Разработка методов и средств интеграции CALS-технологий и комплексного математического моделирования для решения задач проектирования радиоэлектронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработка методов и средств интеграции CALS-технологий и комплексного математического моделирования для решения задач проектирования радиоэлектронных устройств

Бекишев А.Т.

В работе описаны методы и средства интеграции CALS-технологий и комплексного математического моделирования электрических, тепловых, аэродинамических, механических процессов позволяющие повышать эффективность решения задач проектирования радиоэлектронных устройств. Интеграция впервые позволит проводить анализ схемно-конструктивных решений на предмет обнаружения многофакторных отказов, представляющих наибольшую сложность для выявления при проектировании. Так же предложены варианты практической реализации комплексного моделирования, управления процессом проектирования и взаимодействия участников разработки радиоэлектронных устройств преимущественно посредством электронного обмена данными.

Одним из наиболее сложных и наукоемких этапов жизненного цикла радиоэлектронных устройств (РЭУ) является этап проектирования. Именно при проектирования определяется такой важный показатель, как надёжность работы РЭУ. Известно, что в сложных РЭУ, эксплуатируемых в условиях воздействия нескольких внешних факторов, существует повышенная вероятность возникновения так называемых многофакторных отказов. Многофакторные отказы проявляются при одновременном воздействии на устройство нескольких взаимосвязанных факторов и не проявляются, если воздействие этих факторов разделено во времени. Многофакторный отказ является следствием увеличения нагрузок на электрорадиоизделия (ЭРИ) и конструктивные элементы (КЭ) РЭУ, вызванным не нарушением технологии эксплуатации, а неудачным совпадением нескольких видов внешних воздействий и электрического режима работы. Данный эффект невозможно учесть ни методами анализа надёжности, ни раздельным математическим моделированием физических процессов, ни типовыми испытаниями на воздействие внешних факторов. Другими причинами несоответствия реальных показателей надёжности заявленным являются: низкая адекватность методов и моделей анализа показателей надёжности [1,2], плохая отработанность технологии производства новых изделий, их эксплуатации, ремонта, нехватка квалифицированных специалистов для обслуживания и т.д.

Для решения описанных задач разработан метод и методика комплексного математического моделирования интегрированные со средствами CALS, которые позволят наиболее адекватно воспроизводить всю совокупность протекающих в РЭУ физических процессов и связанных с ними режимов работы устройства.

В данной работе процесс проектирования РЭУ описан в виде информационно-логической модели, состоящей из серии диаграмм. Диаграмма представляет собой совокупность блоков (прямоугольных и восьмиугольных) и стрелок, при этом блоки представляют собой работы, а стрелки - информационные и логические связи. Отдельные блоки диаграммы, описывающие определённый этап технологии, могут быть детализированы с помощью диаграмм следующего, более низкого уровня. Пунктирными линиями обозначены обратные связи [3]. Стрелками, подходящим к прямоугольным блокам слева обозначается входная, сверху - ограничивающая, снизу - управляющая информация. Стрелка справа от блока описывает информацию, полученную в результате выполнения работы.

Восьмиугольниками обозначаются блоки, описывающие проверку требований и принятие решений. Слева в них поступает входная информация, необходимая для принятия решения. Выходная стрелка справа показывает направление передачи данных на следующую работу в случае положительного результата проверки требований, снизу - отрицательного, сверху - в случае возникновения неопределённости.

Рассмотрим функциональную модель проектирования надёжных радиоэлектронных устройств, представленную на рис. 1. Исходной информацией для проектирования является техническое задание, а результатом - комплект конструкторской документации на РЭУ. По мере выполнения работ, входящих в технологию формируется виртуальный макет РЭУ, который является совокупностью информации, представляющей собой структурированные сведения об изделии, собранные и систематизированные на стадиях проектирования. В него входят: чертежи РЭУ, конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация, математические модели устройств, результаты их расчёта и т.д., представленные в электронном виде [4].

В качестве ограничивающей информации выступают стандарты, использующиеся при проектировании, а так же ограничения математических моделей, методов, моделирующих программ, испытательных средств и т.д.

Управляющей информацией служит методическое обеспечение проектирования РЭУ, такое как, методы управления проектами и документооборотом, комплексного моделирования физических процессов и т.д. радиоэлектронный устройство моделирование

В рамках интегрированной информационной среды предприятия, выполняющего проектирование, CALS-технологии позволяют оптимизировать, сбор, хранение данных о схеме и конструкции изделия, технологии его изготовления, эксплуатации, ресурсах, и предоставление информации автоматизированным системам задействованным в процессе разработки.

