• Истории успеха

Расчет температуры электронных компонентов на основе 3D-модели

Применение Autodesk Simulation CFD при моделировании сложной радиоэлектронной аппаратуры

О проекте

Концерн «Созвездие» разрабатывает сложные масштабные радиоэлектронные комплексы, в том числе оборонного назначения. К этой продукции предъявляются повышенные требования в области надежности, продолжительности безостановочной работы, автономности. Тепловые режимы играют ключевую роль в обеспечении надежности и долговечности функционирования радиоэлектронной аппаратуры, выпускаемой концерном. В составе такой аппаратуры применяются электронные компоненты, имеющие ограничения по максимально допустимой температуре. Нарушение теплового режима приводит к изменению характеристик этих элементов и дальнейшему их отказу, в результате чего все устройство лишается отдельных функций, а то и полностью выходит из строя. Помимо обеспечения надежного функционирования аппаратуры необходимо также создать комфортные условия работы ее оператора, чье рабочее место часто представляет собой тесное помещение в непосредственной близости от нагревающихся блоков.

Тепловые расчеты в Autodesk Simulation CFD

Задача

Температурный режим складывается из температуры окружающей среды и собственного нагрева отдельных элементов и устройств в целом. Для удаления излишков тепла используется как пассивное (радиаторное) охлаждение, так и активное — воздушное и жидкостное. Расчет температурных режимов при использовании активного охлаждения требует анализа потоков. С помощью инженерного ПО Pro/ENGINEER, которым пользовался концерн «Созвездие», проводить такой анализ было невозможно — его штатные средства позволяют моделировать только естественную конвекцию. «Для анализа тепломассообмена применялись и применяются натурные испытания, — говорит Сергей Сизов, руководитель научно-технического управления концерна «Созвездие». — К сожалению, возможностей для цифрового моделирования этих процессов у нас не было. Теоретические расчеты выполнялись конструкторами в полуавтоматическом режиме, вручную — по методикам и справочникам. Конечно, опытные конструкторы добивались хороших результатов расчетов, особенно с учетом запаса прочности, который мы закладываем в наши изделия, но это влияло на сроки выпуска, точность и возможности выбора оптимального варианта за счет проработки нескольких вариантов решения».

Руководство концерна приняло решение о приобретении ПО, которое должно было обеспечить:

• возможность точно рассчитывать температурный режим в условиях принудительной конвекции для сложных устройств, состоящих из множества электронных компонентов;
• совместимость с имеющимся ПО без использования конвертации файлов проектов.

Решение

«Наши специалисты постоянно следят за рынком программных продуктов, которые можно использовать в нашей области, — рассказывает Сергей Сизов. — Мы анализируем информацию из Интернета, посещаем конференции, выставки. У нас накоплен большой опыт моделирования изделий и применения различных средств инженерного анализа, мы четко понимали, что именно нам нужно». 

Ключевым фактором в принятии решения о приобретении Autodesk Simulation CFD (тогда еще CFDesign) стал совместный семинар компаний «НИП-Информатика» и Blue Ridge Numerics в 2008 году в Санкт-Петербурге, на котором было продемонстрировано применение CFDesign для моделирования процессов гидрогазодинамики в интегрированном интерфейсе с системой Pro/ENGINEER. «Увиденное определило наш выбор, т.к. для нас была важна интеграция расчетного пакета с пакетом моделирования, который у нас использовался, — говорит Сергей Сизов. — Продукты, требующие преобразования и конвертации файлов, не рассматривались, поскольку эти действия усложняют процесс внесения изменений в проект». 

