Файл: Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании бортовых электронных устройств.pdf

На правах рукописи
Воловиков Валерий Валерьевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ
ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Специальность: 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2004

2
Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Кофанов Юрий Николаевич
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Сарафанов Альберт Викторович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Солодовников Игорь Владимирович доктор технических наук, профессор
Алексеев Владимир Антонович
Ведущее предприятие: Государственный научно-исследовательский институт приборостроения, г. Москва
Защита состоится 2004 г. на заседании диссертационного совета Д212.133.03 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Бол.
Трехсвятительский пер., 3/12, стр.8.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ
Автореферат разослан 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент

3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в процессе разработки бортовых электронных устройств (БЭУ) широко применяются автоматизированные системы моделирования и проектирования. Рост сложности БЭУ приводит к появлению скрытых системных отказов, которые проявляются при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляются, если воздействие этих факторов разнесено во времени. Для предупреждения таких отказов следует применять средства математического моделирования физических процессов (электрического,
теплового, аэродинамического и механического) в БЭУ, что позволит заменить дорогостоящие длительные испытания более быстрыми и дешевыми вычислительными экспериментами. Причем моделирование должно быть комплексным, т.е. учитывать взаимное влияние физических процессов друг на друга. Соответственно для его проведения должны использоваться комплексные модели, отражающие протекание физических процессов с учётом существующих взаимосвязей между этими процессами.
Как показал проведенный в диссертационной работе обзор большинство существующих в настоящее время программных средств анализа тепловых и механических процессов, таких как: ANSYS, NASTRAN, WinTherm,
Cosmos/Works, SINDA и др., ориентированы на проведение моделирования машиностроительных конструкций, а не электронных устройств, что определяет ряд трудностей ввода и анализа БЭУ и затрудняет их широкое применение для решения задач комплексного математического моделирования объектов.
С другой стороны системы, ориентированные на анализ электронных устройств, такие как ТРиАНА и BetaSoft не позволяют полностью учесть взаимосвязи разнородных физических процессов. Поэтому для проведения комплексного моделирования всех протекающих в БЭУ физических процессов,
необходимо использовать несколько различных систем, причем часто эти системы не совместимы на уровне входной и выходной информации, что создает дополнительные трудности.
Следует отметить, что существующие универсальные программные средства моделирования физических процессов трудны в освоении и не содержат материалов, которые помогли бы пользователю при комплексном моделировании таких сложных объектов, как БЭУ. Поэтому, когда перед разработчиком встают вопросы идеализации протекающих в БЭУ физических процессов, ему приходится действовать методом проб и ошибок.
Вопросам моделирования тепловых процессов посвящен ряд работ таких авторов, как: Алексеев В.А., Дульнев Г.Н., Кирпичев В.М., Кутателадзе С.С.,
Леонтьев А.И., Лыков А.В., Михеев М.А., Петухов Б.С., и др. Теория моделирования потов жидкости и газа рассмотрена в трудах Идельчика И.Е.,
Исаченко Е.Н., Кутателадзе С.С.,

4
Моделирование тепловых процессов в электронной аппаратуре с учетом аэродинамических факторов описано в работах Дульнева Г.Н. и Резникова Г.В.
Моделированию механических процессов посвящены труды Маквецова Е.Н.,
Писаренко Г.С., Тартаковского А.М., Тимошенко СП. В данных работах освещены общие вопросы взаимосвязи тепловых и аэродинамических, а так же тепловых и механических процессов.
В МИЭМ вопросами моделирования физических процессов и автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств занимались: Батуев В.П., Борисов Н.И., Галиулин В.М., Грачев Н.Н., Гридин
В.Н., Кожевников A.M., Кофанов Ю.Н., Крищук В.Н., Лисицын А.В.,
Сарафанов А.В., Солодовников И.В., Шалумов А.С. и др.
Эти и другие авторы внесли большой вклад в теорию и практику применения математического моделирования в процессе автоматизированного проектирования электронной аппаратуры. Однако, в работах данных авторов недостаточно внимания уделено решению вопросов комплексного моделирования БЭУ на ранних стадиях проектирования, в частности вопросам увеличения гибкости моделей при их перенастройке под заданный объект и обучения моделированию.
Поэтому можно говорить о том, что для создания БЭУ с высокими показателями технического уровня актуальной задачей является разработка математического, методического, программного и информационного обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов,
протекающих в БЭУ при их автоматизированном проектировании.
Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в снижении погрешностей моделирования бортовых электронных устройств при их автоматизированном проектировании за счет учёта в математических моделях комплексного характера протекания физических процессов.
Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач:
• выполнение анализа существующих программных средств комплексного математического моделирования физических процессов и исследование возможности их применения для решения задач автоматизированного проектирования БЭУ;
• разработку метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ;
• разработку в рамках комплексной модели подхмоделей физических процессов в БЭУ предназначенных для выполнения комплексного анализа;
• разработку архитектуры подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ;
• выполнение программной реализации разработанного метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ в соответствии с предложенной архитектурой подсистемы;