В первом приближении проектирование РЭУ, может быть представлено как совокупность пяти блоков, четыре из которых являются работами и один - блоком принятия решения (рис. 1).

Когда в процессе разработки РЭУ решается задача выбора элементной базы, при её решении выполняют исследования показателей надёжности. В результате вырабатывают рекомендации по режимам работы электрорадиоизделий (ЭРИ). Данная информация, совместно с техническим заданием, является исходной для разработки схемы и конструкции РЭУ.

Оценка технических решений проводится по значениям показателей надёжности, технологичности, стандартизации и т.д. При выполнении данной работы необходимо учитывать погрешности комплексного моделирования, поэтому они являются возможной причиной возникновения неопределённости при принятии решения о соответствии схемно-конструктивной реализации требованиям к РЭУ. Описанная ситуация имеет место если некоторые значения из области режимов работы ЭРИ и КЭ, полученной с учетом погрешностей расчёта, выходят за границы области в которой выполняются требования надёжности. В этом случае проводят дополнительные исследования, целью которых является уточнение комплексных моделей и оценка рисков принятия неверных решений в условиях неопределённости.

Рис. 1. Информационно-логическая модель проектирования радиоэлектронных устройств

С точки зрения CALS-идеологии все предлагаемые варианты схемно-конструктивных решений, в том числе отклонённые на данном этапе разработки, должны сохраняться в архиве для возможного последующего использования. В данный момент технически эту задачу решают с применением PDM или PML-систем. При этом следует учитывать, что структура изделия должна быть представлена в том числе с точки зрения комплексного математического моделирования и связана с конструкторским, технологическим и другими видами представления.

В случае если схемно-конструктивное решение РЭУ не удовлетворят предъявляемым к нему требованиям, то вырабатывают рекомендации по его изменению. Рекомендации могут выдаваться экспертами на основе анализа результатов комплексного моделирования, расчётов надёжности и других характеристик РЭУ.

Если все требования выполнены, то приступают к формированию конструкторской документации на РЭУ.

Рассмотрим подробнее работы выполняемые при проектировании РЭУ с использованием интегрированных средств CALS-технологий и комплексного математического моделирования.

Блок «Разработка структуры РЭУ с применением комплексного моделирования» детализируется до двух блоков (рис. 2).

Рис. 2. Детализация блока «Разработка структуры РЭУ с применением комплексного моделирования»

Исходными данными для разработки электрической схемы и конструкции служат техническое задание (с описными в нем входными электрическими сигналами и выходными характеристиками) и значения режимов работы ЭРИ, которые необходимо обеспечить для удовлетворения требований надёжности. В процессе выполнения данной работы проводят мероприятия по предложению, оценке, сравнению и выбору технических решений. Технические решения вырабатываются как на основе эвристических процедур, так и данных, получаемых путём комплексного математического моделирования. В качестве ограничений выступают допустимые варианты исполнения РЭУ, требования надёжности, а так же значения внешних воздействующих факторов.

Одним из основных требований к средствам CALS-технологий на данном уровне является возможность сравнения технических решений РЭУ с заданными требованиями и между собой. Для этого в структуре представления вариантов РЭУ выделяют значимые параметры, по которым и производится сравнение в соответствии с описанными правилами.

Процесс проектирования проходит в несколько этапов, на каждом из которых проект РЭУ приближается к своему окончательному виду. Причем, и при нисходящем и при восходящем проектировании на каждом последующем этапе происходит уточнение режимов работы РЭУ, которые не должны превышать значений, полученных путём расчёта надёжности. Таким образом, обеспечивается непрерывный контроль показателей надёжности и совершенствование схемно-конструктивных решении.

Детализация блока «Комплексное математическое моделирование физических процессов в РЭУ» дана на рис. 3.

Результатом его разукрупнения является совокупность шести блоков, пяти блоков работ и одного блока принятия решения. Техническое задание на моделирование, являющееся входной информацией для блоков «Моделирование электрических процессов в схеме РЭУ», «Моделирование тепловых процессов в конструкции РЭУ», «Моделирование аэродинамических процессов в конструкции РЭУ» и «Моделирование механических процессов в конструкции РЭУ» содержит описание технического решения, выработанного на этапе «Разработка электрической схемы и конструкции РЭУ», со всей информацией, необходимой для проведения комплексного моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов. Техническое задание на моделирование содержит так же требования для представления результатов моделирования и рекомендации по улучшению электрической схемы и конструкции.

