Модели и методики обеспечения и оптимизации тепловых характеристик на различных этапах конструкторского проектирования радиоэлектронных устройств

• Автор: Бобылкин, Игорь Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 157 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС НА БАЗЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
1.1. Задачи обеспечения и оптимизации тепловых режимов в процессе разработки конструкций современных РЭС
1.2. Методы и средства моделирования, анализа, обеспечения и оптимизации тепловых режимов РЭС
1.3. Цель и задачи исследования
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЭС
2.1 Структура, основные задачи и математическое обеспечение процесса оптимального теплового проектирования радиоэлектронных средств
2.2 Формирование критериев оптимальности тепловых характеристик РЭС
2.3 Тепловые модели конструкций для задач прогнозирования и оптимизации тепловых характеристик РЭС
2.4 Моделирование процессов теплопередачи в системах охлаждения конструкций РЭС
2.5. Основные выводы второй главы
3. МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОГІРИ-МИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАПАКТЕРИСТИК РЭС
3.1. Прогнозирование тепловых характеристик на начальных этапах конструкторского проектирования РЭС
3.1.1. Выбор основного вида теплопередачи и типа системы охлаждения РЭС

3.1.2. Прогнозирование и оценка возможности обеспечения теп-
ловых характеристик конструкций РЭС
3.2. Задачи и методики оптимизации тепловых характеристик в 79 процессе конструкторского проектирования РЭС
3.2.1. Оценка эффективности структуры и оптимизация систе- 79 мы теплоотвода в конструкциях РЭС
3.2.2. Оптимальная компоновка конструкций РЭС
3.3. Основные выводы третьей главы
4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИК
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОПТИМСИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС
4.1. Комплексная методика и средства прогнозирования, обеспече- 87 ния и оптимизации тепловых характеристик конструкций РЭС
4.2. Применение разработанных методик при тепловом проектиро- 93 вании конструкций РЭС
4.3. Основные выводы четвертой главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Обязательной составной частью процесса конструкторского проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС) является тепловое проектирование, направленное на решение вопросов обеспечения нормального теплового режима и выполняемое на различных этапах разработки. Тепловой режим РЭС оценивается с помощью различных тепловых характеристик, базирующихся на анализе температурных полей конструкций. Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства. Такой традиционный подход характеризуется итера-ционностыо, достаточно большими временными затратами. Применения для моделирования соответствующих программных комплексов (Рго/ЕНСГЫЕЕЛ, АПБУБ и т. д.) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат.
Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование -анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза, когда в качестве результата получаем значении параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный (нормальный) тепловой режим. Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования является переход к задачам оптимизации с использованием специальных тепловых критериев, направленных на получение оптимальных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС. Поэтому наиболее эффективным является организация, построение и осуществление процесса оптимального многоэтапного теплового проектирования РЭС, охватывающего все этапы разработки конструкций, что требует создания и формирования комплекса методов и средств его реализации и поддержки.

Что бы реализовать нормальный тепловой режим РЭС применяются различные системы охлаждения, включающие разные комплексы специальных теплоотводящих устройств. Эти комплексы применяются для направленного отвода тепловых потоков от нагретых зон (элементов) в окружающую среду. В разных конструкциях РЭС в зависимости от использованных устройств или поставленной конкретной задачи применяются различные системы охлаждения /2/. Имеющиеся системы различаются по сложности исполнения, стоимости, массе, габаритам, потреблению энергии, а так же оказывают существенное влияние на конструкцию конкретных РЭС, что приводит к необходимости выбора типа такой системы на возможно более раннем этапе проектирования и прогнозирования тепловых режимов, потенциально обеспечиваемой данной системой /63, 64/.
Таким образом, в процессе теплового проектирования, нужно выбрать тип, структуру, определить параметры системы охлаждения и какие будут входить в нее теплоотводящие устройства (радиаторы, теплообменники, тепловые трубы, тепловые шины и т.д.). Затем должна решаться задача оптимизации структуры и характеристик выбранной системы охлаждения путем рационального распределения тепловых потоков, отводимых от нагретой зоны в окружающую среду. В качестве варьируемых параметров могут быть использованы параметры конструкции, материалов, теплоносителей и режимы их движения. Структурная и функциональная модель системы охлаждения представляется в виде графа теплопередачи, каждое ребро которого характеризуется эффективным коэффициентом теплопередачи аэ /71/. Математической основой теплового проектирования здесь являются оптимизационные задачи теории графов, например, задача о максимальном потоке, а основным критерием - отводимый тепловой поток Р.
Дальнейшем этапом является выбор и оптимальный синтез теплоотводящих устройств (радиаторы, шины и др.), где критерием выступает обеспечиваемый конкретным устройством эффективный коэффициент теплоотдачи аэ /3, 42/, изменяемыми параметрами: габариты, материалы, конфигурация и размеры теплорассеива-ющнх элементов и т.д. Для формирования целевых функций возможно применения