Положительно заряженный шарик массой 0,18 г и плотностью вещества 1800 кг/м3 находится в равновесии в жидком диэлектрике. В диэлектрике создано однородное, Физика

Выдержка из текста работы

Многие задачи, которые приходится решать инженеру-конструктору, очень сложны, поскольку рассчитываемые физические процессы всегда протекают в пространстве четырех измерений: трех координат и времени. Расчет сводится к решению системы дифференциальных уравнений в частных производных, называемых уравнениями математической физики. В эти уравнения входят четыре независимые переменные. [1]

Иногда удается упростить задачу настолько, что в уравнениях остается одна независимая переменная, т.е. задача приводится к одномерной. Полученные таким образом дифференциальные уравнения содержат одну независимую переменную и могут быть в принципе решены точными аналитическими методами. Приведение задачи к одномерному виду всегда связано с её идеализацией. В идеальной задаче приходится пренебрегать рядом второстепенных факторов, влияющих на ход физического процесса. Отсюда возникают погрешности, которые трудно проконтролировать. Чем сложнее конструкция и условия, в которых она работает, тем труднее разработать одномерную расчетную модель, оставляющую надежду на достаточную достоверность результатов расчетов.

В большинстве случаев принципиально невозможно привести задачу к одномерному виду и решить ее точными аналитическими методами.

Особенно тяжело приходится конструктору радиоэлектронной аппаратуры. В радиоконструкциях тесно сплелись теория упругости и электродинамика, теплопередача и аэродинамика. Если допустить в какой-то области ошибку, то аппаратура работать не будет. А тут еще нужно учитывать, сложные внешние воздействия на конструкцию, а также множество внешних деталей, бороться за малые габариты и вес. Преодолеть эти трудности помогают различные приближенные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Среди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется метод конечных разностей, или метод сеток. В его основе лежит метод построения моделей сложных физических процессов, происходящих в больших объёмах пространства, из простых элементарных процессов, происходящих в малом объёме обычно кубической формы.

Разностные методы приводят, как правило, к огромным объёмам вычислений. Без современных электронных вычислительных машин здесь не обойтись.

Электронные цифровые вычислительные машины (ПЭВМ) находят все большее применение в практике проектирования радиоаппаратуры. С помощью машин производят компоновку деталей, трассировку проводников, рассчитывают электрические процессы. Метод конечных разностей открывает широкие возможности применения ПЭВМ для расчетов тепловых процессов в различных конструкциях.

1.1 Основные виды физических полей в конструкциях РЭС

1.1.1 Тепловое поле в конструкциях РЭС

Одной из основных характеристик состояния вещества является его температура. От температуры зависят все свойства вещества — как механические, так и электрические. Особенно сильно влияет температура на электрические свойства полупроводников. Так, кристалл, который при низких температурах мог служить изолятором при высоких становится проводником. Поэтому одной из основных характеристик радиоэлементов или радиоэлектронного прибора является диапазон температур, в котором они надежно выполняют свои функции.

Вся или почти вся электрическая энергия, которую они потребляют, превращается в тепло. Тепло выделяется, как правило, именно в тех участках, где это грозит выходом прибора из строя. Например, оно выделяется на закрытых p-n переходах транзисторов и диодов[1]. Повышение температуры переходов увеличивает ток через них, а это, в свою очередь, вызывает увеличение рассеиваемой мощности. Получается лавинообразный процесс нарастания температуры. Если его вовремя не остановить, то произойдет тепловой пробой перехода. Остановить этот процесс можно с помощью теплоотводов (радиаторов).

Однако уменьшение размеров и веса блоков, применение интегральных микросхем, интенсивный режим эксплуатации радиоаппаратуры часто в условиях повышенной температуры окружающей среды — осложняют задачу обеспечения правильного теплового режима радиоэлементов.

Чтобы еще на стадии проектирования РЭА убедиться, что в создаваемой конструкции все сделано правильно и температура ее элементов не превысит допустимого значения, нужно рассчитать тепловой режим. Расчет тепловых процессов — одна из основных проблем, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. Надо сказать, что это довольно сложная задача, т.к. она связана с расчетом трехмерных нестационарных процессов в областях сложной конфигурации, скажем, внутри телевизора или радиоприемника.

1.1.2 Механическое поле в конструкциях РЭС

При проектировании конструкции перед инженером-проектировщиком стоит также задача нахождения распределения напряжений, или поля напряжений. Иногда, чтобы узнать, нарушаются ли заданные зазоры между деталями конструкции, инженеру требуется вычислить перемещение лишь в определенных точках системы. В отдельных же случаях, особенно если нагрузки и поведение конструкции зависят от времени, проектировщику необходимо подсчитать полное распределение перемещений, или поле перемещений. Для рассчитанного поля напряжений должны выполняться в каждой точке условия равновесия, а перемещения при этом должны быть непрерывны (т.е. должны выполняться условия совместимости).

Приступая к некоторой задаче проектирования к отысканию напряжений и перемещений, проектировщик должен сначала задать определяющие уравнения, которые в той или иной форме обеспечивают выполнение условий равновесия и совместимости. Возникающая в связи с этим основная трудность, не говоря уже об аспектах разрешимости выбранных уравнений, состоит в решении вопроса: могут ли данные уравнения адекватно отражать выставляемые при проектировании требования к конструкции. Причем сложность геометрии конструкции, а также характера нагрузок и свойств материала должна быть учтена в этих рассмотрениях.

1.1.3 Электромагнитное поле в конструкциях РЭС

В последнее время также большое внимание исследованию и расчетам сложных электромагнитных полей. Это вызвано возрастающей ролью методов теории электромагнитного поля при проектировании электротехнического и электронного оборудования.

Надежность и достоверность работы РЭА и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭА зависят как сроки разработки изготовления и наладки РЭА, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Помехой для аппаратуры является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению аналоговой или дискретной информации в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Помеха — непредусмотренный при проектировании РЭА сигнал, способный нарушить ее функционирование. Так как сигналы в РЭА имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напряженность поля и др. Источники помех многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источниками электрических помех являются, в основном, блоки питания и токоразводящие цепи. Источниками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии, тактирующие и синхронизирующие цепи следует рассматривать как источники электромагнитных помех. Значительные помехи создают электромагниты, электрические двигатели, реле и электромеханические устройства. Внутренними помехами являются также помехи от рассогласования волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопротивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возникающие по земляным шинам.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического электричества и атмосферными явлениями. Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Помехи проникают в аппаратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) или электромагнитное поле.

Борьба с помехами приобретает все большую актуальность по следующим причинам.

1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается.

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличение плотности их размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения применения внешних устройств с большим количеством электромеханических узлов.

4. Внедрение РЭА во все сферы человеческой деятельности.

1.2 Введение в САПР ANSYS

Программное обеспечение ANSYS представляет собой наиболее современную, мощную и удобную систему анализа электронных устройств:

*позволяющую сократить число дорогостоящих этапов при проектировании электронного оборудования, связанных с макетированием и экспериментальной доработкой;

*находящую применение в различных отраслях электронной промышленности;

*предлагающую налаженную техническую поддержку силами ведущих специалистов в данной обрасти;

*имеющую удобный интерфейс и легкое для понимания отображение рассчитанной информации с помощью цвета.

Система ANSYS представляет собой полностью 32-разрядное приложение и поддерживает различные вычислительные платформы: Windows (95/98/2000, NT4/ME), UNIX.[2]

Программа позволяет:

— производить тепловой, механический, электромагнитный анализ отдельных компонентов электронных схем, таких как однокристальные и многокристальные микросхемы, гибридные и дискретные элементы.

Для теплового поля:

— осуществлять моделирование стационарного и нестационарного тепловых режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонентов.

Для механического поля:

— включать в него модули с нелинейными физическими соотношениями, учитывающие такие важные свойства, как:

? Внутреннее трение и корректные законы прочности;

? Локализацию сдвиговых деформаций в полосы скольжения;

? Процессы упрочнения и разупрочнения;

? Зависимость деформаций от времени;

? Описание процессов нагрузки, разгрузки и повторного нагружения;

? Учет эффекта дилатансии (изменения объема материала, вызванного деформацией сдвига) и других перекрестных эффектов.

Для электромагнитного поля:

— рассчитать:

? Линии векторного магнитного потенциала;

? Вектора магнитной индукции;

? Вектора напряженности магнитного поля,

причем как для скалярных значений (модулей), так и для векторов. А также все эти результаты можно вывести как в графическом виде, так и виде таблицы распределения по узлам модели;

? Интегральные параметры, например индуктивность обмотки с током, интегральную электромагнитную силу, рассчитать магнитодвижущую силу.

А также имеет интерфейс связи с большинством наиболее распространенных систем САПР электронных устройств.

Работа с интерфейсом пакета ANSYS несколько отличается от работы с интерфейсом большинства других приложений и требует минимального навыка работы с ее графическим интерфейсом (с ее системой меню, окон, полос прокрутки, команд).

Программный комплекс МКЭ ANSYS отвечает следующим требованиям:

? высокий уровень тестирования комплекса на сложных задачах;

? наличие большой библиотеки конечных элементов;

? высокая вычислительная эффективность встроенных решателей для сверхбольших систем алгебраических уравнений (СЛАУ) и процедур численного нелинейного решения;

? поддержка многопроцессорного счета;

? прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD — систем, импорт формата IGES;

? наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов, в том числе деформирования (линейно-упругого, нелинейного, пластического, реологического и т.д.);

? открытость комплекса для встраивания дополнительных моделей поведения материалов, различных процедур решений, интерфейсных модулей и даже других численных методов.

В настоящее время в ANSYS реализован не только МКЭ — в этот пакет внедрены различные процедуры метода контрольных объемов (МКО), метода конечных разностей (МКР) и метода граничных элементов (МГЭ), что делает программный комплекс ANSYS универсальной вычислительной средой с различными вариантами аппроксимации искомой функции.

С помощью дружественного графического интерфейса пакета ANSYS осуществляется диалоговый (интерактивный) режим работы пользователя и компьютера. Данный интерфейс представляет собой совокупность окон ввода/вывода и различных меню. Существует еще и так называемый пакетный режим работы программы. В этом режиме все действия, начиная от построения модели до нахождения результатов решения и вывода их в текстовой или графической форме в файл, осуществляются автоматически по программе, написанной на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language — язык параметрической разработки ANSYS). Этот режим хорош тем, что не требуется взаимодействие программы и человека. Таким образом, подготовленная задача может решаться, например, на удаленном компьютере, обладающем большой производительностью (суперкомпьютере), либо на кластере (несколько компьютеров, объединенных сетью). В любом режиме работы пакета создаваемое описание задачи записывается программой в файл базы данных задачи, который имеет расширение *.db.

1.3 Особенности пакета

1.3.1 Простота использования

Все программы пакета ANSYS имеют простой интуитивный пользовательский интерфейс на основе командного меню.

Выходными данными являются цветовые карты температуры, температурные градиенты, величины тепловых потерь, тепловые потоки, таблицы эпюр напряжений, карты сдвиговых деформаций, карты линий векторов магнитного потенциала, карты распределений векторов магнитной индукции, а также векторов напряженности магнитного поля, которые позволяют легко анализировать результаты расчета.

1.3.2 Высокая точность и скорость моделирования

Иногда может потребоваться информация о времени расчета или размере требуемой оперативной памяти для решения задачи. Подобную информацию вы можете получить, воспользовавшись командой RUNSTAT [3], вызвав ее из экранного меню: Main Menu > Run-Time Stats).

Необходимо помнить, что RUNSTAT делает прогноз на основе информации, содержащейся в файле *.db. Поэтому ее следует использовать непосредственно перед запуском задачи на расчет (когда уже создана сетка КЭ, приложены соответствующие нагрузки и выбран тип анализа).

1.3.3 Библиотеки

Библиотека элементов ANSYS содержит более 150 различных типов элемента. Каждый тип элемента имеет уникальный номер и имя, которое идентифицирует категорию элемента: BEAM4, PLANE77, SOLID96, и так далее.

Доступны следующие категории элемента[4,5]:

Тип элемента определяет:

* набор степени свободы (который в свою очередь определяет дисциплину — структурный, тепловой, магнитный, электрический, и так далее).

* находится элемент в двух или трехмерном пространстве.

Некоторые элементы могут использоваться при решении задач с различными типами материалов, и поэтому появляются в списке в разных категориях.

1.3.4 Учет характеристик платы и внешней среды

Характеристики платы и внешней среды являются важными и неотъемлемыми частями теплового, механического и электромагнитного анализов.

Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, а также на число и расположение элементов на них.

1.3.5 Управление выводом результатов расчета

ANSYS записывает результаты решения анализа в текстовый файл Jobname.RTH.

Можно просмотреть эти результаты используя путь: Main Menu>General Postproc.

В ANSYS результаты решения можно просматривать в виде графиков или таблиц, после считывания результатов решения в память.

Для вывода результатов решения можно использовать следующие пути GUI[4]:

Вывода поля результатов расчета:

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Element Solu

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Elem Table

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu

Для построения векторного поля:

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Vector Plot> Pre-defined or Userdefined

Рис 1.2 График векторного поля.

Для вывода результатов решения в табличном виде:

Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution

Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution

Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu

После выбора маршрута GUI, приведенного выше, ANSYS отображает результаты в текстовом окне (здесь не приводится).

1.3.6 Область применения

В течение последних лет пакет программ ANSYS развивался в направлении удовлетворения первоочередных потребностей разработчиков с учетом динамики развития технологии в различных областях электронной промышленности. Гибкость пакета и многолетний опыт команды разработчиков позволяет с уверенностью утверждать, что самые разнообразные проекты могут быть успешно промоделированы.

1.3.6.1 Космическое и авиационное приборостроение

Большое количество пользователей программного обеспечения ANSYS занято в космической и авиационной промышленности, где они занимаются разработкой разнообразных космических летательных аппаратов, спутников, орбитальных станций, самолетов, ракет[6].

Важную роль в двигателе играют силовые элементы, корпуса, силовые стойки. Возможности продуктов ANSYS позволяют проводить прочностной анализ с учетом воздействия температурных потоков, радиационного теплообмена, контактных сопротивлений, упругих и пластических деформаций.

Программный комплекс ANSYS обеспечивает более точный и быстрый анализ конструкции любой сложности. Наличие в нем интегрирующей среды проекта ANSYS Workbench позволяет встроить систему ANSYS в систему Product Development Management (PDM), благодаря чему достигается еще более эффективный и структурированный подход к организации процесса проектирования.

На рисунках мы можем заметить полученные системным продуктом ANSYS[6]:

1.3.6.2 Нефтегазовая промышленность

Нефтегазовое оборудование комплектуется стальной запорной трубопроводной арматурой. Наличие неисправностей, перегревов различных участков являются причиной более 80% отказов трубопроводной арматуры, которые приводят к нарушению нормального режима функционирования оборудования или к аварийным ситуациям, последствиями которых могут стать экономические потери, повреждение оборудования, загрязнение окружающей среды и пр. С помощью ANSYS было проведено исследование на распределение температур [7] (рис 1.7), в зависимости от граничных условий и с указанием условий конвективного теплообмена с рабочей и окружающей средами (рис. 1.6)

Рис. 1.6 Распределение температуры по трубопроводной арматуре с указанием условий конвективного теплообмена с рабочей и окружающей средами

Рис. 1.7 Распределение температуры по трубопроводной арматуре в зависимости от граничных условий

1.3.6.3 Электронные устройства для автомобилей

В автомобильной промышленности применяются устройства, имеющие большие токи потребления. Наличие больших токов приводит к интенсивному выделению тепла проводниками печатных плат. Программный комплекс ANSYS обеспечивает точный и быстрый анализ конструкции, что позволяет произвести правильный расчет, для более надежной работы устройства.

