКИЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РЭУ Уровень 1 ММ микросборок и интегральных схем Уровень 0 ММ электрорадио - элементов Уровень 2 ММ печатных узлов и функц-ых ячеек Уровень 3 ММ блоков и приборов Уровень 4 ММ шкафов и стоек n n nn n n n n n

3 Математические модели верхних уровней иерархии (уровни 3, 4 ) Эквивалентные схемы Модель тепловых процессов Модель аэродинамических процессов Упрощенная модель механических процессов Тепловые и аэродинамические процессы в блоке РЭУ

4 Математические модели нижних уровней иерархии (уровни 0 … 2 ) Конечноэлементая модель платы Конечноэлементая модель ЭРИ и результаты её расчёта Результаты расчёта механических процессов Результаты расчёта тепловых процессов Трёхмерный эскиз печатного узла и его топологическая модель

5 Программные средства математического моделирования Программные средства моделирования Э., Т., ГА., М. процессов в РЭУ УниверсальныеПроблемно ориентированные Тепловые процессы: Ansys/Thermal; Nastran; Cosmos Works; Simula; FEMAP|Thermal Solver Механические процессы: Ansys/Mechanical; Nastran; Cosmos Works; Simula; Pro/ENGINEER Mechanica Гидроаэродинамические процессы: Ansys/CFD; Cosmos FlowWorks; FLUENT; Abaqus; FEMAP/Flow Solver Электрические процессы: PCAD; OrCAD; PSB Systems MG; Altium Designer (Protel) Тепловые процессы: АСОНИКА- Т / ТМ/ П; Ansys/ IceBoard/ Icepack; BetaSoft; PCAnalize; Qfin; FLOTHERM Механические процессы: АСОНИКА- В /М/ ТМ/П; Гидроаэро- динамические процессы: АСОНИКА-П, Ansys/IceBoard/ Icepack; Qfin; FLOTHERM

6 Программные средства для моделирования электрических процессов в РЭУ Программные средства PCAD; OrCAD; PSB Systems Mentor Graphics; Altium Designer (Protel); CADSTAR ZUKEN; Micro-Cap Общие черты: Основаны на ядре Spice; Позволяют организовать сквозной цикл проектирования ПП

7 Проблемно-ориентированные программные средства для моделирования тепловых процессов в РЭУ Идеализация тепловых процессов, принимаемая в моделях верхних уровней иерархии Идеализация тепловых процессов, принимаемая в моделях нижних уровней иерархии Типовые конструктивные элементы Элементарные виды теплообмены

8 Универсальные программные средства для моделирования тепловых процессов в РЭУ Нетиповые конструктивные элементы

9 Программные средства для моделирования гидроаэро- динамических процессов в РЭУ

10 Программные средства для моделирования механических процессов в РЭУ

11 Аналогии в математическом описании физических процессов Физический процессХарактеристика (переменная) УзлыВетви ЭлектричествоНапряжение (потенциал)Ток, напряжение (перепад напряжения) ТеплоТемператураТепловой поток АэродинамикаДавлениеСкорость и расход воздуха Механика ПеремещениеПроизводная силы СкоростьСила УскорениеИмпульс силы Универсальное обозначение Электрическая цепь Тепловая цепь Аэродинамическая цепь Механическая цепь Диссипативный компонент СопротивлениеТепловое сопротивления: - кондукция; - конвекция (ЕК и ВК); - излучение. Аэродинамическое сопротивление: - местные; - трения. Демпфирование Консервативный компонент I-го рода ЁмкостьТеплоёмкостьАэродинамическая ёмкость Масса Консервативный компонент II-го рода Индуктивность--Податливость Активный потенциальный компонент Источник токаИсточник мощностиРасход воздухаИсточник скорости Активный потоковый компонент Источник напряжения Источник температурыИсточник давленияИсточник силы

12 Топологическая форма представления математических моделей

13 Компоненты моделей электрических процессов

14 Компоненты моделей электрических процессов (продолжение)

15 Компоненты моделей электрических процессов (продолжение)

