Обзор АСОНИКА-ТМ

АСОНИКА-ТМ - автоматизированная программа (подсистема) комплексного анализа конструкций печатных узлов радиоэлектронных средств на тепловые и механические воздействия.

Подсистема позволяет проводить расчет:: 1. стационарного и нестационарного тепловых режимов как при нормальном, так и при пониженном давлении;; 2. на следующие виды механических воздействий:; a) гармоническая вибрация;; b) случайная вибрация;; c) удар одиночный и многократный;; d) линейное ускорение;; e) акустический шум.

Автоматизированная система АСОНИКА является одной из главных программ для моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах с учетом внешних воздействий, а также решает важные проблемы при разработке современной электроники. В проекте используется подсистема АСОНИКА-Т, предназначенная для автоматизации моделирования тепловых процессов различных модулей, что как раз необходимо для реализации нашей работы. Более того, АСОНИКА часто используется студентами и преподавателями технических специальностей в ходе выполнения практических работ, что повышает актуальность использования данной программы в нашем проекте.

Преимущества системы АСОНИКА:

В системе АСОНИКА созданы простые и интуитивно понятные интеллектуальные графические интерфейсы, состыкованные с базой данных материалов и электронных компонентов, содержащей геометрические, физико-механические, теплофизические и другие параметры, а также допустимые значения характеристик, необходимые для принятия решения. При этом печатные узлы автоматически конвертируются из известных САПР: Mentor Graphics, Altium Designere, OrCAD и других - в формате IDF. Исключаются ошибки человеческого фактора при задании исходных данных. В отличие от систем ANSYS, NASTRAN, COSMOS, COMSOL и др., которые ничего этого не имеют, система АСОНИКА специализиована в области электроники и является инструментом разработчика электроники.
Учтены особенности свойств материалов, применяемых в электронике, например, их нелинейные свойства, не свойственные другим изделиям, например, машиностроительным, для моделирования которых используются широко известные системы ANSYS, NASTRAN, COSMOS, COMSOL и др., не учитывающие специфику электроники. Данная специфика выражается, например, в нелинейности демпфирующих свойств современных материалов. В системе АСОНИКА заложена зависимость демпфирования от механических напряжений, чего нет в известных системах. В связи с этим в известных системах невозможно точно определить ускорения электронных компонентов, особенно на резонансах. А для электронных компонентов это особенно важно, так как для них задаются допустимые ускорения при всех механических воздействиях, кторые ни в коем случае нельзя превышать.
В системе АСОНИКА созданы простые и интуитивно понятные постпроцессоры, позволяющие в отличие от системы ANSYS и др. сразу определять все необходимые выходные тепловые, механические и другие характеристики, необходимые для принятия решения разработчиком электроники при проектировании.
В системе АСОНИКА в отличие от системы ANSYS и др. есть возможность идентификации физико-механических, теплофизических и других параметров, что крайне необходимо для обеспечения точности моделирования, так как многие параметры отсутствуют в справочниках.

АСОНИКА-ТМ включает в себя Базу данных со справочными геометрическими, теплофизическими и физико-механическими и усталостными параметрами ЭРИ и конструкционных материалов. Подсистема позволяет анализировать как конечно-разностные, так и конечно-элементные модели печатных узлов и печатных плат. Платы могут быть прямоугольными, круглые, сложной формы, с вырезами. В программе много гибких настроек, связанных с расчетом, препроцессором и построцессором. Существуют возможности формирования отчетов по результатам моделирования.

Результаты анализа конструкций печатных узлов могут быть представлены в виде:: • зависимостей температур от времени в контрольных точках конструкции, а также на отдельных ЭРИ при нестационарном тепловом режиме;; • карт тепловых режимов ЭРИ с указанием коэффициентов нагрузки и перегрузок по температурам ЭРИ, если таковые имеются, на основе которых может быть принято проектное решение.

После расчета можно сформировать отчет, в котором могут быть представлены карты режимов работы ЭРИ (для механических и тепловых расчетов), поля температур и ускорений, напряжений, перемещений участков печатных узлов и ЭРИ, различные графические зависимости для механических и тепловых процессов, протекающих в ПУ и др.

Проектное решение принимается на основе сравнения расчетных характеристик с допустимыми по техническим условиям:: • максимальные допустимые напряжения на изгиб материалов конструкции;; • максимально допустимые ускорения ЭРИ при гармонической вибрации, одиночном и многократном ударе, линейном ускорении;; • максимально допустимые температуры ЭРИ.

В случае превышения расчетных напряжений элементов конструкции или расчетных ускорений и температур на ЭРИ над допустимыми возможна корректировка конструкции.

Примеры расчета тепловых процессов печатного узла:

Методы расчета, применяемые в Асоника

В основе построения модели тепловых процессов лежит уравнение теплопроводности Фурье – Кирхгофа для решения стационарной задачи:

$\lambda\nabla^2T+q_V=0$

или

${\lambda({\partial^2 T \over \partial x^2}+{\partial^2 T \over \partial y^2}+{\partial^2 T \over \partial z^2})}+q_V=0$

где T – температура; λ – коэффициент теплопроводности материала изотропного твёрдого тела; $\nabla={\partial^2\over\partial x^2}+{\partial^2\over\partial y^2}+{\partial^2\over\partial z^2}$ - оператор Лапласа; q_v – удельная мощность внутренних источников энергии (за счёт тепловыделений электронных компонентов, расположенных на ПУ).

Для нестационарного режима:

${\lambda({\partial^2 T \over \partial x^2}+{\partial^2 T \over \partial y^2}+{\partial^2 T \over \partial z^2})}+q_V-C_p\rho{\partial T \over \partial \tau}=0$

где C_p – удельная теплоемкость материала, ρ – плотность материала, τ – время.

Уравнение теплопроводности, записанное в конечных разностях:

${\lambda({\Delta^2 T \over \Delta x^2}+{\Delta^2 T \over \Delta y^2}+{\Delta^2 T \over \Delta z^2})}+q_V=0$

Задание тепловых граничных условий:

При построении модели тепловых процессов (МТП) печатной платы важно иметь в виду, что при расчёте тепловых проводимостей кондуктивных ветвей, моделирующих распространение тепла по плате, может понадобится учесть влияние печатных проводников на температурное поле платы.

Это связано с тем, что печатные проводники имеют гораздо больший коэффициент теплопроводности, чем материал печатной платы (стеклотекстолит). При значительной площади проводников данное обстоятельство может сильно повлиять на картину температурного поля платы. Для учёта данного обстоятельства введён коэффициент заполнения печатной платы проводниками:

$K_\text{з}={S_\text{пр}\over S_\text{пп}}$

S_ПР - общая площадь печатных проводников; S_ПП – площадь печатной платы.

Печатные проводники увеличивают эффективный коэффициент теплопроводности печатной платы, который в случае равномерного распределения печатных проводников по плате может быть определен по формуле:

$\lambda_\text{э}=\lambda_\text{пп}*{\delta_\text{пп}*\lambda_\text{пп}+K_\text{з}*\delta_\text{пр}*\lambda_\text{пр}\over \delta_\text{пп}*\lambda_\text{пп} }$

λ_ПР, δ_ПР – коэффициент теплопроводности и толщина печатных проводников; λ_ПП, δ_ПП – коэффициент теплопроводности и толщина печатной платы.

Предыдущий раздел Следующий раздел