Средства CALS обеспечивают связь между моделями физических процессов, с соответствующими им схемно-конструктивными решениями.

Обмен данными в процессе выполнения работ по комплексному моделированию будет подробно рассмотрен ниже, здесь же отметим, что вносимые в схему и конструкцию изменения учитывают в каждой работе для исключения возможных несовпадений параметров РЭУ. Это означает, что изменение параметров модели РЭУ, присутствующих более чем в одной модели физических процессов должно производиться во всех моделях одновременно. Данное условие накладывает ограничения на возможность изменения параметров РЭУ в рамках одного цикла моделирования. Следовательно, изменение таких параметров РЭУ возможно только централизованно, после анализа результатов моделирования физических процессов и разработки рекомендаций по улучшению схемы и конструкции.

Рис. 3. Детализация блока «Комплексное моделирование физических процессов в РЭУ»

Анализ результатов комплексного моделирования проводят на основе сравнения рассчитанных режимов работы ЭРИ с рекомендованными (полученным при расчёте показателей надёжности РЭУ). В случае их несоответствия возможно несколько путей продолжения разработки. В первом случае пытаются изменить схемно-конструктивное решение таким образом, чтобы без введения резервирования, только путём изменения параметров схемы и конструкции (например, увеличение размеров радиаторов, изменение жёсткости амортизаторов) обеспечить режимы работы ЭРИ. Во втором - проводят повторный расчёт надёжности с целью проверки возможности увеличения значений некоторых режимов ЭРИ за счёт снижения других (например, увеличение электрического режима работы транзистора за счёт снижения его теплового режима).

Если ни один из указанных подходов не даёт результата, пытаются обеспечить выполнение требований надёжности за счёт введения резервирования, что ведёт к усложнению схемно-конструктивного решения и изменению структуры РЭУ. Детализация блока работ «Исследовании надёжности РЭУ», реализующих два этих подхода приведена на рис. 4.

Рис. 4. Детализация блока «Исследование надёжности РЭУ»

Из приведённого описания информационно-логической модели видно, что важную роль в процессе проектирования надёжных радиоэлектронных устройств играет взаимодействие средств CALS-технологий и комплексного моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов. При правильной организации структуры представления данных моделирования (моделей и результатов расчёта), установлении связей с конструкторским видом представления РЭУ, многие ответственные работы соответствующих проектных этапов могут быть автоматизированы. В результате сокращается количество ошибок моделирования и повышается объективность выбора наиболее удачного варианта схемно-конструктивного решения.

В основе комплексного моделирования лежит обмен информацией между моделями отдельных процессов. Можно выделить несколько основных случаев, когда он необходим:

При переходе с одного этапа проектирования к другому.

При реализации иерархического подхода к моделированию отдельных физических процессов в схеме и конструкции РЭУ.

При реализации комплексного моделирования физических процессов, частным случаем которого является последовательное моделирование.

Рассмотрим указанные варианты обмена информацией и обусловленные им требования к средствам CALS-технологий подробнее.

При переходе с одного этапа проектирования к другому происходит уточнение требований к режимам работы отдельных элементов, составных частей и РЭУ в целом, а также увеличивается глубина проработки схемно-конструктивных решений. Это приводит к усложнению моделей, описывающих физические процессы в РЭУ, т.е. модели с предыдущих этапов проектирования уточняются и корректируются на последующих этапах. Следовательно, между этапами проектирования передаются модели физических процессов, а средства CALS должны поддерживать эту передачу на уровне структуры представления и соответствующих связей.

Иерархический подход подразумевает, что моделирование физических процессов РЭУ проводится в несколько этапов, причем электрическая схема и конструкция разбиваются на составные части, в соответствии с уровнем представления выходных характеристик. Модели различных уровней иерархии связаны между собой таким образом, что выходные характеристики моделей высокого уровня являются граничными условиями для моделей низкого уровня. Например, модель тепловых процессов в блоке соответствует более высокому уровню, чем модель тепловых процессов в печатном узле (ПУ). При этом ПУ в модели блока может быть представлен интегральной температурой, в то время как в модели ПУ низкого уровня будет получено его тепловое поле и температуры электрорадиоизделий. Граничными условиями для модели ПУ будут служить интегральные температуры соседних ПУ и других конструктивных элементов, являющиеся выходными характеристиками модели блока.