1.3.6.4 Телекоммуникационное и промышленное оборудование

В данных отраслях к оборудованию предъявляются повышенные требования по надежности, в то время как само оно выполнено в виде достаточно сложных комплексов с большим числом задействованных шкафов, модулей, блоков и плат. Для облегчения построения проектов такого рода служит интерфейс с различными системами проектирования.

1.3.6.5 Источники питания

Особенность источников питания заключается в том, что в них используются элементы, имеющие значительную высоту. Высокие компоненты могут стать дополнительными препятствиями охлаждающим потокам воздуха, что может привести к перегреву отдельных частей устройства. При моделировании данного вида устройств, благодаря тому, что программный продукт ANSYS выводит красочные и легкие для понимания карты распределения температур легко видеть, какие участки подвергаются наибольшему прогреву.

1.4 Сравнение с аналогичными САПР

В современных условиях к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), помимо соответствия основному набору технических характеристик, предъявляется ряд жёстких требований, направленных на повышение технологичности, надёжности, сокращения длительности и стоимости цикла проектирования[8]. Все эти задачи невозможно решить без специальных систем автоматизированного проектирования, позволяющих сократить число дорогостоящих этапов проектирования, связанных с макетированием, испытаниями и последующей доработкой макета по результатам испытаний. Весьма важную роль здесь играют программные средства математического моделирования тепловых процессов, протекающих в РЭА.

Традиционно задачи оценки тепловых, механических, электромагнитных режимов работы РЭА решались на завершающих этапах проектирования посредством проведения стендовых испытаний, где макет РЭА подвергался воздействию всех оговоренных в техническом задании тепловых дестабилизирующих факторов по заранее определённой программе. Информация о различных процессах, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, собиралась с помощью системы специальных приборов. Однако, у такого подхода есть очень серьёзный недостаток: в испытаниях должен участвовать специальный макет или готовое изделие, а следовательно, им должны предшествовать этапы конструирования и изготовления макета, на которые приходится большая часть накладных расходов и значительные временные затраты.

Намного разумнее было бы одновременно со схемотехническим проектированием проводить математическое моделирование процессов различных типов и электромагнитной совместимости, что позволило бы на самых ранних этапах проектирования вносить изменения в схему и конструкцию разрабатываемый РЭА.

Несколько лет назад на рынке САПР появились программные средства для моделирования тепловых, механических и электромагнитных процессов. Большинство из них представляют собой специализированные системы, позволяющие моделировать тепловые, механические и электромагнитные процессы в типовых конструкциях самой разнообразной сложности — от подложек гибридных интегральных схем и кристаллов интегральных схем, печатных плат до блоков и стоек.

Здесь можно отметить такое программное обеспечение, как BETAsoft компании Dynamic Soft Analysis, ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Красноярского Государственного Технического Университета (КГТУ) и Московского Государственного Института Электроники и Математики (МИЭМ), ANSYS, ELCUT, ADAMS, LS — DYNA.

Приведем ряд некоторых особенностей каждой из представленных программ. Для этого коротко рассмотрим предоставляемые возможности данных пакетов, а также их недостатки.

1.4.1 Асоника-Т

Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры АСОНИКА-Т (входит в состав Автоматизированной Системы Обеспечения Надёжности и Качества Аппаратуры) была разработана группой специалистов кафедры «Приборостроение» Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (МГИЭМ)[8].

Программа предназначена для работы на персональных компьютерах под управлением ОС Windows 95/98/NT/2000 и позволяет выполнять моделирование стационарных и нестационарных тепловых процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры.

В состав подсистемы входят уникальные программные комплексы, позволяющие синтезировать модели тепловых процессов в автоматическом режиме по созданной в специальной графической среде геометрической модели конструкции.

Подсистема позволяет решать следующие задачи:

? определение тепловых режимов работы всех радиокомпонентов и материалов несущих конструкций с учётом особенностей эксплуатации РЭА различного назначения (для аэрокосмической и автомобильной техники, морских судов и так далее);

? внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов тепловой нагрузки радиокомпонентов;

? выбор лучшего варианта конструкции аппаратуры с точки зрения её тепловых режимов из нескольких имеющихся;

? обоснование необходимости дополнительной защиты РЭА от тепловых воздействий;

? создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, наиболее удачное расположение мест установки датчиков и т.п.).

В состав подсистемы входит графический редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемого объекта и отражать на ней конструктивные особенности печатных плат (рис. 1.10, 1.11), гибридных интегральных схем и функциональных ячеек — печатных плат, выполняемых на основе металлического основания со сложной системой сквозных и несквозных вырезов, контуров из тепловых шин и теплостоков (рис. 1.12).

Рисунок 1.10. Геометрическая модель печатной платы с системой сквозных вырезов и системой тепловых шин

Рисунок 1.11. Печатная плата с контуром из тепловых шин и системой сквозных вырезов

Рисунок 1.12. Геометрическая модель функциональной ячейки с системой несквозных вырезов, тепловых шин и теплостоком

Редактор имеет удобный пользовательский интерфейс и позволяет выполнять большое количество операций:

? размещать, перемещать, удалять и копировать радиокомпоненты по одному или целыми группами;

? задавать или менять их параметры;

? объединять группу радиокомпонентов в один элемент с автоматическим пересчётом его геометрических и теплофизических параметров;

? выполнять переориентацию радиокомпонентов на плоскости несущей конструкции;

? просматривать одновременно схемы размещения компонентов на обеих сторонах несущей конструкции;

? создавать и редактировать модель несущей конструкции (формировать и размещать печатные проводники силовых цепей, тепловые шины и контуры из шин, системы сквозных и несквозных вырезов, зоны с различными типами условий охлаждения и т.п.).

При прорисовке геометрической модели исследуемого объекта используются специальные библиотеки тепловых моделей компонентов. В подсистеме присутствует специальный модуль, который позволяет рассчитывать геометрические и теплофизические параметры радиокомпонентов при различных вариантах установки их на несущую конструкцию (рис. 1.14) и сохранять в специальной базе данных. В процессе построения проекта разработчик может выделить любой компонент на геометрической модели конструкции, после чего просмотреть и/или изменить один или всё множество первичных параметров радиокомпонента и выполнить повторный расчёт его геометрических и теплофизических параметров с последующим их сохранением в базе данных (рис. 1.13).

Рисунок 1.13 Работа с геометрическими и теплофизическими параметрами радиокомпонента

Рисунок 1.14 Выбор из библиотеки необходимого варианта установки радиоэлемента и его структуры

Подсистема теплового моделирования предназначена для работы в тесной интеграции с другими САПР РЭА( P-CAD 2001, Protel 99 SE, OrCAD 9.2, Allegro, Specctra, а также старых, но всё ещё распространённых в России, версиях P-CAD 4.5-8.7).

Графический редактор и математическое программное обеспечение подсистемы позволяют учитывать условия эксплуатации, а также конструкторско-технологические ограничения, накладываемые на РЭА различного назначения. Так, в частности, тепловые шины, контуры из тепловых шин и системы вырезов, наряду с заданием локальных граничных условий, позволяют отразить особенности авиационной РЭА. Слоистая структура, система теплостоков, множество локальных граничных условий и описание источников тепловыделения в виде функциональных временных зависимостей позволяют отразить особенности РЭА космических и морских объектов. Системы печатных проводников силовых цепей, совместно с системой вырезов и локальных граничных условий, позволяют отразить особенности автомобильного радиоэлектронного оборудования.

Особенности охлаждения моделируемого объекта учитываются в подсистеме через задание глобальных (рис. 1.15) или локальных (рис. 1.16) граничных условий, которые описываются на уровне всех и/или отдельных поверхностей или локальных зон несущей конструкции. Широкий набор типов условий охлаждения, используемый в программе, позволяет моделировать: снятие тепла с несущей конструкции посредством контактного теплообмена; лучистый теплообмен; естественную (в неограниченных и ограниченных пространствах) и вынужденную (обдув и продув) конвекции; теплопередачу к поверхности с заданной температурой через известное тепловое сопротивление и т.п.

Рисунок 1.15. Задание глобальных граничных условий для функциональной ячейки с системой теплостоков

Рисунок 1.16. Пример выделения локальных зон с граничными условиями, позволяющими учитывать неизотермичность воздушного потока

В результате моделирования, разработчиком может быть получена следующая информация (в графическом виде или в виде файла отчёта): температуры корпусов и активных зон радиокомпонентов; тепловые поля шин; изотермы несущей конструкции (рис.1.17); термограммы разрабатываемой конструкции (рис.1.18); изображение только перегревшихся элементов; распределение мощностей по радиокомпонентам; коэффициенты тепловой нагрузки радиокомпонентов; графики зависимости температур радиокомпонентов от времени. Отметим, что некоторые из перечисленных характеристик недоступны в зарубежных системах теплового моделирования.

Рисунок 1.17 Изотермы функциональной ячейки устройства вторичного электропитания, входящего в состав космической аппаратур

Рисунок 1.18 Термограмма печатного узла устройства приёма и обработки видеосигналов

Данный программный комплекс позволяет в максимально гибкой форме создавать и анализировать модели сложных конструкций высших уровней иерархии (крейты, стойки, стеллажи) с учётом их конструкторско-технологических особенностей и алгоритмов функционирования.

Рисунок 1.19. Анализ тепловых режимов конструкций верхнего уровня иерархии

Все модули программы имеют двуязычный (английский и русский) пользовательский интерфейс и интерактивную справочную систему.

Для моделирования на ПЭВМ стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭС, таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы(ПУ), функциональные ячейки (ФЯ), микросборки (МСБ) существует комплекс ТРиАНА, входящий в состав подсистемы АСОНИКА-Т.

Целью моделирования, проводимого при помощи комплекса ТРиАНА, является получение тепловых полей конструкций РЭС 3-го и 4-го уровней конструктивной иерархии (температур конструктивных узлов, элементов и потоков хладоносителя в сети каналов конструкции стойки или крэйта), тепловых полей конструктивных узлов 2-го уровня конструктивной иерархии (тепловых полей оснований функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов).[9]

В целом комплекс позволяет решать следующие задачи:

* определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно- технологических и эксплуатационных особенностей РЭС различного назначения (авиационной, космической, морской; автомобильной и др. РЭС) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимого (с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности и т.п.) теплового режима работы РЭС;

* выбор лучшего варианта конструкции РЭС из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик;

* обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭС от температурных воздействий;

* создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор параметров испытательных воздействий, наиболее удобное расположение мест установки регистрирующих датчиков и т.п.).

ПК ТРиАНА-2.00 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и в составе ПК следующих программных единиц: MTPEditor, MTPViewer, BoardEditor, Conv2triana, Triana.

* графический редактор топологических моделей тепловых процессов (МТП) MTPEditor, позволяющий: формировать МТП конструкций РЭС с параметрическим описанием их компонентов, использующих геометрические и теплофизические параметры графических образов исследуемых узлов и/или конструкций РЭС в целом; отображать результаты моделирования непосредственно на топологической модели;

* графический редактор конструкций РЭС типа «печатный узел», «функциональная ячейка», «гибридно-интегральная схема или микросборка»,

BoardEditor, который позволяет создавать геометрические модели конструкций ПУ, ФЯ, МСБ с позиций исследования в них тепловых процессов; вести базу данных по геометрическим и теплофизическим параметрам электрорадиоэлементов; отображать результаты моделирования на геометрической модели исследуемого конструктивного узла;

* конвертор топологий печатных плат Conv2triana, реализующий функции автоматического преобразования основных параметров несущей конструкции (НК) ПУ, ФЯ или МСБ, а также схемы размещения ЭРЭ на НК из форматов систем топологического проектирования печатных плат (PCAD, ACCEL и др.) в формат ПК ТРиАНА;

* математическое ядро Triana, включающее в свой состав: набор специализированных программ, реализующих функции автоматического синтеза моделей тепловых процессов конструктивных узлов РЭС на основе их геометрической модели и температурных условий их эксплуатации (граничные и начальные условия); набор модулей, выполняющих функции: формирования математических моделей для моделирования тепловых процессов исследуемой конструкции в стационарном и нестационарном режимах; анализа математической модели, которая может быть сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений, системы нелинейных алгебраических уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений; библиотеку аналитических моделей (набор критериальных уравнений) для анализа различных видов теплообмена и их модификаций (в библиотеке содержится около 70 разделов).

Совместно с программой поставляются интерфейсы связи с системами (PCAD-4,5, PCAD-8, PCAD- 2001, ACCEL EDA, Orcad-9.1, Protel, MicroSim). Конвертор позволяет вести преобразование данных файлов *.pcb и *.pdf.

Программный пакет Тriana позволяет работать с 3D-моделью при активизации функции визуального интерфейса “3D-модель”. При этом появляется специальное окно, в котором отображается 3D-модель КУ (рис. 1.20).

Рис 1.20 3D-модель КУ

Для работы с 3D-моделью доступны следующие операции:

* поворот КУ в пространстве;

* изменение масштаба отображения 3D-модели КУ;

* сдвиг 3D-модели КУ в плоскости обзора;

* выбор стандартного вида отображения 3D-модели КУ;

* обновление эскиза 3D-модели КУ;

* отображение результатов моделирования на 3D-эскизе КУ.

Рис 1.21 Результаты теплового анализа 3D-модели КУ

1.4.2 BETAsoft

Программное обеспечение BETAsoft компании Dynamic Soft Analisys представляет собой наиболее современную, мощную и удобную систему теплового анализа электронных устройств [10,11].

— позволяет производить моделирование стационарного и нестационарного тепловых режимов комплексов, блоков, печатных плат и отдельных компонентов;

— поддерживает различные вычислительные платформы: Windows (3.1, NT, 95/98), UNIX, DOS;

— имеет интерфейс связи с большинством наиболее распространенных систем САПР электронных устройств: VeriBest, PADS, ACCEL (PCAD & Tango), OrCAD, Mentor, Allegro, Cadstar, Protel, и др.

Для проектирования ПП с учетом ее тепловых характеристик BETAsoft предлагает принципиально новый подход к проектированию и тепловому анализу, суть которого заключается в том, что можно начать тепловое моделирование, которое начинается практически по нажатию одной кнопки и работает в связке с пакетом проектирования ПП. По мере доработки проекта ПП тепловое моделирование проводится снова уже с учетом внесенных доработок и изменений — таким образом, реализуется итеративный метод. С точки зрения пакета BETAsoft вносимые в топологию изменения можно условно поделить на три уровня:

? перемещение компонентов, изменение направления воздушных потоков и изменение толщины экранных слоев;

? добавление элементов теплоотводов: радиаторов и теплопроводящих подложек, а так же теплопроводящих креплений компонентов;

? добавлений локальных участков металлизации и изменение параметров термобарьеров.

Исходной информацией для проведения анализа служит полное трехмерное определение внутренней структуры компонента с учетом наличия нескольких слоев из различных материалов и подключения внешних, возможно, изменяющихся во времени источников питания.

Результаты моделирования, полученные на каждом этапе, сохраняются и сравниваются, что позволяет системе выбрать наилучший вариант. Реализация такого метода имеет смысл только в том случае, если тепловое моделирование действительно может проводиться практически параллельно с внесением изменений, то есть почти мгновенно. BETAsoft удалось реализовать такую систему за счет высокоскоростных алгоритмов расчета тепловых процессов: так, например анализ ПП, состоящей из 100 компонентов, проводится менее чем за 15 секунд на компьютере P III 800 МГц.

В состав программного обеспечения BETAsoft входят несколько программ, которые позволяют рассчитать температуру и градиент температуры на различных участках печатной платы, температуры отдельных компонентов и переходов, после чего выдать предупреждение о возможном превышении максимально допустимой температуры. Промоделированные с помощью программ BETAsoft устройства нашли применение в космической, авиационной, оборонной, автомобильной промышленности, а также в вычислительном, медицинском, телекоммуникационном и измерительном оборудовании.

Для определения температуры различных частей устройства производится анализ переходных процессов и анализ в стационарном режиме. Внешние условия охлаждения могут быть получены из программы BETAsoft-Board, что позволит моделировать работу устройства в условиях, максимально приближенных к реальным[11].

