Разработка системы автоматизированного проектирования радиаторов охлаждения электронных компонентов на основе API-технологий

Ключевые слова: радиатор, автоматизированное проектирование, система автоматизации, РЭА, параметризация, геометрическое моделирование, API.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), перед инженером конструктором, встаёт задача анализа и расчета тепловых режимов устройств. Одной из них является задача разработки конструктивных параметров радиатора электронных компонентов.

Традиционный подход заключается в проведении теплового расчёта по одной из известных методик, описанных в большом числе источников, например, в работах Л. Л. Роткопа, Ю. Е. Скрипникова, П. В. Пошехонова, А. А. Чернышева, Г. Н. Дульнева и др. Затем, по рассчитанным геометрическим параметрам строится 3D-модель в САПР. На сегодняшний день процесс проектирования автоматизирован лишь частично. В основном, автоматизация коснулась расчёта параметров радиаторов, при этом широко используются компьютерные средства инженерного анализа [1-6]. Построение твердотельной геометрической модели происходит в частично автоматизированном режиме.

Актуальной является задача сокращения затрат на проектирование радиаторов за счет автоматизации процесса расчёта и построения 3D-модели.

Решить поставленную задачу можно используя методологию и инструменты параметрического геометрического моделирования.

Основная новизна описываемой разработки заключается в том, что процедуры расчёта и формирования 3D-модели интегрированы в рамках одной автоматизированной системы, что позволит снизить затраты на проектирование. автоматизация радиатор охлаждение

На сегодняшний день, возможны различные пути построения системы автоматизированного проектирования: создание системы параметрического проектирования «с нуля», табличная параметризация, макросы, комбинирование модулей в уже существующих программах САПР, и т.д. Многие производители САПР [7] предлагают готовые решения для построения пользовательских приложений и расширения возможностей уже существующего программного обеспечения.

В данной работе для разработки системы автоматизации проектирования радиаторов охлаждения электронных компонентов использовались средства программного комплекса SolidWorks. Основными критериями для выбора платформы SolidWorks, послужили: распространённость базового пакета в России и наличие в пакете необходимого для решения поставленной задачи функционала.

В системе Solidworks доступны различные виды параметризации моделей, включая табличный способ на базе электронных таблиц Excel, а также, на сегодня, наиболее распространённая, комбинированная параметризация с использованием API-технологий (запись и редактирование макросов VBA, программирование на языках Visual Basic, Visual C++ и др.).

Первоначальный вариант системы представлял собой параметризованную геометрическую 3D-модель ребристого радиатора, построенную с использованием комбинации иерархического, вариационного и табличного методов параметризации. Такой способ параметризации проще API-технологий и не требует специальных навыков программирования.

В основу расчётной части модели был положен алгоритм, построенный на базе методики, приведенной в [8]. Были определены входные и выходные переменные. Входные переменные: мощность рассеиваемая радиатором, температура среды, коэффициент теплопередачи радиатора. Выходные переменные: размеры основания, количество рёбер, межрёберное расстояние, площадь поверхности и основания радиатора, допустимый среднеповерхностный перегрев.

Алгоритм был реализован в электронной таблице с помощью инструментов построения формул Excel. Входные переменные алгоритма задаются конструктором в независимых ячейках таблицы. Выходные, частично рассчитываются, а частично определяются эмпирически на основе рекомендаций и находятся в ячейках, из которых происходит считывание данных для построения 3D-модели радиатора.

Блок-схема и пояснения алгоритма расчета для ребристого радиатора приведены в [9]. Вопросы построения параметрической 3D-модели радиатора обсуждаются в [9, 10].

После отработки алгоритма и процедур формирования параметрической модели радиатора, разработанная система автоматизации была реализована в форме программного модуля (динамической библиотеки) пакета SolidWorks. Программная реализация системы выполнена на языке C# с использованием макросов и API-технологий SolidWorks, что позволило построить диалоговый интерфейс системы. Функциональные возможности системы были расширены за счёт введения выбора различных типов радиаторов и методик расчёта.

На рис. 1 приведена структурная схема разработанной системы автоматизации проектирования радиаторов.

Рис. 1. _ Структурная схема разработанной системы автоматизации

Основные компоненты системы (рис. 1): «ПО» - программное обеспечение, состоящее из общесистемного (Windows, драйвера) и прикладного программного обеспечения (разработанный программный модуль «Радиатор-2000» и программа SolidWorks); «ТО» - техническое обеспечение - средства ввода и вывода информации, визуализации, персональный компьютер; «Математическое ядро» - часть системы реализующая расчет геометрических параметров радиатора; «Геометрическое ядро» - часть системы обеспечивающая построение и визуализацию 3D-модели.

Пользователь взаимодействует с интерфейсом, выбирает вид радиатора, метод расчёта, вводит данные, в математическом ядре происходит расчёт конструктивных параметров радиатора. Затем данные поступают в геометрическое ядро, где происходит построение и визуализация параметрической 3D-модели.

Работа с программой происходит как с обычным приложением Windows. Запускается exe-файл программного модуля и открывается стартовое окно программы «Радиатор-2000» (рис. 2).

Рис. 2. _ Окно программы «Радиатор-2000»

Далее пользовать выбирает тип радиатора и методику расчета (рис. 3).

Рис. 3. _ Выбор методики расчета радиатора

Затем вводятся входные параметры и запускается расчёт. Перед проведением расчёта программа ищет пустые или неправильно заполненные поля. Если таковые есть, то выводится сообщение об ошибке (рис. 4).

Рис. 4. _ Вывод сообщения об ошибке при неправильно заполненных полях

В системе предусмотрена проверка корректности вводимых данных. Например, если температура радиатора меньше температуры среды, то выводится сообщение об ошибке «ERROR».

Реализована возможность вызова справочной информации о коэффициентах и приближениях, принятых в выбранном методе расчёта.

Результатом работы системы является 3D-модель, сформированная в программе SolidWorks (рис. 5).

Рис. 5. _ Твердотельная геометрическая модель ребристого радиатора с рассчитанными параметрами

Для оценки работоспособности выбранных алгоритмов расчёта, было проведено тепловое моделирование в модуле SolidWorks Flow Simulation. Основные параметры и предпосылки для теплового моделирования приведены в [10].

Модель для теплового моделирования помимо радиатора включала модели подстилающей поверхности и полупроводникового элемента. На рис. 6. приведены диаграммы распределения температур, полученные в результате теплового моделирования игольчатого радиатора.

Анализ результатов моделирования подтвердил корректность выбранных методик расчёта.

Рис. 6. _ Тепловое моделирование игольчатого радиатора

Заключение

Описанная система автоматизации проектирования радиаторов охлаждения электронных компонентов на основе API-технологий позволяет автоматизировать не только расчёт геометрических параметров, но и построение 3D-модели.

В дальнейшем планируется увеличение числа типов и методов расчётов радиаторов, разработка и внедрение процедур обратной связи с помощью которых система позволит облегчить пользователю выбор направления оптимизации параметров проектируемого радиатора. Планируется увеличение интерактивности системы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в Сибирском федеральном университете (Договор № 02.G25.31.0041).