Таким образом, при иерархическом подходе к моделированию в процессе обмена данными необходимо из множества характеристик модели высокого уровня получать граничные условия для моделей следующего, более низкого иерархического уровня. В сложных случаях целесообразно организовывать обратные связи, назначение которых состоит в уточнении модели высокого уровня на основе данных, получаемых из моделей низкого уровня. Примером такого уточнения может служить идентификация параметров тепловой модели блока на основе интегральных температур рассчитанных для полной модели ПУ. Требованием к средствам CALS является представление в структуре данных граничных условий моделей и организация связей в соответствии с уровнями иерархии моделей.

Передача данных между моделями для реализации комплексного моделирования представляет собой наиболее сложную задачу. Обычно, при комплексном моделировании рассматриваются взаимные связи электрического и теплового, теплового и аэродинамического (гидравлического), теплового и механического процессов. Причем в общем случае подмодели отдельных физических процессов могут принадлежать к разным иерархическим уровням.

Рассмотрим основные варианты комплексного моделирования и соответствующий им обмен данными между моделями реализуемый в том числе средствами CALS-технологий.

1. Обмен данными происходит между моделями одного иерархического уровня, которые предназначены для расчёта интегральных характеристик конструктивных элементов.

2. Обмен данными происходит между моделями разных иерархических уровней, причем для электрической схемы, тепловой и механической моделей характеристики рассчитывают с точностью до ЭРИ, а для аэродинамической модели определяют скорости потоков теплоносителя в условно выделенных каналах (например, канал образованный ПУ и стенкой прибора).

3. Обмен данными происходит между моделями разных иерархических уровней, причем в процессе расчёта возможен возврат информации на предыдущие более высокие уровни разукрупнения (например, уточнение параметров макромодели тепловых процессов в блоке на основе рассчитанных интегральных температур полных моделей ПУ).

Электротепловые взаимосвязи в первом случае имеют следующий вид. Мощности тепловыделения, получаемые после расчёта электрической схемы, пересчитываются в суммарные мощности тепловыделения нагретых зон (например, нагретой зоной может быть ПУ, если в модели тепловых процессов он представляется одним узлом). Эти значения подставляются в элементы моделей тепловых процессов (МТП) - источники мощности. После расчёта МТП интегральные температуры печатных узлов должны быть поставлены в соответствие электрорадиоэлементам электрической схемы в соответствии с их расположением. Данные температуры передаются в качестве параметров элементов в расчёт электрических процессов в схеме РЭУ.

Теплоаэродинамические взаимосвязи для первого случая выглядят следующим образом. Полученные в результате расчёта интегральные температуры конструктивных элементов (температуры ПУ1, ПУ2 и корпуса блока) и локальные температуры воздуха (температуры воздуха на входе и выходе из блока) пересчитываются в средние температуры стенок каналов (средняя температура стенки канала ограниченного ПУ1, ПУ2 и корпусом блока) и средние температуры воздушных потоков (средняя температура потока между входом и выходом из блока). Вычисленные в результате расчёта модели аэродинамических процессов (МАП) скорости воздуха передаются в параметры элементов МТП, моделирующих процессы теплоотдачи вынужденной конвекцией и теплоперенос в воздушных каналах.

Тепломеханические взаимосвязи в первом случае заключаются в передаче интегральных температур крупных конструктивных элементов в модель механических процессов, где от них зависят параметры элементов, моделирующих податливости и демпфирование. Если конструктивный элемент (например, ПУ) моделировался несколькими узлами МТП (несколько нагретых зон), то при передаче необходимо вычислять температуры каждого фрагмента конструкции, отраженного в модели механических процессов (ММП).

Во втором случае реализация электротепловых взаимосвязей так же требует передачи мощностей тепловыделения элементов из расчёта электрической схемы в тепловую модель. При этом в отдельных случаях вычисляют суммарную мощность нескольких элементов электрической схемы, когда эти элементы конструктивно реализованы в одном корпусе, например, резисторной сборке или микросборке. Вторым вариантом является прямая передача выделяемой тепловой мощности элемента в тепловую модель ПУ, когда в одном корпусе реализован один элемент электрической схемы. Соответственно изменяются и теплоэлектрические связи. Температура одного корпуса ЭРИ является общим параметром для нескольких элементов электрической схемы, реализованных в нем. Либо эта температура уникальна, если элемент имеет собственный корпус.