Рис 1.22 Карта распределения температуры

Рис 1.23 График зависимости изменения температуры от времени

Данные, полученные с помощью этой программы, позволят пользователям правильно выбрать технологию упаковки устройства в корпус, метод отвода тепла, а значит, значительно повысить надежность конечного изделия.

Получить результаты расчета можно с точностью 10% . В процессе анализа выполняется полное трехмерное моделирование суммарного поля течения и отдельных теплоносителей с учетом теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Метод конечных разностей с адаптивными усовершенствованными локальными ячейками позволяет за минимальное время получить весьма точные результаты. Моделирование выполняется в среднем, в 50 раз быстрее, чем в других программах, использующих метод конечных элементов.

Все программы пакета BETAsoft имеют простой интуитивный пользовательский интерфейс на основе командного меню. Модуль BETAsoft-Board содержит библиотеки, насчитывающие около 2500 различных компонентов и более 45 материалов с указанием их проводимости, причем возможно создание новых компонентов и материалов.

Выходными данными являются цветовые карты температуры и градиента, которые позволяют легко анализировать результаты расчета. Обширные возможности отображения результатов расчета позволяют создавать в стандартных текстовых редакторах красочные и легкие для понимания отчеты.

Вся информация о компонентах, используемых модулем BETAsoft-Board, хранится в двух специализированных библиотеках. Первая из них — Working Library — создается с помощью интерфейса импорта из системы проектирования и содержит компоненты из разработанной вами печатной платы. Вторая — Master Library — содержит 2500 полностью определенных, готовых к применению компонентов, причем размер ее не ограничен. Компоненты могут быть без труда перенесены из Working Library в Master Library с помощью всего лишь нескольких щелчков мыши.

Рис. 1.24 Окно импорта из Working Library в Master Library

Модуль BETAsoft-Board позволяет моделировать термическое поведение многослойных плат нерегулярной формы. Плата с помощью креплений различного типа может быть расположена в любом месте открытого или закрытого корпуса, при этом будет учитываться отвод тепла через крепежные устройства и специальные радиаторы, а также наличие естественной и принудительной вентиляции. Возможно моделирование с учетом гравитации, атмосферного давления и направления воздушного потока. К различным элементам системы могут быть подключены различные теплоотводы, тепловые трубы, охлаждающие вентиляторы и просто металлизированные контактные площадки.

Пакет BETAsoft позволяет без труда моделировать рассеяние тепла через специальные теплоотводы, проводящие контактные площадки и элементы крепления с учетом естественной и принудительной вентиляции, изменения атмосферного давления и силы тяжести. Система не накладывает никаких ограничений на размеры и форму печатных плат, а также на число и расположение элементов на них.

Оценка температуры компонентов

Самой важной задачей теплового анализа является оценка температуры корпусов компонентов платы и переходов. Пакет BETAsoft позволяет рассчитать среднюю температуру корпуса элемента, а дополнительный модуль THETA дает возможность определить температуру переходов. Рассчитанные результаты отображаются на чертеже платы с помощью различных цветов, что дает возможность без труда определить степень нагрева элементов. Имеется возможность вывода численных значений рассчитанных температур в табличной форме.

Поиск перегревающихся элементов

Интенсивность отказов компонентов имеет экспоненциальную зависимость от температур переходов и определяется используемой технологией изготовления интегральных схем. Следовательно, различные типы компонентов имеют различные предельно допустимые температуры. Модуль BETAsoft-Board позволяет индивидуально задавать предельные температуры для различных элементов и отображать на экране с помощью цвета разницу между только что рассчитанной температурой корпуса и этим пределом (рис 1.26).

Карта прогрева печатной платы

Пакет BETAsoft позволяет рассчитать и составить карту прогрева анализируемой печатной платы. Вследствие существования явления температурного расширения физических материалов, области платы с повышенной температурой могут претерпевать различные деформации, например, вспучиваться и коробиться. Это в свою очередь может стать причиной отслаивания печатных проводников и разрушения паяных контактов, особенно в проектах, выполненных по технологии поверхностного монтажа. Своевременная идентификация таких областей позволит избежать разрушительных последствий в ходе испытаний и эксплуатации уже изготовленных изделий.

Расчет температурного градиента

Модуль BETAsoft-Board позволяет рассчитать карту температурных градиентов. Наличие высокого температурного градиента, как правило, приводит к тепловому удару, обусловленному большой разницей в условиях температурного расширения различных участков платы. Наличие таких областей при многократном циклическом нагревании и охлаждении может привести к разрушению как самой платы, так и расположенных на ней элементов. Программа моделирования позволяет своевременно предсказать наличие этих областей и принять меры по их устранению.

Программа BETAsoft-System позволяет производить тепловой анализ объемных модулей электронного оборудования, например, блоков, крейтов и шкафов. Здесь учитываются самые разнообразные физические эффекты и факторы: движение теплого потока вверх с учетом силы тяжести, температуру окружающей среды, силу ветра, интенсивность солнечного излучения, препятствия на пути воздушного потока и наличие контакта с крепежными элементами. При тепловом анализе поведения плат учитываются: мощность, рассеиваемая каждой отдельной платой, высота используемых элементов и плотность их расположения, тепловое сопротивление крепления и предельные температуры переходов. Отметим, что при моделировании с помощью модуля BETAsoft-System системы из нескольких плат, вовсе не обязательно точно задавать их топологию.

Благодаря результатам, полученным в ходе анализа с помощью программы BETAsoft-System, пользователь может выбрать правильный метод охлаждения проектируемого устройства, оптимизировать расположение блоков и плат с целью обеспечения более равномерного тепловыделения. В конечном итоге все это обязательно приведет к снижению массогабаритных характеристик оборудования и повышению его надежности.

1.4.3 ELCUT

1.4.3.1 Основные сведения

ELCUT — программа моделирования двумерных полей методом конечных элементов. Программа позволяет рассчитывать поля электрической, магнитной, температурной природы, а также механические упругие напряжения и деформации. ELCUT, помимо интерфейса на русском языке, отличается от родственных пакетов двумя чертами:

? дружественный, интуитивно ясный пользовательский интерфейс;

? высокая скорость решения задач и нетребовательность к ресурсам компьютера.

Пользователь может начать работу с ELCUT практически сразу, не отвлекаясь на изучение математических основ вычислительных алгоритмов и особенностей их реализации.

Традиционно считается, что полевые расчеты применяются в случаях, когда необходимо изучить локальные особенности проектируемой конструкции или уточнить существующие инженерные методики. Легкость ELCUT, степень автоматизации рабочих процедур и интуитивная ясность интерфейса дают возможность использовать пакет не только в исключительных ситуациях, но и в повседневных расчетных процедурах. Новая черта ELCUT — возможность обращения к его функциям из сторонних программ — позволяет объединять полевые расчеты с другими видами анализа, а также интегрировать ELCUT в комплекс программ САПР предприятия.

1.4.3.2 Назначение пакета ELCUT и обзор основных типов задач

ELCUT представляет собой интегрированную диалоговую систему программ позволяющую решать следующие плоские и осесимметричные задачи:

— Линейная и нелинейная магнитостатика.

— Магнитное поле переменных токов (с учетом вихревых токов).

— Нестационарное магнитное поле.

— Электростатика.

— Электрическое поле переменных токов в неидеальном диэлектрике.

— Растекание токов в проводящей среде.

— Линейная и нелинейная, стационарная и нестационарная теплопередача.

— Линейный анализ напряженно-деформированного состояния.

— Связанные задачи.

Редактор модели позволяет легко и быстро описать геометрию модели. Также можно импортировать фрагменты модели из AutoCAD или других систем проектирования. При построении сетки конечных элементов можно использовать удобные средства управления ее густотой или полностью довериться автоматической системе построения сетки. Источники и граничные условия полностью независимы от сетки, и могут быть изменены в любое время.

С помощью ELCUT пользователь может в течение одного сеанса описать задачу — свойства сред, источники поля, граничные и другие условия, решить ее с высокой точностью и проанализировать решение с помощью средств цветной графики. ELCUT позволяет решать сложные задачи расчета полей на персональных компьютерах, не прибегая к помощи больших ЭВМ или рабочих станций.

1.4.3.3 Основные сведения об организации ELCUT

ELCUT использует следующие типы документов, относящиеся к каждой конкретной задаче:

— описание задачи;

— геометрическая модель;

— физические свойства;

— результаты решения;

Описание задачи соответствует каждой физической задаче, решаемой при помощи ELCUT, которое при записи на диск помещается в файл с расширением *.pbm. Этот документ содержит общие характеристики как тип задачи («Электростатика», «Магнитостатика», «Теплопередача» и пр.), класс модели (плоская или осесимметричная) и пр., а также имена других документов, ассоциированных с данной задачей. Кроме этого описание задачи содержит ссылки на все остальные файлы, использующиеся в задаче. К их числу относятся файл геометрии модели, имеющий стандартное расширение mod и файлы физических параметров, имеющие одно из расширений des, dms, dcf, dec, dht или dsa в зависимости от предметной области задачи.

Пакет ELCUT позволяет создавать геометрические модели объектов любой конфигурации и сложности. Рис. 1.31 демонстрирует возможность создания блоков различной геометрии, границы которых образованы набором дуг окружностей и прямых линий.

Физические свойства или Данные различаются для разных типов задач (свойства для электростатики, свойства для вихревых токов и т.д.) Эти документы содержат значения свойств материалов, источников поля и граничных условий для разных помеченных геометрических объектов модели. Документ свойств может быть использован как библиотека материалов для различных задач.

Задача может ссылаться на два документа физических свойств одновременно: один из них, называемый справочник свойств, содержит свойства часто используемых материалов (библиотека материалов), а другой документ содержит данные, специфичные для данной задачи или группы задач.

Рис. 1.31. Окно геометрической модели ELCUT с примерами построения объектов сложной конфигурации

В процессе решения задачи ELCUT создает еще один файл — файл результатов. Этот файл всегда имеет расширение res, имя, совпадающее с именем файла описания задачи, и помещается в ту же папку, в которой находится файл описания задачи.

Интерактивный постпроцессор позволяет просмотреть результаты расчета в различных формах представления: линии поля, цветные карты, графики различных величин вдоль произвольных контуров и пр. Можно вычислять различные интегральные величины на заданных пользователем линиях, поверхностях или объемах. Постпроцессор обеспечивает вывод таблиц и рисунков в файлы для дальнейшей обработки или качественной графической печати.

Программа легко осваивается и прекрасно подходит для обучения студентов технических специальностей. Для ознакомления с возможностями программы существует бесплатная студенческая версия с примерами задач, для покупателей — поддержка в режиме реального времени по электронной почте и телефону.

1.4.3.4 Возможности пакета

1. Модуль магнитостатика может быть использован для расчета и анализа устройств таких как соленоид, электрические машины, магнитные экраны, постоянные магниты, магнитные диски, и т.п.

Возможности:

— Материалы: линейные и нелинейные

— Специальный редактор кривой намагничивания

— Линейные и нелинейные постоянные магниты

— Сверхпроводники

— Распределенные и точечные токи

— Граничные условия Неймана и Дирихле

— Специальные аппроксимирующие функции для осесимметричной формулировки задач, которые обеспечивают высокую точность вблизи оси вращения

— Результаты решения: индукция, напряженность поля, потенциал, магнитная проницаемость, энергия, собственная и взаимная индуктивность, усилия, моменты, и другие интегральные величины

— Связанные задачи: силы, действующие в магнитном поле, могут быть использованы для анализа механических напряжений

2. Модуль магнитные поля переменных токов может быть использован для анализа распределения вихревых токов. Для заданной частоты, он может анализировать магнитные поля от переменных токов, вихревых токов, индуцированных переменными магнитными полями. Этот модуль идеален для проектирования установок индукционного нагрева, трансформаторов, катушек, электрических машин, и многих типов индукторов.

Возможности:

— Анизотропная проводимость

— Распределенные и точечные заряды

— Плавающие проводники

— Граничные условия Неймана и Дирихле

— Результаты решения: потенциалы, заряды, электрическое смещение, емкость, усилия, моменты, и другие интегральные величины

— Связанные задачи: силы, действующие в электрическом поле, могут быть использованы для анализа механических напряжений

3. Модуль растекание токов может быть использован для расчета различных проводящих систем.

Возможности:

— Анизотропная проводимость

— Источники напряжения и тока

— Граничные условия Неймана и Дирихле

— Результаты решения: напряжение, плотность тока, электрическое поле, потери мощности, электрические токи через поверхность, и другие интегральные величины

— Связанные задачи: потери мощности могут быть использованы как источники тепла (джоулево тепло) в тепловых задачах

4. Модуль теплопередача может быть использован для проектирования и анализа различных электрических и механических систем.

Возможности:

— Нелинейные или анизотропные свойства

— Распределенные, линейные и точечные источники тепла

— Источники тепла в зависимости от температуры

— Источники тепла, как результат электрических потерь

— Задание температур и потоков тепла на границах

— Граничные условия с теплоотводом конвекцией или излучением

— Результаты решения: температура, тепловой поток, градиент температуры, суммарные тепловые потери в любой области, и другие интегральные величины

— Связанные задачи: рассчитанная температура может использоваться для нахождения механических напряжений

5. Модуль упругие деформации может быть использован для расчета и проектирования различных механических и электромеханических устройств.

Возможности:

— Плоско — параллельные напряжения и усилия, осесимметричные задачи

— Анизотропные свойства

— Распределенные и концентрированные нагрузки

— Термические напряжения, магнитные и электрические усилия

— Различные условия закрепления

— Результаты решения: перемещения, различные компоненты напряжения, главные напряжения, критерии Мизеса, Трески, Мора-Кулона и Друкера — Прагера

1.4.4 ADAMS

Программный пакет ADAMS (Автоматизированный Динамический Анализ Механических Систем) предназначен для динамического и кинематического анализа сложных механических схем произвольного вида. Областями применения пакета являются авиационно-космическая промышленность, автомобильная и железнодорожные отрасли, энергетика и т.д.

MSC.ADAMS — это лучшая на рынке программная система, предназначенная для виртуального моделирования сложных машин и механизмов.

Широкие возможности программного пакета, высокая надёжность и малая трудоёмкость его использования позволяют исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции сложных машин и механизмов, моделируя на компьютере реальные условия их работы, сравнивать и выбирать лучший вариант, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, тратя на это во много раз меньше времени и средств, чем традиционным старым путём.

Основой MSC.ADAMS являются высокоэффективный препроцессор и набор решателей. Препроцессор обеспечивает как импорт геометрических примитивов из многих CAD систем, так и создание твердотельных моделей непосредственно в среде MSC.ADAMS.

MSC.Adams заменяет дорогостоящие и длительные натурные эксперименты быстрым и подробным компьютерным моделированием, обеспечивая предприятиям экономию значительных средств и выход на рынок с всесторонне оптимизированными изделиями. С помощью MSC.Adams быстро создается полностью параметризированная модель изделия: она строится непосредственно в предпроцессоре или импортируется из наиболее популярных CAD-систем. Задав связи компонентов модели, приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив расчет, можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний системы. Таким образом, представление о работе изделия складывается еще до начала раскроя металла или отливки пластика для изготовления опытного образца.

С использованием MSC.Adams сведения о характеристиках работы будущего изделия, получение которых требовало длительного времени и огромных затрат, могут быть получены в течение нескольких часов.

Видеть, как будет работать машина, улучшать ее характеристики пользователь может уже на самых ранних этапах проектирования (рис.1.34).

Пользователю доступны:

— выявление параметров изделия, определяющих его работоспособность и точность;

— проверка компонентов машины на столкновения, определение габаритных размеров пространства, необходимого для ее движущихся частей;

— определение уровня действующих нагрузок, необходимой мощности приводов;

— оптимизация параметров изделия.