5
• разработку методического обеспечения подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях БЭУ;
• проведение экспериментальной проверки разработанных метода,
модели, методического и программного обеспечения подсистемы, путем внедрения в практику проектирования БЭУ и учебный процесс вузов.
Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы использовались принципы системного подхода, теория математического моделирования физических процессов, дидактические основы обучения, теория вероятности и математической статистики, принципы объектно- ориентированного программирования.
Новые научные результаты. При решении поставленных в работе задач получены следующие новые научные результаты.
1. Разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ, отличающийся возможностью проведения анализа БЭУ на основе комплексных параметризованных моделей тепловых, аэродинамических и механических процессов в конструкции БЭУ.
2. В рамках комплексной модели разработана макромодель амортизированного блока, позволяющая моделировать многоуровневые системы виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий, подключать к макромодели фрагменты, описывающие печатные узлы и другие конструктивные элементы, использовать макромодель в составе комплексных моделей БЭУ.
3. На основе разработанных метода и программных средств предложены методики:
• составления и отработки типовых комплексных моделей физических процессов в БЭУ;
• верификации комплексных моделей тепловых и аэродинамических процессов в БЭУ без проведения эксперимента;
• комплексного моделирования и обеспечения тепловых и механических характеристик БЭУ.
Методики основаны на проведении комплексного моделирования разнородных физических процессов с помощью параметризованных моделей и поддержке этого процесса с помощью разработанных библиотек комплексных моделей, конструкторских решений, экспертных рекомендаций и эвристических приемов, а так же обучающих материалов.
Практическая полезность работы состоит в том, разработанные в ней метод, макромодель, программные средства и методики позволяют:
1. Сокращать сроки проектирования за счет более раннего исключения из дальнейшего рассмотрения вариантов конструкций, не удовлетворяющих требованиям технического задания.
2. Улучшать технический уровень БЭУ за счет раннего выявления предпосылок к появлению системных отказов и принятия адекватных мер по их устранению.

6 3. Проводить подготовку и переподготовку специалистов в области автоматизированного проектирования БЭУ на основе комплексного математического моделирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные метод,
макромодель, методическое обеспечение и программные средства использовались в научно-исследовательской работе, проводившейся кафедрой
«Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ
по заказу министерства образования Российской Федерации с 2000 по 2002 год
«Создание межотраслевой системы компьютерной поддержки профессионального творчества в технических областях».
Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики,
Ковровской государственной технологической академии, Красноярского государственного технического университета, а так же использовались при проектировании БЭУ на предприятиях: государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи дочернее предприятие федерального государственного предприятия «НПП
«Волна» (г. Москва); Государственный научно-исследовательский институт приборостроения (г. Москва); ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» (г. Москва); ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (г. Москва).
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1997-2000 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества,
математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2001, 2002 г.г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов
«Системные проблемы качества, математического моделирования,
информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.), 53-й и 57-й научных сессиях, посвященных дню радио (г. Москва, 1998г., 2002 г.), III
Международной выставке-конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании» (г. Москва, 2001 г.), научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1998 г.), научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г.
Москва, 1998 г., 1999 г., 2001-2003 г.), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.)
Публикации по работе. По теме диссертационной работы опубликовано
12 научных трудов, в том числе 2 статьи.

7
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы с выводами, заключение, список литературы и приложения,
включающие в себя акты внедрения и примеры моделирования БЭУ.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования,
сформулированы научная новизна и практическая полезность полученных результатов, приведены логическая связь и краткое содержание глав диссертации.
В первой главе проведен обзор программных средств математического моделирования, применяемых в процессе автоматизированного проектирования
БЭУ. Показано, что потребность создания математического, программного,
информационного и методического обеспечения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ
вызвана снижением эффективности применения существующих методов, из-за высокой сложности объекта разработки и высокой вероятности появления системных отказов. Для устранения этих недостатков предлагается использовать комплексное математическое моделирование конструкций БЭУ с применением параметризованных моделей. Так же отмечена необходимость подготовки инженерных работников, владеющих знаниями и навыками проведения комплексного математического моделирования разнородных физических процессов в БЭУ.
Показано, что использование комплексного математического моделирования БЭУ, как средства обоснования выбора того или иного проектного решения на различных стадиях разработки, позволяет повышать технический уровень изделий и выявлять скрытые системные отказы.
На основе проведенных исследований составлены требования к подсистеме комплексного математического моделирования физических процессов, протекающих в БЭУ, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработан метод комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ.
Метод основан на комплексной параметризованной модели разнородных физических процессов в БЭУ, модели поддержки создания комплексных моделей и их взаимодействии с электронным макетом конструкции БЭУ. При этом параметризацией комплексной модели физических процессов называется выделение при её структурном построении таких сквозных параметров и арифметических выражений, с помощью которых можно отождествлять параметры подмоделей единой комплексной модели между собой. Структура метода приведена на рис. 1.