Второй случай применительно к теплоаэродинамическим взаимосвязям подразумевает, что одно значение скорости воздуха, полученное из расчёта МАП, будет являться граничным условием ПУ образующего соответствующий канал. Обратная передача температур потока теплоносителя и ПУ в МАП не производится.

Тепломеханические взаимосвязи второго варианта комплексного моделирования могут быть реализованы несколькими способами:

по результатам теплового расчёта рассчитывается интегральная температура печатной платы, которая передаётся в ММП;

в ММП передаётся тепловое поле печатной платы. В случае, если размерность дискретов сеток МТП и ММП разная проводятся дополнительные вычисления для определения средней температуры каждого дискрета печатной платы ММП.

Третий вариант комплексного моделирования наиболее сложен. Он подразумевает, что для одного и того же процесса в одном расчётном цикле исследуются и уточняются параметры моделей нескольких иерархических уровней. Данный вариант трудно поддается автоматизации, поэтому в рамках данной статьи рассмотрим только один пример комплексного моделирования тепловых и аэродинамических процессов. Он будет представлять собой взаимосвязь двух МТП и одной МАП. Первая МТП будет иметь высокий уровень и соответствовать макромодели блока с одним ПУ. Вторая МТП низкого уровня представляет собой полную модель ПУ. МАП позволяет получить скорости воздуха в каналах блока образованных ПУ и его стенками.

В этом случае из МАП скорости потоков воздуха в каналах передаются в МТП макромодели блока. В результате расчёта макромодели получают интегральные температуры конструктивных элементов и воздушных потоков, которые передаются в МАП для уточнения аэродинамических характеристик. После того как расчёт МАП и МТП сходится полученные значения скоростей воздуха, его средних температур и температур конструктивных элементов передаются в полную МТП ПУ. Если расчёт полной МТП ПУ показывает, что интегральная температура ПУ не соответствует рассчитанной по макромодели блока, то производится уточнение параметров макромодели, таких как, суммарная площадь ЭРИ, коэффициенты черноты и т.д. Причем при уточнении проводится и расчёт МАП.

В настоящее время задачи интеграции комплексного моделирования и CALS-технологий в Московском государственном институте электроники и математики решаются в лаборатории надёжности и управления качеством. Комплексное моделирование проводится на базе системы АСОНИКА, имеющей в своем составе проблемно-ориентированные подсистемы анализа электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов, подсистему анализа механических процессов с учётом тепла и подсистему комплексного анализа электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов на уровне макромоделей АСОНИКА-П. Варианты комплексного моделирования РЭУ в рамках системы АСОНИКА представлены следующим образом.

Первый вариант комплексного моделирования электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов реализован в подсистеме АСОНИКА-П.

В третьем варианте участвуют все подсистемы, информации передаётся с применениеv средств CALS или вручную, а момент окончания расчёта определяется специалистом, проводящим моделирование.

Реализация второго варианта ведётся в настоящий момент. Он будет представлять собой объединение конверторами данных подсистем с механизмом автоматического определения момента окончания расчёта. Проводится так же дальнейшее совершенствование математического ядра подсистемы АСОНИКА-П, с целью учита в комплексных моделях новых физических эффектов.

Литература

Стрельников В. П., Федухин А. В. Оценка и прогнозирование надёжности электронных элементов и систем. - К.: Логос, 2002. - 486 с.

Ken Neubeck. MIL - HDBK-217 and the real // RAC Jornal, 1994. - 2, #2 р.15-18.

Павлухина Е. В. Планирование процесса надёжностно-ориентированного проектирования РЭС // Надёжность, 2004 г. - №3, с.13-15.

Воловиков В. В., Кофанов Ю. Н. и др. Обеспечение качества радиоэлектронной аппаратуры при концептуальном проектировании на основе CALS-технологии // Качество и ИПИ (CALS) - технологии: ежеквартальный науч.-техн. и производств. журн. - М.: Фонд «Европейский центр по качеству», 2005. - №4 (8), с.2-6.

Размещено на Allbest.ru