MSC.Adams позволяет исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции, выбирать лучший, совершенствовать и совершенствовать будущее изделие, затрачивая на это во много раз меньше времени и средств, чем при традиционном подходе.

MSC.Adams может использоваться для улучшения конструкций всего, что движется: от простых механических и электромеханических устройств до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники и космических аппаратов.

MSC.Adams отличают:

— широкий набор видов кинематических связей, упругих и диссипативных звеньев, нагрузок, кинематических воздействий;

— совместимость с системой моделирования систем автоматического регулирования и управления MATLAB/Simulink, а также пользовательскими программами, что обеспечивает моделирование и исследование сложных гетерогенных динамических систем;

— легкость в изучении и использовании — моделирование соответствует основным шагам построения физического макета (построение виртуальных прототипов, выполнение набора тестов, совершенствование конструкции);

— знакомый интуитивный интерфейс — если вы знакомы с другими программными средствами CAE, то быстро освоите работу с MSC.Adams;

— полная параметризация виртуальных моделей — любые параметры прототипа могут быть связаны функциональной зависимостью, модификация какого-либо размера модели автоматически приводит к изменению ее конфигурации и т. п.;

— эффективные средства визуализации результатов моделирования, включая анимацию и построение графиков.

Наряду с развитием универсальных возможностей пакета, разработчиками MSC.Adams созданы проблемно-ориентированные модули, обеспечивающие точное и быстрое моделирование самых сложных объектов:

— автомобилей (ADAMS/Car, ADAMS/Engine и др.);

— самолетов (ADAMS/Aircraft);

— железнодорожного транспорта (ADAMS/Rail);

— устройств автоматического управления (ADAMS/Control; ADAMS/Hydraulics).

В программном пакете MSC.Adams предусмотрена возможность учета податливости компонентов исследуемой машины. Для этого упругие характеристики ее частей определяются в конечно-элементной системе (например, MSC.Nastran), а затем в специальном формате передаются в MSC.Adams и включаются в виртуальную модель. Усилия, действующие в механизме и определенные с учетом податливостей, могут затем быть переданы в конечно-элементную систему и использованы как исходные данные для определения уровней напряжений в деталях. Такая технология обеспечивает точное моделирование современных оптимизированных по массе высоко динамичных механизмов.

Основой MSC.Adams являются системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику исследуемого объекта. Разработчики MSC.Adams продолжают повышать эффективность математической базы программного пакета. Применение устойчивых методов «жестких» систем дифференциальных уравнений обеспечивает получение необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с большой надежностью.

1.4.5 LS — DYNA

1.4.5.1 Основные сведения

Пакет LS-DYNA разработан корпорацией LSTC (Livermore Software Technology Corporation) под руководством Р. Холлквиста в Ливерморской национальной лаборатории ядерных исследований им. Лоуренса (шт. Калифорния, США). Первая коммерческая версия датируется 1976 годом.

LS-DYNA — многоцелевая программа разработки предназначенная для решения трехмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и теплопереноса, механики деформируемого твердого тела и механики жидкости и газа. Программа была первой в своей области и послужила основой для большинства современных пакетов высоконелинейного динамического анализа.

В LS-DYNA реализованы эффективные методы решения перечисленных задач, в том числе явный и неявный метод конечных элементов, многокомпонентная гидродинамика (Mulimaterial Eulerian Hydrodynamics), вычислительная гидродинамика несжимаемых потоков, бессеточный метод сглаженных частиц (SPH — Smoothed Particle Hydrodynamics), бессеточный метод, основанный на методе Галеркина (EFG — Element Free Galerkin method). В LS-DYNA встроены процедуры автоматической перестройки и сглаживания конечно-элементной сетки при вырождении элементов — произвольные лагранжево-эйлеровы сетки (Arbitrary Lagrangian-Euleran), высокоэффективные алгоритмы решения контактных задач, широкий набор моделей материалов, возможности пользовательского программирования, а также процедуры лагранжево-эйлерового связывания и расчета многокомпонентных течений сжимаемых сред на подвижных эйлеровых сетках.

Программный код LS-DYNA оптимизирован под основные платформы и операционные системы, векторизован, распараллелен для систем с общей (SMP) и распределенной памятью (МРР). Пользователями программы являются большинство мировых автомобильных и аэрокосмических концернов, многие известные промышленные предприятия и фирмы.

1.4.5.2 Решаемые задачи

1. Нелинейные динамические, квазистатические и статические задачи механики деформируемого тела.

Целью решения динамических задачи механики деформируемого тела (динамического анализа) является определение реакции деформируемой механической системы на заданное зависящее от времени возмущение. В результате решения задачи требуется определить перемещения, скорости, ускорения элементов этой системы, напряжения и деформации в них, а также производные от них величины. Важным является то, что при решении задачи учитываются силы инерции, а искомые величины ищутся как функции времени.

2. Задачи стационарного и нестационарного теплопереноса.

Целью решения задачи нестационарного теплопереноса является определение распределения температуры, тепловых потоков и других производных от них величин в расчетной области как функции времени

3. Задачи стационарной и нестационарной гидродинамики.

Целью решения задач стационарной и нестационарной гидродинамики является определение распределения скоростей, напряжений, давлений, температуры, тепловых потоков, а также производных от них величин в расчетной области. При решении задач нестационарной гидродинамики искомые величины ищутся как функции времени, при решении стационарных задач ищется их стационарное распределение.

4. Связанные задачи механики деформированного тела и теплопереноса.

Целью решения связанных задач механики деформированного тела и теплопереноса является определение распределения перемещений, скоростей, ускорений элементов рассматриваемой системы, напряжения и деформации в них, а также температуры, тепловых потоков и производных от них величин как функции времени. Связывание осуществляется посредством:

— влияния температуры на характеристики механических свойств материалов, параметры моделей материалов, моделей накопления поврежденности и критериев разрушения;

— учета в расчете напряженно-деформированное состояние рассматриваемой системы температурного расширения;

— учета в расчете теплопереноса работы пластической деформации.

1.4.5.3 Библиотека элементов

LS-DYNA имеет обширную библиотеку элементов, которые используют как упрощенную, так и полную схему интегрирования. Элементы c упрощенной (одноточечной) схемой интегрирования, используемые в LS-DYNA, просты, эффективны и точны. Исключение деформационных форм с нулевой энергией в таких оболочечных и объемных элементах достигается как введением фиктивной вязкости, так и жесткости. Все элементы векторизованы, а также оптимизированы для использования в SMP и MPP системах.

1.4.5.4 Модели материалов

LS-DYNA имеет более 130 моделей металлических и неметаллических материалов, многие из которых имеют критерии разрушения.

1.4.5.5 Применение

1. Автомобилестроение.

Создание моделей ремней безопасности, включая моделирование акселерометра, натяжителя, датчиков, контактных колец; моделей подушек безопасности; моделей манекенов.

Оценка сопротивляемости удару транспортного средства (опрокидывание автобуса, столкновение двух автомобилей, столкновение автомобиля с препятствием).

Оценка пассивной безопасности пассажира (взаимодействия манекена с воздушной подушкой и ремнями безопасности при аварии)

Оценка общей дорожной безопасности, в частности оценка эффективности ограждений.

Оценка жесткости, прочности и долговечности всех элементов автомобиля

2. Аэрокосмическая промышленность.

Оценка пассивной безопасности пассажиров самолета при экстренной посадке.

Динамическое нагружение конструкций в экстренных ситуациях.

Задачи об отрыве лопатки турбинных двигателей.

3. Прочие виды транспорта.

Железнодорожный и водный.

Моделирование аварийных ситуаций и предсказание их последствий для пассажиров, окружающей среды и т.п. (лобовое столкновение локомотивов, столкновение бака корабля с опорной стойкой).

4. Строительство.

Моделирование землетрясений и других нештатных ситуаций и экологических катастроф, оценка прочности железобетонных, металлических профильных и других конструкций.

5. Медицина, биомеханика

6. Оборонная промышленность.

Взрывное нагружение изделий.

Примеры:

— Воздействие взрыва на заглубленный объект, статья,

— Воздействие взрыва на сооружение, статья,

— Воздействие подводного взрыва на судно, анимация

— Проникание и оценка эффективности средств поражения и защиты (статья);

— Функционирование боеприпасов

— Моделирование работы тепловых импульсных двигателей.

1.4.6 Заключение

В приведенном выше обзоре мы очень кратко попытались обозначить ситуацию на рынке электронных САПР ПП. Здесь упоминаются только те продукты, которые, по нашему мнению, имеют хорошие шансы распространения на территории России, что определяется, прежде всего, историческими условиями и специальной ценовой политикой.

На основании обзора можно выделить три программных продукта, которые наиболее подходят для рассмотрения и пользования в рамках учебной программы. Это ANSYS, Betasoft, Асоника-Т(Триана). Но среди них есть ряд особенностей, таких как:

1. Асоника-Т(Триана) и Betasoft рассматривают только моделирование тепловых полей, не включая исследование электромагнитных и механических полей, что является огромным минусом. Отсюда следует, что моделирование данных полей придется осуществлять на другом программном продукте, что не совсем удобно и выгодно.

2. ANSYS исследует не только поля данных видов, но и решает много других задач

После дополнительного рассмотрения более подходящих нам пакетов программ приходим к выводу, что программный продукт ANSYS является самым оптимальным, который удовлетворяет всем заданным требованиям, а это:

? наличие большой библиотеки конечных элементов;

? прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD — систем, импорт формата IGES;

? наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов

? наличие удобного интерфейса

? вывод результатов в легком для понимания отображении с помощью цвета.

2. Постановка задачи

Тенденциями развития современной радиоаппаратуры являются непрерывное продвижение в верхнюю часть СВЧ диапазона, ужесточение требований к уровню преобразуемой мощности и ширине полосы рабочих частот при одновременном снижении веса и габаритов, повышение надежности аппаратуры.

Стремление к снижению массы и габаритов аппаратуры привело к развитию техники печатного монтажа. В диапазоне СВЧ появились симметричная и несимметричная полосковые линии с воздушным и диэлектрическим заполнением. Они хорошо переносят ударные нагрузки и вибрацию, просты в изготовлении, их производство можно автоматизировать.

Это позволило решить проблему микроминиатюризации СВЧ аппаратуры на основе техники интегральных схем, улучшить характеристики радиотехнических устройств, повысить их экономичность и надежность.

При достаточно большой функциональной насыщенности каждой схемы существенно сокращается число межсхемных соединений. Отпадает необходимость в большом числе разъемов, что существенно увеличивает надежность устройства.

На существующем этапе развития микроэлектронной техники СВЧ аппаратуре на интегральных схемах присущи и свои недостатки.

Первый из них заключается в энергетических ограничениях. Твердотельные генераторы и усилители СВЧ пока еще имеют относительно невысокий к. п. д., что приводит к выделению значительной мощности внутри твердого тела и, следовательно, к его перегреву.

Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличение плотности их размещения.

Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения применения внешних устройств с большим количеством электромеханических узлов.

Зачастую, из-за уменьшения габаритов нарушаются заданные зазоры между деталями конструкции, и инженеру требуется вычислить перемещение в определенных точках системы. В отдельных же случаях, особенно если нагрузки и поведение конструкции зависят от времени, проектировщику необходимо подсчитать полное распределение перемещений, или поле перемещений.

Однако эти недостатки не являются принципиальными. По мере разработки новых активных элементов, повышения к. п. д. генераторов и усилителей, развития техники охлаждающих устройств, улучшения характеристик материалов, применяемых в микроэлектронике, она все больше будет продвигаться в области более высоких частот и больших мощностей.

Но, все эти задачи невозможно решить без специальных систем автоматизированного проектирования, позволяющих сократить число дорогостоящих этапов проектирования, связанных с макетированием, испытаниями и последующей доработкой макета по результатам испытаний. Весьма важную роль здесь играют программные средства математического моделирования различных процессов, протекающих в РЭА.

Одним из таких пакетов является ANSYS позволяет детально анализировать результаты решения задачи путем построения контурных графиков и векторных полей. Мы можем получить и проанализировать результаты моделирования полей различных сред в любой интересующей нас части модели, в том числе в произвольном узле сетки, выводить решение вдоль выбранного пути или в сечении модели. Таким образом, ANSYS может быть применен как для решения учебных задач, так и для проведения сложных практических расчетов.

В связи с этим появилась необходимость разработки практикума лабораторных работ по моделированию полей различных сред в рамках САПР ANSYS для наглядного изучения влияния различных факторов на радиоаппаратуру.

3. Конструкторский раздел

В последнее время в электронной технике нашли применение интегральные схемы и печатные узлы.

Интегральные схемы представляют собой пластину, в объеме и на поверхности которой формируются диодные, транзисторные структуры, а также сопротивления и емкости, электрические соединения между которыми получают осаждением тонких металлических пленок на поверхность этой пластины. Таким образом, интегральная схема — это монолитная, физически неразделимая структура, которая после присоединения к ней внешних выводов является законченным функциональным блоком определенного назначения.

Печатным узлом называют печатную плату с навесными элементами.

Интегральные схемы и печатные узлы имеют очевидные преимущества по сравнению с обычными схемами, так как при их использовании резко сокращаются размеры и вес аппаратуры, повышается надежность и быстродействие электронных систем, кроме того, они дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения.

Но им присущи и свои недостатки.

Чтобы еще на стадии проектирования РЭА убедиться, что в создаваемой конструкции все сделано правильно, а именно:

a) температура ее элементов не превышает допустимого значения

b) не возрастает уровень помех

c) печатный узел обладает достаточным запасом прочности нужно рассчитать тепловой, электромагнитный и механический режимы.

Расчет этих процессов — одна из основных проблем, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. Надо сказать, что это довольно сложная задача, т.к. она связана с расчетом трехмерных нестационарных процессов в областях сложной конфигурации, скажем, внутри телевизора или радиоприемника.

Преодолеть эти трудности помогают различные приближенные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Среди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется метод и конечных разностей и конечных элементов. В их основе лежит метод построения моделей сложных физических процессов, происходящих в больших объёмах пространства, из простых элементарных процессов, происходящих в малом объёме.

Эти методы приводят, как правило, к огромным объёмам вычислений. Без современных электронных вычислительных машин здесь не обойтись.

Расчет конструкций с использованием систем компьютерного моделирования стал в последнее время необходимым условием организации циклов создания новой наукоемкой продукции и успешного продвижения ее как на отечественный, так и на международный рынок. Анализ современных систем компьютерного моделирования показал, что одним из мировых лидеров в области расчетных технологий является программный комплекс ANSYS. Это универсальный, конечно — элементный пакет, предназначенный для решения в единой среде на одной и той же конечно-элементной модели задач по механике сплошных сред, теплофизике, электромагнетизму, гидро- и газодинамике, междисциплинарных задач, а также оптимизации проекта на основе всех выше приведенных типов анализа.

3.1 Моделирование теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления полей распределения температуры, графиков температуры и величины теплового потока на заданном пути, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

1. Производится дискретизация объема, занимаемого интегральной схемой с находящимися на ней тепловыделяющими элементами, или, как говорят, строится сетка конечных элементов. Для объемного тела область разбивается на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными или параболическими функциями координат. Для поверхностных моделей — на плоские или криволинейные треугольники.

2. Задается температура окружающей среды, контактирующей с поверхностью (естественная конвекция). А также задаются источники тепла (мощность тепловыделения) через тепловой поток.

3. На основе заданных граничных условий производится вычисление температуры в каждой точке интегральной схемы.

4. Строятся графики температуры и величины теплового потока по заданному пути

3.2 Моделирование электромагнитного поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления распределения магнитного и электрического полей, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

2. Задается электрическая (магнитная) стенка. Если микрополосковая линия изолирована со всех сторон экраном, то тогда ко всем сторонам можно применить условие идеального проводника.

3. Создается микрополосковая линия.

4. На основе заданных граничных условий производится вычисление распределения векторов магнитного и электрического полей.