Тепловые расчеты в Autodesk Simulation CFD

Первой российской организацией, которая смогла провести обучение и оказывать техническую поддержку по CFDesign, стала компания «НИП-Информатика» (Санкт-Петербург), с которой концерн наладил сотрудничество. «В 2011 году Autodesk приобрела Blue Ridge Numerics, и мы приобрели данное решение уже под новым названием — Autodesk Simulation CFD, — говорит Сергей Сизов. — Осенью 2011 года двое наших специалистов прошли специализированное двухнедельное обучение в Санкт-Петербурге». Решение приобреталось для работы небольшой команды сотрудников. «На тот момент мы не рассматривали Simulation CFD как продукт для массового использования, — продолжает Сергей Сизов. — Скорость выполнения работ по анализу зависит от специализации инженера, поэтому расчеты у нас выполняют отдельные специалисты, которые подключаются к проекту на соответствующем этапе. Стоит отметить, что задачи, для которых приобретался Simulation CFD, возникают не во всех проектах изделий, так как, во-первых, не везде используется принудительная конвекция, а во-вторых, мы много работаем с устройствами, разработанными еще до покупки Simulation CFD, в частности, мы модернизируем их. Иногда специалисты подключаются к работе только над отдельным блоком или ячейкой, по которым возникает тепловая задача». 

Результат

«Наши конструкторы подтверждают, что точность расчетов, которую дает Autodesk Simulation CFD, очень близка к результатам натурных испытаний, — говорит Сергей Сизов. — Мы в этом убедились, проведя расчеты конструкции, которая уже прошла испытания и чьи тепловые параметры нам были известны. Расхождения между расчетными и опытными данными оказались в пределах погрешности». 

Специалисты, впрочем, пока затрудняются дать точную оценку сокращения времени разработки, которое было достигнуто благодаря внедрению Autodesk Simulation CFD. «Необходимость приобретения данного решения для расчетного анализа тепломассообмена была для нас очевидна, поскольку у нас вообще не было средств для решения этой задачи без натурных испытаний, — говорит Сергей Сизов. — Теперь мы имеем возможность делать то, что не делали раньше, — в частности, разрабатывать множество вариантов решений в рамках одного проекта и выбирать из них оптимальное. Что касается экономического эффекта от внедрения Autodesk Simulation CFD, то однозначно он есть, так как натурные испытания — дорогостоящая процедура, а изделие, не проанализированное с помощью программных средств, может их вообще не пройти, в результате чего материальные средства могут быть потрачены впустую. В сложных изделиях содержатся тысячи электронных компонентов стоимостью от десятков и сотен рублей до десятков и сотен тысяч, и замена вышедших из строя компонентов весьма затратна». «Что касается временных затрат, — продолжает специалист, — то в случае анализа простой конструкции, например радиатора из алюминиевого сплава с размещенными на нем несколькими теплонагруженными элементами, опытный конструктор проведет расчет теплообмена вручную примерно за то же время, что и Simulation CFD. Однако если речь идет о сложном радиоэлектронном устройстве, в котором установлены сотни и тысячи отдельных компонентов, то его ручной расчет либо невозможен, либо нецелесообразен, поскольку быстрее изготовить опытный образец и испытать на стенде. Раньше у нас не было возможности проводить такой анализ на основе 3D-модели». 

Среди положительных результатов внедрения Simulation CFD Сергей Сизов отмечает следующие:

• уменьшение затрат на комплектующие, применяемые при натурных испытаниях;
• уменьшение расходов на производство изделий для натурных испытаний;
• уменьшение издержек на переработку документации и доработку или повторное изготовление изделия при непрохождении испытаний;
• экономию на стадии разработки конструкторской документации, которая меньше подвержена изменениям.

Область применения Autodesk Simulation CFD в концерне «Созвездие» постоянно расширяется. Прогресс в области электронных компонентов заключается в росте их производительности с одновременным уменьшением размеров, что ведет к увеличению их нагрева и необходимости использования активного охлаждения, для расчета которого и требуется специальное программное обеспечение. Кроме того, на смену изделиям, разработанным до внедрения Simulation CFD, постепенно разрабатываются новые, которые теперь можно промоделировать до изготовления опытного образца.