16 Топологические модели резисторов Для области низких частот Для области высоких частот R сопротивление резистора; L R индуктивность выводов и проводящей части резисторов; С R – ёмкость выводов и проводящей части резисторов Для диффузионных резисторов интегральных схем С n – ёмкость проводящей части относительно подложки (включая ёмкость обратносмещённого паразитного p-n перехода)

17 Для области низких частот В широкополосной области Интегральный конденсатор, построенный на структуре металл- диэлектрик-полупроводник R c сопротивление потерь в диэлектрике; L c индуктивность выводов и обкладок конденсатора; r c сопротивление последовательного слоя в структуре конденсатора; l п =f(Un) зависимый источник, моделирующий статическую характеристику паразитного р-п перехода; С п емкость р-п перехода; П подложка

18 Для области низких частот В широкополосной области Спиральная катушка индуктивности интегральных схем R L сопротивление обмотки (спирали); C L межвитковая емкость; R И сопротивление потерь межвитковой изоляции; С п емкость между спиралью и подложкой П.

19 Компоненты моделей тепловых процессов

20 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

21 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

22 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

23 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

24 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

25 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

26 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

27 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

28 Компоненты моделей тепловых процессов (продолжение)

29 Топологическая модель теплопередачи в плоской горизонтальной воздушной прослойке Нижняя поверхность нагрета Верхняя поверхность нагрета Компонент топологической модели α К – коэффициент конвективной теплоотдачи; λ – теплопроводность воздуха; ΔT=T Н –T В ; T Н – температура нижней поверхности; T В – температура верхней поверхности; Gr – число Грасгофа. ΔTΔT 0 αкαк α к =f(λ)α к =f(λ,ΔT,Gr)

30 Топологическая модель тепломассопереноса в канале L 0 T T вх T вых T ср При q L =const R TМП =1/(G ·C p ) = 1/(a b w C p ) R TМП – тепловое сопротивление тепломассопереноса в канале; G – массовый расход теплоносителя C p – теплоёмкость теплоносителя a, b – геометрические размеры сечения канала; w – скорость течения теплоносителя на входе в канал; – плотность теплоносителя на входе в канал

31 Эскиз конструкции электронного прибора (пример моделирования)

32 Моделирование гидроаэродинамических процессов

33 Компоненты моделей гидроаэродинамических процессов, сопротивления трения

34 Компоненты моделей гидроаэродинамических процессов, местные сопротивления

35 Компоненты моделей гидроаэродинамических процессов, местные сопротивления (продолжение)

36

37 Компоненты моделей гидроаэродинамических процессов, консервативные и активные

38 Топологическая модель гидроаэродинамического сопротивления трубы и плоского канала w L 0 Q V вх Q Q ρ = const При q L =const Q V вых нагрев охлаждение k=f(ρ вх,ρ вых ) R к – аэродинамическое сопротивление канала (трубы); Re f – число Рейнольдса, вычисленное при средней температуре теплоносителя; Pr f, Pr w – число Прандля, вычисленное при средней температуре теплоносителя и средней температуре стенки соответственно; Gr f – число Грасгофа, вычисленное при средней температуре теплоносителя; w вх, w вых, w 0 – скорость течения теплоносителя на входе, выходе и средняя; вх, вых, 0 – плотность теплоносителя на входе, выходе и средняя.

39 Метод итерационного иерархического моделирования физических процессов в РЭУ Схема усовершенствованного метода Традиционный подход Граничные условия

40 Параметризация топологических моделей физических процессов в РЭУ Конструктивный параметр Компоненты комплексной модели, связанные с конструктивным параметром L – длина корпуса блока МТП: R64-1 … R64-12, R16-1 … R16-7, R26-1 … R26-4, R2-1 … R2-4 МАП: R302-1 … R302-3 Итого: 30 компонентов H2 – расстояние между печатными узлами МТП: R71A-2, R61-3, R61-4, R61-8, R61-11, R16-2 МАП: R Итого: 7 компонентов Параметр связан арифметическим соотношением с высотой корпуса блока

41 Метод параметризации топологических моделей физических процессов в РЭУ

42 Метод верификации топологических моделей физических процессов в РЭУ