3.3 Моделирование изгибных колебаний печатного узла в САПР ANSYS

Имея математический аппарат для вычисления полей деформаций и напряжений в узлах, можно построить алгоритм МКЭ в ANSYS:

2. Для пространственных конечных элементов степенями свободы являются перемещения в направлении осей локальной системы координат элемента. Для конечных элементов оболочек к трем перемещениям в каждом узле добавляются по три угла поворота нормали к срединной поверхности области, аппроксимируемой элементом, относительно тех же осей.

3. Назначенные граничные условия приводят к нагрузкам и перемещениям в узлах.

4. Для каждого конечного элемента, имея перемещения в узлах, рассчитываются деформации, на основе которых вычисляются напряжения в элементах.

5. Считываются результаты расчета по первым формам колебаний (модам).

6. Формируется анимационный файл для любой моды.

4. Технологический раздел

4.1 Разработка методических указаний по выполнению лабораторных работ в САПР ANSYS и заданий для студентов

4.1.1 Расчет теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS

Цель работы

Познакомиться с методами моделирования тепловых полей в конструкциях РЭА, с принципами построения практических алгоритмов.

Получить практические навыки решения задач моделирования теплового поля интегральных схем.

Исходные данные

При разработке интегральных схем, содержащих элементы с большим тепловыделением, необходимо рассчитывать тепловой режим, т.е. определять температуру ее элементов и сравнивать с допустимыми значениями. Это одна из основных проблем, возникающих при проектировании радиоаппаратуры. Следует отметить, что это довольно сложная задача, так как связана она с расчетом нестационарных процессов в областях сложной конфигурации.

Математическая формулировка задачи

В лабораторной работе ограничимся моделированием теплового поля интегральной схемы (рис.4.5) [1], в которой пленочные тепловыделяющие элементы имеют произвольную форму и могут быть произвольно расположены на поверхности подложки, а отвод тепла осуществляется через основание. Размеры пленочных элементов, их расположение на подложке и рассеиваемая элементами мощность известны.

В математической форме сформулированная задача является двумерной, так как толщина подложки Lz много меньше двух других размеров Lx и Ly и описывается дифференциальными уравнениями в частных производных.

Рис.4.5 Интегральная схема

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов [2] (который и используется в настоящей работе), позволяющий свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Метод конечных элементов представляет собой метод численной реализации решения вариационной задачи. В математике доказывается, что любой краевой задаче можно поставить в соответствие некоторую так называемую вариационную задачу — нахождение функции, минимизирующий соответствующий функционал. При этом необходимо решить две проблемы: найти соответствующий функционал и отыскать функцию, его минимизирующую. Такой метод решения краевых задач называется вариационным. Он основан на фундаментальном физическом принципе наименьшего действия.

В качестве примера иллюстрированного метода конечных элементов рассмотрим двумерную задачу теплопроводности (рис. 4.6), где на верхней стороне поддерживается температура Т2 , а на нижней Т1 , а боковые стороны идеально изолированы в тепловом смысле. Требуется найти распределение температуры в данной области.

В данном случае определяющим уравнением является уравнение Лапласа:

в области D (1)

с граничными условиями Дирихле на части границы:

T1 — температура окружающей среды

Т2 — температура на верхнем торце интегральной схемы

y=0, (2)

y=Ly.

и условиями Неймана на остальной части границы:

, x=0,

, x=Lx. (3)

Уравнения (1) — (3) не будут использоваться непосредственно. Вместо них будет построена эквивалентная вариационная формулировка.

Рис. 4.6 Двумерная задача теплопроводности в интегральной схеме

С помощью вариационного исчисления можно показать, что решение Т(x,y) совпадает с функцией, которая минимизирует функционал

, (4)

где (x, y) — функция из допустимого множества пробных функций заданных в области D. Для этой задачи пробные функции (x, y) являются допустимыми, если они непрерывны и имеют кусочно-непрерывные первые производные. Кроме того, пробные функции должны удовлетворять главным граничным условиям (2). Граничные условия Неймана (3) будут выполняться автоматически для функции, минимизирующей функционал (4), как естественное следствие вариационной формулировки и, следовательно, будут называться естественными граничными условиями. Разобьем область на l конечных элементов. В рассматриваемой задаче в качестве конечного элемента выбран треугольник (рис. 4.7). Общее число узлов обозначим n.

Рис. 4.7 Разбиение области на l конечных элементов.

Рис. 4.8 Типичный треугольный элемент ei

Разбиение области и условия непрерывности, накладываемые на пробные функции, позволяют записать функционал (4) в виде:

, (5)

где — элементный вклад, определяемый равенством:

. (6)

Рассмотрим типичный элемент ei , показанный на рис 4.8. Номера узлов i, j и m должны быть указаны в порядке, соответствующем движению против часовой стрелки. Для произвольного элемента ei в этом примере пробная функция (x,y) выбирается линейной, т.е

, x, yei , (7)

где , и — постоянные, в общем случае различные для разных элементов.

С целью определения этих постоянных запишем последовательно уравнения (7) для узлов i, j и m:

, (8)

где , , — значения Т в узлах i, j и m соответственно. Верхний индекс ei опущен ради упрощения записи. Система уравнений (8) имеет единственное решение для постоянных а1, а2, и а3, так как определитель ее матрицы коэффициентов не равен нулю, т.е.

. (9)

С использование тригонометрии легко установить, что этот определитель равен удвоенной площади треугольника, как это и показано в (9). Так как площадь треугольника никогда не равна нулю, т.е. , то решение а1 , а2 , и а3 существует и единственно. Решая (8), получим для а1 , а2 , и а3 следующие выражения:

, (10)

где , , ,

а постоянные , , , , , могут быть определены путем циклической перестановки индексов. В приведенных выше выражениях для , , и верхний индекс ei вновь опущен, чтобы не усложнять запись формул. Подстановка выражений (10) в (7) дает следующее представление через базисные функции:

, (12)

Требуемые производные можно получить, дифференцируя (12):

(13)

Подстановка (13) в выражение для элементного вклада (6) дает:

. (14)

Так как подынтегральное выражение в (14) не зависит от х и y и, кроме того,

, (15)

то равенство (14) может быть записано следующим образом [2]:

. (16)

Выражение вида (16) может быть получено для каждого элемента. Подставляя все эти элементные вклады в (5), преобразуем функционал, заданный равенством (4), в функцию всех узловых значений , ,…,, т.е.:

(17)

Здесь узловые параметры , ,…,рассматриваются в качестве переменных, значение которых необходимо определить. Условия минимума могут быть записаны в виде:

, р=1,2,…,n. (18)

Подстановка (5) в (18) позволяет представить эти уравнения следующим образом:

, p=1,2,…,n. (19)

Очевидно, что при суммировании в (19) ненулевой вклад дают только те элементы, которые содержат узел р. Дифференцирование равенства (16) по позволяет определить вклад элемента в выражении(19).

После определения вкладов для всех элементов и объединения их получим матричное уравнение системы:

(20)

Выражение (20) может быть получено для каждого элемента. Подставляя все эти элементные вклады в (5), преобразуем функционал, заданный равенством (4), в функцию всех узловых значений , , , таким образом, находим переменные значения которых необходимо было получить.

Методика решения задачи.

Исходной информацией для моделирования является топологический чертеж РЭА.

Рассмотри моделирование теплового шага интегральной схемы с тепловыделяющими элементами (рис. 4.9), закрепленной на основании. Материал подложки — поликор — имеет при комнатной температуре удельную теплоемкость около 4.31*106 Вт*с/м3*0С и коэффициент теплопроводности около 25 Вт/м*0С. Материал основания — латунь — имеет при комнатной температуре коэффициент теплопроводности около 85 Вт/м*0С. Мощность рассеяния каждого радиоэлемента 20 Вт. Температура окружающей среды 200С. Найти распределение температуры.

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования теплового поля интегральной схемы реализует следующие режимы работы:

— ввод исходных данных;

— коррекция исходных данных;

— расчет температуры функционального узла;

— представление результатов в виде карты распределения температур;

— представление результатов в графическом виде.

Порядок выполнения работы:

1. Определяем тип анализа

Main Menu > Preferences > Thermal > Ok таким образом формируется меню под тепловой расчет.

2. Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбираем тип элемента:

Main Menu > Preprocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Thermal Mass > Solid > Brick 8node 70 задаем вид разбиения(описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > OK > CLOSE

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

? Add — позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

? Options — позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

? Delete — кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

? Close — закрывает диалоговое окно

? Help — выводит на экран справку

При выборе категории в левом списке, в правом появляется список элементов, относящихся к данной категории. Первым в каждой строке идет описание элемента. Как правило, оно содержит данные о форме элемента, количестве узлов и особенностях физических моделей материала, для которых он используется.

При выполнении работы не забывайте периодически сохраняться(лучше на некоторых законченных этапах делать версии работы для удобства редактирования). Сохранить работу можно File => Save as… или в сервисном меню SAVE_DB(если проект уже существует). Внимание, воспринимается только английский текст. Для чтения данных с файла пользуйтесь закладкой RESUM_DB.

3. Выбираем свойства материала и задаем его характеристики [20]:

Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните: Thermal > Conductivity > Orthotropic.

В окне Conductivity for Material Number 1(материал для тепловыделяющих элементов) заполняем таблицу, нажимаем ОК:

К(X,Y,Z) — теплопроводность элемента в соответствующих направлениях. Использование свойств неоднородности (Orthotropic) элемента связана с тем, что нам надо учесть воздействие подложки, которая служит как теплоотвод. Чтобы это учесть, нам надо тепловые потоки направить в основание подложки, т.е. по оси OY. Нуль программа не понимает, поэтому по другим координатам задаем значения близкие к нулю.

Переходим к следующему подэтапу работы. Для этого открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 2000.

б) Задаем свойство материала для подложки (поликор):

Не закрывая окна Define Material Model Behavior, создаем второй материал. Для этого во вкладке ниспадающего меню Material выбираем New Model и заполняем следующую таблицу:

Открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 3690.

в) Задаем свойство материала для основания подложки (латунное основание):

Точно также создаем третий материал и заполняем таблицу:

Открываем закладку SPECIFIC HEAT и в поле теплоемкость (С) указываем

Аналогично раскрываем DENSITY и в поле плотность (DENS) задаем 8920.

По осям X,Y мы задаем коэффициент теплопроводности равный 1.1 для того, чтобы не получилось, как бы обрезанного материала, в противном случае на нем появиться отрицательная или пониженная температура, если коэффициент теплопроводности будет ниже 1(т.е. если температура окружающей среды 200С и при этом происходит тепловыделение, а температура на подложке на некоторых элементах получается ниже 200С), а такого быть не может.

1. Создаем функциональный узел:

а) подложка мм2 и основание мм2:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY 2 CORNERS & Z.

Создаем функциональный узел в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

Плата
X	Y	Width	Height	Depth
Основание
0.005	0.005	0.048	0.003	0.060
Подложка
0.005	0.008	0.048	0.002	0.060

б) Устанавливаем тепловыделяющие элементы на подложку:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

Создаем тепловыделяющие элементы в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

Детали
X1	X2	Y1	Y2	Z1	Z2
Элемент 1
0.015	0.03	0.01	0.0105	0.03	0.035
Элемент 2
0.01	0.025	0.01	0.0105	0.015	0.02
Элемент 3
0.035	0.04	0.01	0.0105	0.015	0.025

Вводим координаты первого тепловыделяющего элемента, нажимаем Apply, после чего вводим координаты второго и т.д.

Для того чтобы повернуть полученный функциональный узел, необходимо зайти в сервисное меню

Utility Menu => PlotCtrls => Pan Zoom Rotate или воспользоваться панелью управления, расположенной справа от рабочей области

Окно Pan Zoom Rotate позволяет повернуть изображение модели на экране, передвинуть его или изменить масштаб.

Управляющие элементы, содержащиеся в окне, разделены на 8 групп, каждая из которых выполняет определенный набор функций. Первой идет группа, состоящая из одного элемента, в котором можно выбрать, с каким окном ведется работа.

Кнопки из второй секции позволяют повернуть модель в одно из стандартных положений:

? Top — вид модели сверху (по оси Y+)

? Bot — вид модели снизу (по оси Y-)

? Left — вид модели слева (по оси X-)

? Front — вид модели спереди (по оси Z+)

? Back — вид модели сзади (по оси Z-)

? Right — вид модели справа (по оси X+)

? Iso — изометрический вид модели

? Obliq — вид, подобный изометрическому, но под другим углом

? WP — вид модели с рабочей плоскости

Кнопки третьей секции обеспечивают изменение масштаба изображения модели:

? Zoom — при нажатии этой кнопки пользователю предлагается указать центр и одну из сторон прямоугольника на экране. После этого данная область будет увеличена на все окно.

? BoxZoom — при нажатии данной кнопки пользователь должен указать две точки на экране, соответствующие двум противоположным углам прямоугольника, который будет увеличен на размер максимального окна.

? WinZoom — аналогично Zoom с той разницей, что выбираемое окно обязательно будет иметь те же пропорции, что и графическое окно ANSYS.

Кнопки четвертой секции позволяют сдвигать изображение модели на экране. При этом стрелки указывают направление перемещения модели, а не окна. Кнопки с закрашенными кругами позволяют менять масштаб изображения модели.

Группа пятой секции позволяет вращать модель относительно экранных координат XYZ.

Направление вращения модели изображено на кнопках.

Группу кнопок шестой секции представляет бегунок Rate, позволяющий изменять шаг поворота, сдвига модели и масштаб.

В седьмой секции окна можно включить динамический режим Dynamic Mode. Если данный пункт включен, появляется возможность сдвигать и поворачивать модель с помощью «мыши».

Последняя группа кнопок выполняет следующие действия:

? Fit — автоматически выбирает масштаб и расположение модели, таким образом, чтобы она полностью помещалась на экране.

? Reset — убирает все повороты, изменения масштаба, перемещения, которые были применены к данной модели.

? Cloce — закрывает данное диалоговое окно.

? Help — выводит на экран справку по данному окну.

После преобразований должно получиться следующее:

2. Назначаем каждому элементу свой материал:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Attributes > All Volumes…Picked Volumes выбираем верхние прямоугольники расположенные на подложке (тепловыделяющие элементы)

и нажимаем OK, в появившемся окне выставляем: MAT=1, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 и нажимаем APPLY, снова появляется предыдущее меню и предлагается выбрать второй элемент (подложка) нажимаем ОК в появившемся окне выставляем MAT=2, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 и нажимаем APPLY, тоже проделываем для третьего элемента конструкции(основание): MAT=3, TYPE=1 SOLID 70, ESYS=0 ОК.

3. Соединяем все элементы модели, для этого:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Volumes (для объемов) > PICK ALL.

Теперь объединяем все элементы:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Volumes > PICK ALL.

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

4. Разбиваем конструкцию на конечные элементы:

а) Задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Global > Size и переменной SIZE присваиваем значение 0.008, нажимаем ОК.

б) Выполняем разбиение на конечные элементы:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Free > PICK ALL.

5. Задаем граничные условия.

Задаем температуру окружающей среды, контактирующей с поверхностью (естественная конвекция, т.е. модель находиться в окружающей ее среде с температурой среды 20 при этом температура среды не меняется).

Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Convection > On Areas > PICK ALL.

Присваиваем значение температуры 20. Нажимаем ОК.

Apply Film Coef on areas — применить коэффициент пленки на поверхности (позволяет задать постоянное значение состояния окружающей среды)

If Constant value then — если постоянное значение, то:

Val I Film coefficient — значение коэффициента пленки

Apply Bulk Temp on areas — применить среднюю температуру на поверхности (позволяет задать постоянное значение температуры окружающей среды)

If Constant value then — если постоянная температура, то:

Val I Bulk temperature — значение средней температуры

Load key, usually face no (required only for shell elements) — загрузка ключа, обычно не с лицевой стороны (требуется только для элементов оболочки)

6. Задаем источники тепла.

Источник тепла (мощность тепловыделения) будем задавать через тепловой поток.

Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Flow> On Nodes

Выделяем узлы тепловыделяющего элемента и нажимаем APPLY и так со всеми тепловыделяющими элементами.

Выглядит это так:

№ Элемента	Мощность, Вт	Мощность в узле, Вт
1	4	Вт/число узлов
2	4	Вт/число узлов
3	2	Вт/число узлов

Вт/число узлов — мощность деленная на число выделенных узлов (пример: ),

т.е. 22 узла по 0,1818182 Вт.

HEAT должно быть подсвечено. (выделите HEAT мышью)

Примечание:

Если вы случайно выделили не тот узел, то для его отмены нужно сделать клик по ПКМ при этом курсор мыши поменяет свое направление и снова указать на неправильно выбранный узел нажав ЛКМ, подсветка узла исчезнет.

Для удаления наложенных условий или нагрузки воспользуйтесь: MAIN MENU=>SOLUTION=>DEFINE LOADS=>DELETE в этом разделе вы можете выбрать интересующий вас раздел(нагрузка или граничные условия) выделить соответствующий элемент, объем, узел, поверхность и т.д.и нажать ОК или же нажать PICK ALL если вам надо полностью снять нагрузку или граничные условия.

Если же вы решили изменить какие-либо условия, то для начала их надо удалить, а потом наложить новые.

10. Выполняем расчет:

Main Menu > Solution > Solve > Current LS > OK.

У вас спрашивают запрос на расчет, нажимаете ОК.

Появляется сообщение:

Делает предупреждение и спрашивает стоит ли продолжать расчет. Говорим YES.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

11. Просматриваем результаты расчета:

а) Картина распределения температуры:

Main Menu > General Postproc > Plot Result > Contour Plot > Nodal Solu… > Of Solution > OK.

б) График температуры на заданном пути:

Задаем путь: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Define Path > By Nodes выделяем два узла: 1 начало, 2 конец, и нажимаем ОК, переменной NAME присваиваем имя, например TEMP,

и нажимаем ОК .

Определяем, что выводить на графике: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Map onto Path…, где выбираем PDEF значение DOF SOLUTION и переменной PBC устанавливаем галочку YES и нажимаем ОК.

Вводим в Main Menu > General Postproc > Path Operations > Plot Path Item > On Graph выбираем заданное имя пути TEMP и нажимаем ОК, в результате выводим график температуры на заданном пути.

в) График величины теплового потока по заданному пути:

определяем, что выводить на графике: Main Menu > General Postproc > Path Operations > Map onto Path…, где выбираем PDEF значение FLUX & GRADIENT, THERMAL FLUX TFSUM и нажимаем ОК.

Вводим в Main Menu > General Postproc > Path Operations > Plot Path Item > On Graph выбираем TFSUM и нажимаем ОК.

В результате получаем график величины теплового потока по заданному пути.

Задания

Выбор задания производить по номеру варианта

Номер варианта	1	2	3	4	5	6	7	8
Размер ФУ, мм
Толщина подложки, м	0,0005	0,001	0,002	0,0025	0,003	0,001	0,002	0,003
Толщина основания, м	0,004	0,004	0,004	0,004	0,004	0,004	0,004	0,004
Материал подложки	поликор	поликор	поликор	поликор	поликор	поликор	поликор	поликор
Материал основания	латунь	латунь	латунь	латунь	латунь	латунь	латунь	латунь

№ варианта	Мощность, Вт	Мощность в узле, Вт
1	1,2,3	Вт/число узлов
2	3,4,5	Вт/число узлов
3	5,3,2	Вт/число узлов
4	6,2,8	Вт/число узлов
5	4,9,3	Вт/число узлов
6	4,6,8	Вт/число узлов
7	7,2,1	Вт/число узлов
8	4,5,6	Вт/число узлов

Расположение элементов:

а — величина равная 1 мм

Толщину элементов брать равной 0,5 мм

Содержание работы

1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания.

3. Ознакомиться с порядком выполнения работы.

4. Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

5. Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

— рисунок интегральной схемы узла РЭА с тепловыделяющими элементами

— краткое описание всех шагов температурного расчета

— исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

— карта распределения температуры, графики распределения температуры на заданном пути

— краткая характеристика используемого метода и оценка полученных результатов

Контрольные вопросы

1. Как формулируется задача моделирования теплового поля интегральной схемы?

2. Каким образом осуществляется учет начальных и граничных условий?

3. В чем сущность метода конечных элементов?

4. Могут ли тепловыделяющие элементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

5. Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

6. Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1. Маквецов Е.Н. Модели из кубиков. М: Сов.радио,1978.-192с.:ил.

2. Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

3. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

4. Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ http:// www.ans.com.ru]

4.1.2 Расчет изгибных колебаний печатного узла в САПР ANSYS

Цель работы

Познакомиться с методами моделирования механических полей в конструкциях РЭА, с принципами построения практических алгоритмов.

Получить практические навыки решения задач моделирования механического поля интегральных схем с использованием ЭВМ.

Исходные данные

Задачи моделирования механических полей в конструкциях РЭА, работающих в условиях сложных внешних механических воздействий, возникают в связи с необходимостью выполнения динамических расчетов с целью определения запасов прочности конструкций, вычисления собственных резонансных частот и коэффициентов усиления на них, вычисления нагрузок, воздействующих на радиодетали. Подобные задачи относятся к нестационарным краевым задачам теории упругости.

Математическая формулировка задачи

В лабораторной работе ограничимся моделированием изгибных колебаний печатного узла (рис.4.10) с закрепленными на ней радиоэлементами. Радиоэлементы имеют произвольную форму и могут быть произвольно расположены на поверхности. Размеры, массы радиоэлементов и их расположение на поверхности печатного узла известны.

моделирование физический поле тепловой

Рис. 4.10. Печатный узел

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов [1] (который и используется в настоящей работе), позволяющей свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Рассмотрим двумерную область D с границей S (рис. 4.11, а), являющуюся плоской проекцией упругого тела толщины t. На части АT наружной граничной поверхности прилагается распределенная нагрузка, которая в любой точке может быть выражена в виде силы Т, приложенной к единичной площади. Нагружение равномерно вдоль толщины t, и часть ST граничной кривой соответствует части АT наружной поверхности. Обозначая через Тx и Тy соответственно x- и y-компоненты матрицы Т в точке, матрицу поверхностных напряжений Т в точке можно записать следующим образом:

. (1)

Пусть Р — массовые силы на единицу объема и U — вектор перемещений в точке аналогично заданы через их x- и y-компоненты соответственно в виде:

, . (2)

Для двумерных задач механики твердого тела на основе принципа минимума потенциальной энергии можно получить следующий функционал:

, (3)

где векторы деформаций и напряжений определяются матрицами:

, , (4)

а на объем V и внешнюю поверхность Ат действуют соответственно силы Р и Т (рис. 4.11).

рис. 4.11. Двумерное упругое тело, разбитое на конечные элементы.

а — двумерная область; б — типичный элемент е.

В выражениях (4) величины , и , представляют собой нормальные деформации и напряжения в направлениях x и y соответственно, — деформация сдвига, а — касательное напряжение.

Первый нижний индекс при обозначает ось, нормальную к плоскости касательных напряжений, а второй указывает ось, параллельную касательной силе.

На основе принципа минимума потенциальной энергии можно показать, что поле перемещений, удовлетворяющее уравнениям равновесия (и совместимости) для двумерной задачи упругости, также минимизирует функционал, заданный уравнением (3)

Для разбиения, показанного на рис. 4.11, а, выражение (3) может быть записано в виде:

, (5)

где — элементная подобласть, — ее толщина, а l — общее число элементов в системе. Последний справа член не равен нулю лишь для элементов, расположенных вдоль границы ST . Матрицы , и для каждого элемента могут быть выражены через элементный вектор узловых перемещений ; как показано ниже, это позволяет определить в виде функции вектора узловых перемещений системы . Кроме того, смещения внутри элемента выражаются через узловые смещения с использованием базисных функций:

. (6)

Здесь — матрица базисных функций элемента, а — вектор узловых перемещений элемента, определяемый выражением . С целью упрощения записи в оставшейся части этого раздела индекс е будет опускаться, если контекст исключает возможность недоразумений.

В случае линейных треугольных элементов, выбранных для рассматриваемой задачи, выражения перемещений и через базисные функции имеют вид:

, (7)

где , , — x — компоненты, а , , — y — компоненты узловых перемещений соответственно (рис. 2, б).

Используя (2) и (7), можно записать выражение (6) следующим образом:

В двумерном случае деформации связаны с перемещениями стандартными соотношениями:

Используя (9), матрицу деформаций можно записать в виде:

(10)

Подстановка (6) в (10) дает:

(11)

где матрица В определена самим равенством. Можно просто показать, что для рассматриваемого трехузлового линейного элемента матрица В имеет вид:

(12)

Теперь выражая через и подставляя из (11), можно определить матрицу напряжений в терминах . Для плоских напряжений (равно нулю напряжение , нормальное к рассматриваемому плоскому телу) из учебников по теории упругости известны соотношения:

(13, а)

(13, б)

(13, в)

С использованием (13) может быть записано как:

(14)

где Е — модуль упругости Юнга и — коэффициент Пуассона.

Решая (14) относительно получаем

(15)

или, проще,

(16)

где D определяется выражением (15).

Соотношение (16) также применимо к задачам о плоской деформации, но в этом случае матрица D имеет вид:

(17)

Заметим попутно, что матрица D в равенствах (15) и (17) симметрична. Наконец, подставляя (6), (11) и (16) в (5), получаем следующее выражение для функционала :

(18)

где матрица Dзадана либо равенством (15), либо равенством (17) в зависимости от того, рассматривается ли задача о плоских напряжениях или о плоских деформациях.

Теперь из уравнения (18) получаем элементное матричное уравнение дифференцированием элементного вклада по ,

(19)

Уравнение (19) можно записать в стандартной форме:

(20)

(21, а)

(21, б)

(21, в)

а нижний индекс е у в (20) [а также в (1), (18) и (19)] опущен.

Матрицы в выражениях (21) не зависят от переменных интегрирования и могут быть вынесены за знак интеграла. Остающийся интеграл равен — площади треугольника, так что элементная матрица жесткости принимает вид:

(22)

Так как размерность матрицы равна [см. (6) и (8)], то матрица имеет размерность . Равенство (22) задает элементы в виде функций от Е, и узловых координат элемента. Таким образом, для случая плоских напряжений имеем:

(23)

Для других элементов получаются аналогичные выражения.

Подстановка из (8) и Р из (2) в (21, б) позволяет записать вектор столбец в виде:

(24)

Если и внутри элемента полагаются постоянными (например, равными их средним значениям), то интегрирование в (24) выполняется легко. Так, для второго элемента получаем:

(25)

где — постоянное или среднее значение для элемента е.

Обобщая, можно показать, что пары элементов в матрице , соответствующие локальным номерам узлов i = 1, 2, 3, могут быть записаны в виде:

(26)

Матрица граничных нагрузок, задаваемая равенством (21, в), может быть вычислена в форме, идентичной (26), но с заменой величин , на , и с интегрированием по вместо . Из этого соотношения при условии, что i — граничный узел, как показано на рис. 3, соответствующая пара элементов в матрице определяется выражением:

(27)

где — длина стороны элемента вдоль ST. При выводе (27) приложенные нагрузки и предполагались постоянными вдоль границы элемента (например, равными их средним значениям).

Так как для этого элемента пробная функция линейна, то базисная функция может быть записана (рис. 3) в виде линейного выражения:

(28)

относительно s. После подстановки (28) в (27) и интегрирования получается следующее выражение для :

(29)

Для узла j рассматриваемого элемента (рис. 3) соотношение заменяет (28), но легко можно проверить, что последующее интегрирование дает выражение, идентичное (29). Следовательно, равенство (29) применимо к любому узлу элемента, лежащему на границе ST. Для узла, не лежащего на границе, правая часть (29), конечно, должна быть заменена нулем. Так, если узлы 2, 3 лежат на границе ST , а узел 1 — нет, то будет иметь вид:

(30)

Следовательно, в случаях плоских деформаций или плоских напряжений выбор трехузловых треугольных элементов с линейными пробными функциями позволяет относительно легко определить элементное матричное уравнение в виде (20). Затем обычным образом осуществляются объединение этих элементных матричных уравнений в матричное уравнение системы и учет заданных перемещений. Решение этого уравнения дает узловые перемещения, а затем по формулам (11) и (16) определяются напряжения и деформации.

Для трехузлового треугольного элемента, использованного в этом разделе, линейная пробная функция соответствует линейному распределению перемещений на элементе. Однако распределение деформаций является постоянным, как это видно из равенства (10). По этой причине элемент часто называется треугольным с постоянной деформацией. Можно, конечно, использовать и другие элементы при соответствующей модификации формулировок.

Методика решения задачи.

Исходной информацией для моделирования является топологический чертеж РЭА.

Рассмотрим моделирование изгибных колебаний печатного узла с радиоэлементами (рис. 4.12) при ударном воздействии. Печатный узел укрепляется в пазах с помощью выступов. Материал подложки стеклотекстолит со следующими характеристиками:

— Модуль Юнга 2,1*1010 Па

— Коэффициент Пуассона 0,279

— Плотность материала 1800 кг/м3

Толщина платы 3 мм.

Все радиоэлементы имеют одинаковую массу 0.010 кг.

Определить прогибы интегральной схемы.

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования механического поля печатного узла и реализует следующие режимы работы:

— ввод исходных данных

— коррекция исходных данных

— провести модальный анализ

— представление результатов в графическом виде

— считать результаты расчета по нескольким формам колебаний

— сформировать анимационный файл для указанной в варианте моды

Порядок выполнения работы:

1. Определяем тип анализа:

Main Menu > Preferences > Structural > Ok таким образом формируется меню под механический расчет.

2. Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбрать тип элемента:

Main Menu > Prepocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Structural Shell Elastic 4node 63 задаем тип разбиения (описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > Ok > Close

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

? Add — позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

? Options — позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

? Delete — кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

? Close — закрывает диалоговое окно

? Help — выводит на экран справку

При выполнении работы не забывайте периодически сохраняться (лучше на некоторых законченных этапах делать версии работы для удобства редактирования). Сохранить работу можно File => Save as… или в сервисном меню SAVE_DB(если проект уже существует). Внимание, воспринимается только английский текст. Для чтения данных с файла пользуйтесь закладкой RESUM_DB.

3. Выбираем свойства материала и задаем его характеристики:

Задаем модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала:

Main Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните:

Structural > Linear > Elastic > Isotropic.

В окне Linear Isotropic Properties for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:

EX — модуль Юнга в соответствующем направлении.

PRXY — коэффициент Пуассона в соответствующих направлениях. Использование свойств однородности (Isotropic) элемента. Чтобы это учесть, нам надо тепловые потоки направить в основание подложки, т.е. по оси OY.

Задаем плотность материала:

Main Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models > Structural > Density > DENS=1800 (кг/м3) (согласно варианту).

Задаем толщину печатной платы:

Main Menu > Preprocessor > Real Constant > ADD/EDIT/DELETE > ADD > Ok > SHELL THICKNESS AT NODE I TK(I) = 0.003 > Ok > Close.

Element Type Reference No. 1 — Ссылка на тип элемента номер 1

Real Constant Set No. — Реальный постоянный набор номер

Shell thickness at node I TK(I) — Толщина платы в узле I TK (I)-

at node J TK(I) — в узле J TK(I)

at node K TK(I) — в узле K TK(I)

at node L TK(I) — в узле L TK(I)

1.Создаем функциональный узел:

а) интегральная схема 48Ч60 мм2

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

и задать координаты X1, X2 и Y1, Y2 равные 0, a и 0, b > Ok.

Толщина интегральной схемы 3 мм.

Создаем конструкцию посредствам логического вычитания геометрических объектов.

Выделяем объекты, которые необходимо вырезать:

прямоугольник со сторонами 10 мм и 8 мм по осям OX и OY соответственно:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

далее задаем указанные координаты и нажимаем OK.

Аналогично выделяем остальные прямоугольники.

Получаем:

Вычитаем геометрические объекты, которые мы выделили:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > AREAS, затем нажимаем на прямоугольник и на OK, далее нажимаем на выделенные нами объекты, потом на OK.

б) устанавливаем радиоэлементы на подложку:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > BLOCK > BY DIMENSIONS.

Создаем радиоэлементы в соответствии с ниже приведенной таблицей (значения указаны в метрах):

Детали
X1	X2	Y1	Y2	Z1	Z2
Элемент 1
0.010	0.020	0.016	0.026	0.003	0.005
Элемент 2
0.010	0.020	0.034	0.044	0.003	0.005
Элемент 3
0.028	0.038	0.016	0.026	0.003	0.005
Элемент 4
0.028	0.038	0.034	0.044	0.003	0.005

Вводим координаты первого радиоэлемента, нажимаем Apply, после чего вводим координаты второго и т.д.

Соединяем поверхности друг с другом:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Volumes > Pick All

Теперь объединяем все элементы:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Volumes > Pick All

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

5. Разбиваем конструкцию на конечные элементы:

а) Задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manual Size > Global > Size и переменной SIZE присваиваем значение 0.008, нажимаем ОК.

б) Выполняем разбиение на конечные элементы:

Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Volumes > Free > PICK ALL.

6. Проводим модальный анализ:

Задаем тип анализа:

Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Modal > OK.

7. Задаем граничные условия.

Задаем условия закрепления интегральной схемы:

Main Menu > Solution > Define Loads > Displacement > On Lines далее указать линии и условия закрепления (степени свободы) согласно варианту.

Получаем:

Настроить параметры анализа:

Main Menu > Solution > Analysis Options > MODOPT=Block Lanczos, No. of modes to extract=10, MXPAND=Yes, NMODE=10, ELCALC=No, LUMPM=No, PSTRES=No > OK

Mode extraction method — Метод извлечения способа

No.of modes to extract (must be specified for all methods except the Reduced method) — Номер моды, которую извлекаем (должен быть определен для всех методов кроме Уменьшенного метода),

Expand mode shapes — Расширить формы способа

No.of modes to expand — Номер моды, которую расширяем

Elcalc Calculate elem result? — Вычисляем элементарный результат?

Use lumped mass approx will be used — Использовать приблизительную массу, которая будет использоваться

Ind prestress effects? — Предподчеркивать эффекты?

Memory save — Экономия памяти

— Only applies if the PowerDinamics method is selected — Применяется только, если отобран метод Силовой Динамики.

В появившемся окне устанавливаем: FREQB=0, FREQE=10000 > OK.

Start Freq (initial shift) — Начальная Частота (начальное изменение)

End Frequency — Конечная частота

Normalize mode shapes — Нормализуйте формы способа

10. Выполняем расчет:

Main Menu > Solution > Solve > Current LS > OK.

У вас спрашивают запрос на расчет, нажимаете ОК.

Появляется сообщение:

Делает предупреждение и спрашивает стоит ли продолжать расчет. Говорим YES.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

11. Просматриваем результаты расчета:

Считываем результаты расчета по первой форме колебаний (моде):

Main Menu > General Postproc > Read Results > First Set.

Вывести результат расчета первой моды на экран:

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solution > DOF Solution > Z — Component of displacement > OK.

Для просмотра следующей моды считать следующий результат расчетов: Main Menu > General Postproc > Read Results > Next Set.

Для вывода на экран результата повторить:

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solution > DOF Solution > Z — Component of displacement > OK.

Номер моды соответствует количеству выполнения команды Next Set + 1.

12. Сформировать анимационный файл для указанной в варианте моды:

Plot CTRLS > Animate > Mode Shape… > No. of frames to create=10, Time delay=0.5, Acceleration type=Linear, Display type=DOF Solution > UZ > OK.

Задания:

Выбор печатной платы производить по номеру варианта

Таблица №1. Варианты.

№ варианта	Материал	Толщина, мм	Размеры, мм	Способ закрепления	№ моды
			a	b
1	стеклотекстолит	0,5	48	60		3
2	текстолит	1	24	60		4
3	гетинакс	2	30	48		5
4	стеклотекстолит	3	15	24		5
5	текстолит	1	12	15		4
6	гетинакс	1,5	48	60		6
7	поликор	1	30	48		8
8	поликор	3	24	60		2

Таблица №2. Параметры материалов.

Материал	Модуль Юнга, Па	Коэффициент Пуассона	Плотность, кг/м3
стеклотекстолит	2,1*1010	0,279	1800
текстолит	1*1010	0,3	1400
гетинакс	1,5*109	0,3	1350
фторопласт	9*108	0,38	2100

Содержание работы

1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания.

3. Ознакомиться с порядком выполнения работы.

4. Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

5. Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

— рисунок печатного узла узла РЭА

— краткое описание всех шагов модального расчета

— исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

— формы собственных колебаний (10 первых).

— таблица частот собственных колебаний и максимальных перемещений узлов интегральной схемы.

— выводы.

Контрольные вопросы

1. Как формулируется задача моделирования механического поля интегральной схемы?

2. Каким образом осуществляется учет начальных и граничных условий?

3. В чем сущность метода конечных элементов?

4. Могут ли радиоэлементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

5. Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

6. Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1. Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

2. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

3. Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ http:// www.ans.com.ru]

4. О.Д. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. М: Радио и связь — 1989 г.

4.1.3 Расчет электромагнитного поля интегральной схемы

Цель работы

Познакомиться с методами моделирования электромагнитных полей в конструкциях РЭА, с принципами построения практических алгоритмов.

Получить практические навыки решения конкретных задач с использованием ЭВМ.

Исходные данные

При создании ТКЭ, работающих на высоких частотах, уже нельзя пренебрегать размерами проводников, соединяющих элементы схемы, поскольку они могут становиться соизмеримыми с длиной волны. Более того, выбирая их геометрические размеры и расположение соответствующих образом, можно значительно улучшить параметры проектируемого устройства. Для реализации такой возможности нужно иметь связь геометрических параметров устройства с его электрическими параметрами, что приводит к необходимости моделирования электромагнитного поля в конструкции.

Математическая формулировка задачи

В лабораторной работе ограничимся моделированием электромагнитного поля микрополосковых проводников интегральных схем (рис.4.13).

Рис.4.13 Интегральная схема

Одним из методов решения подобных задач является метод конечных элементов[19] (который и используется в настоящей работе), позволяющей свести задачу к форме, удобной для реализации на ЭВМ. При этом основная трудность заключается в обоснованном формировании уравнений, начальных и граничных условий, удовлетворяющих поставленной задаче.

Применительно к задачам электро- и магнитостатики при граничных условиях I рода (условия Дирихле) минимизируемым функционалом является величина, пропорциональная запасенной в пространстве электрической ( или магнитной) энергии:

Так как , то минимизируемый функционал можно записать в виде

а искомой (минимизирующей) функцией будет .

Задача расчета поля сводится к нахождению такой функции , при которой .

В классической теории поля вариационным методом решено множество разнообразных задач. В настоящее время широко применяется численный метод решения вариационных задач, ориентированный на применение ЭВМ — метод конечных элементов.

Суть метода заключается в следующем.

Область решения разбивается на конечные элементы. В качестве функционала выступает сумма электрических энергий, накопленных во всех элементах. Так как элементы соприкасаются друг с другом, у них есть общие точки. Энергия элементов выражается через потенциалы этих общих точек.

где N — число этих общих точек.

Вычисляются такие значения потенциалов общих точек, при которых W — минимальна. В дальнейшем задача сводится к формированию и решению системы алгебраических уравнений, неизвестными величинами в которых являются потенциалы общих точек элементов.

Рассмотрим пример формирования системы уравнений при решении двумерной задачи в декартовой системе координат.

Рис. 4.14. Разбиение области на конечные элементы

Пусть в области G надо найти решение уравнения Лапласа, удовлетворяющее условию Дирихле на границе L этой области. Область G разбиваем на конечные элементы. Выбираем в качестве элементов простейшие фигуры — треугольники.

Один из элементов с номером i представлен на рис.4.14. Положение i — го элемента определяется координатами его вершин m,n, p (xm , ym , xn , yn , xp ,yp). Внутри каждого элемента искомую функцию представляем так называемой пробной функцией, удовлетворяющей следующим требованиям:

1) пробная функция должна позволять вычислить , т.е. иметь кусочно-непрерывную первую производную;

2) пробная функция должна позволять аналитически вычислять энергию элемента, т.е. интеграла (в предложении постоянства диэлектрической проницаемости внутри элемента):

Отметим, что пробные функции не обязательно должны удовлетворять уравнению Лапласа. Как правило, для всех конечных элементов выбираются пробные функции одного вида.

Простейшей пробной функцией является линейная

, (1)

где , , — параметры аппроксимации.

Эта функция удовлетворяет указанным выше требованиям:

1) ; (2)

2) ,

где — площадь треугольника

Коэффициенты аппроксимации , , могут быть найдены через потенциалы вершин треугольника.

, (3)

где В — координатная матрица i-го элемента.

Решением (3) является

. (4)

При этом (знак определяется порядком следования индексов — минус соответствует следованию индексов m, n, p по часовой стрелке).

По (4) представим и в виде:

Подставим эти значения в (2):

Для N элементов:

Очевидно, что , где m — общее число вершин треугольников.

Производные от этого выражения будут полиномами первой степени от потенциалов вершин треугольников. Например, дифференцируя по , получаем:

Условием минимума функции W является равенство нулю всех производных типа (5). В матричной форме это условие приобретает вид

, (6)

где К — матрица влияния, — элементы матрицы К.

Перенумеруем вершины треугольников так, чтобы начальными номерами обозначились вершины, не лежащие на границе области (неизвестные потенциалы), а последующими — вершины, лежащие на границе. В этом случае (6) примет вид:

, (7)

где — вектор-столбец неизвестных потенциалов, а — заданных.

Из (7)следует:

, (8)

откуда

. (9)

Для реализации метода на ЭВМ разработаны алгоритмы формирования матрицы влияния. После определения неизвестных потенциалов вершин треугольников, по (4) могут быть найдены параметры аппроксимации, а затем по (1) — значения потенциалов любой точки области.

Для повышения точности решения задач методом конечных элементов применяется либо увеличение числа конечных элементов, либо усложнение структуры пробных функций; при этом возрастает число граничных узлов. Метод конечных элементов может быть реализован при решении трехмерных задач, а также при граничных условиях второго и третьего рода. Помимо уравнений Лапласа — Пуассона метод КЭ применяется для решения ряда других уравнений математической физики.

Методика решения задачи.

Исходными данными для моделирования электромагнитного поля интегральной схемы являются:

? диэлектрические и конструктивные размеры подложки;

? размеры и расположение микрополоскового проводника;

? размер экрана.

Рис.4.15. Экранированная микрополосковая линия (дискретизация среды).

В качестве примера, произведем моделирование в программе ANSYS электромагнитного поля микрополосковой линии.

Исходные данные:

— относительная диэлектрическая проницаемость подложки

Программный пакет ANSYS, предназначенный для моделирования механического поля интегральной схемы реализует следующие режимы работы

— ввод исходных данных

— коррекция исходных данных

— провести модальный анализ

— представление результатов в виде карт распределения электрического и магнитного полей

Порядок выполнения работы:

1. Определяем тип анализа:

Main Menu > Preferences > High Frequency > Ok таким образом формируется меню под выполнение высокочастотного анализа.

2. Выбираем тип используемого элемента, задаем его толщину и определяемся со свойствами материала:

Выбрать тип элемента:

Main Menu > Prepocessor > Element Type > ADD/EDIT/DELETE > ADD > HF Electromagnet >2D Quad 118 задаем тип разбиения (описание смотреть в справочном приложении в конце методического пособия) > Ok > Close

В левом списке Library of Element Types расположены основные типы задач и соответствующие им категории элементов.

В диалоговом окне находятся несколько кнопок, выполняющие следующие действия:

? Add — позволяет добавить к списку используемых типов элементов новый тип.

? Options — позволяет настроить выбранный в списке тип элементов

? Delete — кнопка, позволяющая удалить выбранный в данный момент тип элементов.

? Close — закрывает диалоговое окно

? Help — выводит на экран справку

3. Выбираем свойства материала и задаем его характеристики:

Задаем свойства материала (подложка):

Main Menu > Prepocessor > Material Props > Material Models.

Затем выполняем действия:

а) Двойным нажатием левой кнопки мыши на указанные папки выполните:

Electromagnetics > Relative Permeability > Constant

В окне Permeability for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:

MURX — магнитная проницаемость материала.

В окне Relative Permittivity for Material Number 1 (материал интегральной схемы) заполняем таблицу, нажимаем Ок:

PERX — диэлектрическая проницаемость материала

Создаем второй материал, для этого выбираем:

Material > New Model…

Аналогично задаем свойства для второго материала (воздух):

Permeability (Constant) — MURX = 1 — магнитная проницаемость;

Permittivity (Constant) — PERX = 1 — диэлектрическая проницаемость.

1.Создаем функциональный узел:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners

В появившемся окне задаются координаты нижнего левого угла прямоугольника и его размеры: длина и ширина.

В нашей работе необходимо создать две плоскости размером 8х2 и 8х6, соответственно для подложки и воздушного пространства.

2. Соединяем поверхности друг с другом:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Partition > Area > Pick All

Теперь объединяем все элементы:

Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Area > Pick All

Таким образом, мы получаем единую конструкцию.

5. Присваиваем свойства плоскостям и создаем конечно-элементную сетку:

а) назначаем каждому элементу свой матриал:

Main Menu > Preprocessor > Meshing>Mesh Tool

В появившемся окне в разделе Element Attributes выбираем Area и нажимаем Set.

Далее выбираем одну из областей (подложка или воздух) и нажимаем Apply, напротив Material number выбираем номер материала соответствующий той или иной среде.

Повторяем те же действия и для другого материала.

Material number — Номер материала

Real constant set number — Реальное постоянное число набора

Element type number — Номер типа элемента

Element coordinate sys — Координата элемента

Element section — Секция элемента

б) задаем тип и шаг разбиения полученной конструкции на конечные элементы:

В разделе Size Controls окна Mesh Tool, нажимаем Set напротив Area.

Выделяем обе плоскости и нажимаем OК.

В окне Element Size at Picked Areas указываем шаг разбиения (размер стороны квадрата) 0,01 м и нажимаем OК.

Затем в разделе Mesh окна Mesh Tool устанавливаем Area, в разделе Shape выбираем Quad и Mapped и нажимаем Mesh, после чего выделяем все области и нажимаем OК.

Получаем:

2. Задаем граничные условия:

Так как по условию микрополосковая линия изолирована со всех сторон экраном, то тогда ко всем сторонам применим условие идеального проводника:

Main Menu > Preprocessor > Loads > DefineLoads > Apply > Electric > Boundary > Electric Wall > On lines

Затем выбираем внешние горизонтальные и вертикальные стороны и нажимаем ОК.

Для создания микрополоска применим этот же идеальный проводник но только не к линии, а к узлу:

Main Menu > Preprocessor > Loads > DefineLoads > Apply > Electric > Boundary > Electric Wall > By Nodes

и выделим узлы принадлежащие микрополоску по заданию.

Получаем:

3. Проводим анализ:

Задаем тип анализа:

Main Menu > Solution > Analisys Type > New Analisys > Modal > ОК

1. Выполняем расчет:

Main Menu > Solution > Solve > Electromagnet > HF Emag > 2D Freq Sweep

В появившемся окне устанавливаем значение частоты 3e9 напротив стартового значения, а остальные поля для задании частот делаем пустыми. Так же устанавливаем число Number of required modes = 1 (число необходимых модов) и нажимаем ОК.

Beginning frequency — Начальная частота

Ending frequency — Конечная частота

Frequency increment — Приращение частоты

NumMode Number of required modes — Число необходимых мод

После этого произойдет запуск анализа.

Расчет выполнен, закрываем сообщение.

2. Просматриваем результаты расчета:

Main Menu > General Postproc > Vector Plot > Predefind Vectors

Выбрав необходимый нам тип поля Е или Н, мы можем наблюдать распределение векторов в микрополосковой линии, а так же их скалярное значение.

Vector Plot of Predefined Vectors — Векторное Распределение Предопределенных Векторов

Item Vector item to be plotted — Зафиксируйте Векторный пункт по пунктам, который будет подготовлен:

Flux & gradient — Поток и градиент

Energy — Энергия

Current Density — Текущая Плотность

Mode Vector or raster display — Векторный или растровый способ показа

Vector Mode — Векторный Способ

Raster Mode — Растровый Способ

Loc Vector location for result — Местоположение Вектора для результата

Elem Centroid — Элементарная Средняя точка

Elem Nodes — Элементарные Узлы

Edge Element edges — Края Элемента

Hidden — Скрытый

Scaling of Vector Arrows — Вычисление Векторных Стрелок

Window Number — Номер окна

Scale factor multiplier — Множитель фактора масштаба

Vector scaling will be — Векторное вычисление будет

Vector plot based on — Векторное распределение основано на

Распределение магнитного поля:

Flux & gradient > Mag field H

Распределение электрического поля:

Flux & gradient > Elec field EF

Задания:

№ Варианта	Толщина подложки, м	Материал подложки	Диэлектрическая проницаемость
1	0,0005	поликор	9,6
2	0,001	бериллиевая керамика	8,12
3	0,002	ХС — 22	9,3
4	0,003	поликор	8,12
5	0,004	бериллиевая керамика	9,6
6	0,0025	поликор	8,12
7	0,003	ХС — 22	9,3

Содержание работы

1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания.

3. Ознакомиться с порядком выполнения работы.

4. Вызвать программу ANSYS ED 9.0 и решить поставленную задачу

5. Составить отчет о проделанной работе, в который должны войти:

— рисунок интегральной схемы узла РЭА

— краткое описание всех шагов модального расчета

— исходные данные и результаты решения задачи на ЭВМ

— карта распределения магнитного поля

— карта распределения электрического поля

— выводы.

Контрольные вопросы

1. Как формулируется задача моделирования электромагнитного поля интегральной схемы?

2. В чем сущность метода конечных элементов?

3. Какова структура электромагнитного поля в поперечном сечении экранированной микрополосковой линии с неоднородным заполнением?

4. Могут ли радиоэлементы иметь произвольную форму, размеры, произвольно располагаться на подложке?

5. Какие существуют основные типы элементов в программном продукте ANSYS?

6. Какой тип элемента использовался при проведении лабораторной работы, почему?

Список литературы

1. Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

2. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

3. Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [ http:// www.ans.com.ru]

5. Экономический раздел

5.1 Технико-экономическая целесообразность разработанной темы

Создание новой серии методических пособий требует учета многих факторов, одним из которых, важным является экономическая целесообразность, показывающая, какой ценой достигнут тот или иной результат. На современном этапе развития техники, оптимальным, с экономической точки зрения, является сочетание качества разработки, оптимальности внедрения и ее использования.

Экономичность можно определить затратами на разработку методических пособий, производство и эксплуатацию.

Рациональным использованием времени, труда и материальных средств диктуется необходимость ограничения затрат на разработку, производства и эксплуатацию серии методических пособий. Хотя при ее разработке большое значение имеет время на разработку, так же затраты на разработку, подготовку производства и изготовление. Имеется в виду, что данное разработка не будет серийно производиться, так как методические пособия будут использованы в рамках обучения студентов НГТУ. Поэтому установленные в расчете сроки не являются жесткими, хотя они и желательны.

В данном разделе приводится техническо-экономическое обоснование дипломной работы — расчет сметы затрат на проектирование, расчет основной заработной платы производственного персонала и экономического эффекта от внедрения по методике расчета.

5.2 Смета затрат на проектирование

В смету затрат на проектирование (НИР) включаются все затраты, связанные с его выполнением, независимо от источника их финансирования. Определение затрат на НИР производится путём составления калькуляции плановой себестоимости.

Целью планирования себестоимости проведения НИР является экономически обоснованное определение величины затрат на её выполнение. Она является основным документом, на основании которого осуществляется планирование и учёт затрат на выполнение НИР.

Калькуляция плановой себестоимости проведения НИР составляется по следующим статьям затрат: материалы, спецоборудование для научных работ, основная заработная плата, дополнительная заработная плата, единый социальный налог, прочие прямые расходы.

Далее в таблице 5.1 определяем список этапов НИР и их трудоемкость.

Таблица 5.1. Этапы НИР и их трудоемкость.

Этап НИР	Должность исполнителей	Трудоёмкость, чел/час
Анализ технического задания	Ведущий инженер	50
Сбор и анализ научно-технической литературы, подбор программных продуктов и других материалов, относящихся к теме исследования	Инженер	80
Разработка методических указаний по выполнению моделирования теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	160
Разработка методических указаний по выполнению моделирования изгибных колебаний печатного узла в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	160
Разработка методических указаний по выполнению моделирования электромагнитного поля интегральной схемы в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	160
Испытание опытного образца	Инженер	60
Отладка опытного образца	Инженер	36
Итого:	706

5.2.1 Материалы

К этой статье относятся затраты на сырьё, основные и вспомогательные материалы(за вычетом обратных отходов).

Затраты по этой статье определяются по действующим оптовым ценам с учетом транспортно-заготовительных расходов, величина которых составляет 7—10% от оптовой стоимости материалов, покупных полуфабрикатов и комплектующих изделий.

Список затрат по статье «Материалы» можно увидеть в таблице 5.2.

Таблица 5.2. Затраты по статье «Материалы».

Материалы и другие материальные ресурсы	Единица измерения	Потребное количество	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
Бумага	Лист А4, 1шт.	90	0.50	45
Картридж для принтера	1 шт.	1	260	260
Итого:	305

5.2.2 Спецоборудование для научных работ

К данной статье относятся затраты на приобретение или изготовление специальных приборов, стендов, аппаратов и другого специального оборудования, необходимого для выполнения НИР. Определение затрат по данной статье производится по фактической стоимости приобретения, т. е. по договорной цене с учетом транспортно-заготовительных расходов и затрат, связанных с установкой и монтажом специального оборудования, величина которых обычно составляет 12—15% от договорной цены специального оборудования. В данной НИР будут использоваться взятый в аренду 1 компьютера с установленным программным обеспечением и 1 принтер, это видно из таблицы 5.3.

Затраты на эксплуатацию комплекса технических средств (КТС) без учёта зарплаты персонала включают затраты на электроэнергию, которые приведены ниже.

Таблица 5.3. Затраты по статье «Спецоборудование для научных работ».

Спецоборудование	Кол-во, шт.	Цена за 1 день аренды, руб.	кол-во дней	Сумма, руб.
Компьютер	1	90	77	6930
Принтер	1	35	7	245
ANSYS ED 9.0	1
Итого:	7175

Расход электроэнергии на единицу продукции в натуральном выражении, необходимой для работы КТС, определяется по формуле:

Нэн = Мдв *Тштк, где:

— Мдв — выходная мощность КТС;

— Тштк — время работы КТС.

Мощность, потребляемая каждым компьютером равна 300Вт, принтером — 70Вт.

Норма расхода Нэн = (300Вт 8ч) 77+(70Вт 8ч) 7 = 188.72 кВт.

Затраты на электроэнергию рассчитываются по формуле:

, где:

— НЭН — норма расхода энергии;

— СЭН — стоимость единицы энергии (1кВ/ч = 1.23 руб.);

— ЗЭН = 188.72 1.23 = 232.13 руб.

В итоге по статье «Спецоборудование для научных работ» мы имеем:

7175 + 232.13 = 7407.13 руб.

5.2.3 Основная заработная плата производственного персонала

К статье «Основная заработная плата» относится основная заработная плата научных сотрудников, инженерно-технических работников, лаборантов, чертежников, копировщиков и рабочих, непосредственно занятых выполнением конкретной НИР, а также заработная плата работников нештатного (несписочного) состава, привлекаемых к ее выполнению. Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости, затрачиваемой ими на выполнение отдельных видов работ, и их средней заработной платы (ставки) за один рабочий день. Средняя заработная плата за один рабочий день определяется для каждой категории работающих исходя из месячного должностного оклада и количества рабочих дней в месяце. Средняя заработная плата за один рабочий день для рабочих определяется исходя из условий повременной системы оплаты труда. При заполнении таблицы указываются только те категории работающих, которые фактически участвуют в выполнении НИР.

Исходными данными для расчёта является трудоёмкость отдельных видов работ по категориям работающих таблицы 5.1.

Необходимо определить среднее количество рабочих дней в месяце, а так же среднюю продолжительность рабочего дня. Это потребуется для определения основной заработной платы на НИР. Примем:

— среднее количество рабочих дней в месяце — 22 рабочих дня;

— продолжительность рабочего дня — 8 часов.

Изходя из таблицы 1, делаем вывод, что на разработку серии методических работ потребуется 4месяца.

При этом основная заработная плата вычисляется по формуле:

, где:

— ЗП — основная заработная плата производственного персонала по НИР;

— q — число профессиональных групп исполнителей;

— Сi — усреднённая часовая тарифная ставка заработной платы одного работника профессиональной группы, руб./час;

— Ti — нормативное время каждой профессиональной группы на выполнение своей работы во всей НИР.

Перечень профессиональных групп исполнителей НИР, усреднённые часовые ставки заработной платы работников каждой группы и коэффициенты, соответствующие удельному весу каждой профессиональной группы в трудоёмкости НИР, представлены в таблице 5.4.

Таблица 5.4. Усреднённые часовые ставки исполнителей НИР.

Проф.группы исполнителей НИР	Часовая ставка, руб./час	Трудоёмкость, чел./час	Удельный вес трудозатрат в трудоёмкости НИР
Ведущий инженер	60	50	0,07
Инженер-конструктор	45	280	0,397
Технолог	45	200	0,283
Инженер	40	176	0,250
Итого:	706

В таблице 5.5 мы можем увидеть окончательный расчет основной заработной платы, оплачиваемой в процессе НИР.

Таблица 5.5. Расчёт фонда основной заработной платы.

Этап НИР	исполнитель	Часовая ставка, руб./час	трудоёмкость, чел/час	Всего, руб.
Анализ ТЗ	Ведущий инженер	60	50	3000
Сбор и анализ научно-технической литературы, подбор программных продуктов и других материалов, относящихся к теме исследования	Инженер	40	80	3200
Разработка методических указаний по выполнению моделирования теплового поля интегральной схемы в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	45	160	7200
Разработка методических указаний по выполнению моделирования изгибных колебаний печатного узла в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	45	160	7200
Разработка методических указаний по выполнению моделирования электромагнитного поля интегральной схемы в САПР ANSYS и заданий для студентов	Инженер-конструктор, технолог	45	160	7200
Испытание опытного образца	Инженер	40	60	2400
Отладка опытного образца	Инженер	40	36	1440
Итого:	706	31640

5.2.4 Дополнительные затраты

К статье «Дополнительная заработная плата» относятся выплаты, предусмотренные законодательством за непроработанное (неявочное) время: оплата очередных и дополнительных отпусков, оплата времени, связанного с выполнением государственных и общественных обязанностей, выплаты вознаграждений за выслугу лет и др. Размер дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР, определяется в процентах от их основной заработной платы. В научных учреждениях этот размер составляет примерно 10-12% от основной.

В итоге: 31640*0.12 = 3796,8 руб.

На статью «Отчисления на социальное страхование» относятся отчисления на оплату перерывов в работе по временной нетрудоспособности. Размер отчислений на социальное страхование определяется в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР. В научных учреждениях отчисления на социальное страхование составляет 26% от суммы основной и дополнительной заработной платы.

В итоге: (31640 + 3796,8) ?0.26 = 9214 руб.

К статье «Прочие прямые расходы» относятся расходы на приобретение и подготовку материалов специальной научно-технической информации, оплата всех видов услуг связи, расходы на приобретение литературы, оплата услуг страховой и пожарной охраны, налоги, сборы, расходы по подготовки научных кадров. Прочие прямые расходы принимают равными 10% от основной заработной платы.

В итоге: 31640?0.1 = 3164 руб.

Суммы затрат по статьям и итоговая смета затрат на проектирование приведены в таблице 5.6.

Таблица 5.6. Итоговая смета затрат на проектирование.

Статья затрат	Сумма, руб.
Материалы	7175
Спецоборудование для специальных (экспериментальных) работ	7407.13
Основная заработная плата	31640
Дополнительная заработная плата	3796,8
Отчисления на социальное страхование	9214
Прочие прямые расходы	3164
Итого:	62397

6. Охрана труда

6.1 Обеспечение требований охраны труда при работе с ПЭВМ

6.1.1 Введение

Современный период развития цивилизованного общества по праву называют этапом информатизации. Характерной чертой этого периода является тот факт, что доминирующим видом деятельности в сфере общественного производства, повышающим его эффективность и наукоемкость, становится сбор, продуцирование, обработка, хранение, передача и использование информации, осуществляемые на базе современных информационных технологий.

Информатизация общества — это глобальный социально-экономический процесс, характеризующийся интенсивным производством и использованием информации в качестве общественного продукта, обеспечивающего интенсификацию всех сфер экономики, ускорение научно-технического прогресса, интеллектуализацию всех видов человеческой деятельности, интенсификацию процессов обучения и подготовки кадров, развитие творческого потенциала членов общества и, как следствие этого, демократизацию общества, повышение уровня благосостояния народа.

Одним из главных направлений процесса информатизации современного общества становится информатизация образования, обеспечивающая широкое внедрение в практику реализацию идей развивающего обучения, совершенствование форм и методов организации учебного процесса.

Реализация идей информатизации образования возможна в условиях использования в сфере образования перспективных моделей ЭВМ, обеспечивающих, во-первых, знакомство учащихся с современными программными средствами, требующими работы с большими объемами информации, во-вторых, обеспечивающих работу со специальным периферийным оборудованием (блоки АЦП и ЦАП для персональной компьютерной лаборатории, учебные роботы и обрабатывающие комплексы и т.д.). В связи с этим особое значение приобретает также и роль кабинета, в котором должны проводиться лабораторные занятия.

Данный раздел дипломного проекта посвящен рассмотрению следующих вопросов

— определение оптимальных условий труда инженера — программиста

— расчет освещенности

6.1.2 Характеристика условий труда инженера — программиста

Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областях деятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов электромагнитных полей (диапазон радиочастот ВЧ, УВЧ и СВЧ), инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др. [21,22].

Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы инженера — программиста.

В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.

6.1.3 Требования к производственным помещениям

6.1.3.1 Окраска и коэффициенты отражения

Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения.

Источники света, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхности экрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехи физиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении, особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичных источников света, должно быть сведено к минимуму. Для защиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны [23].

В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола

окна ориентированы на юг — стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета пол — зеленый

окна ориентированы на север — стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета пол — красновато-оранжевый

окна ориентированы на восток — стены желто-зеленого цвета

пол зеленый или красновато-оранжевый

окна ориентированы на запад — стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета пол зеленый или красновато-оранжевый.

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения для потолка 60 — 70%, для стен 40 — 50%, для пола около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели 30 — 40%.

6.1.3.2 Освещение

Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Существует три вида освещения — естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе) [24].

Естественное освещение — освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений. Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.

Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день). Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее — освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное — освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.

Согласно СНиП II-4-79 в помещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,30,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,51,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно [23].

Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная — 750лк аналогичные требования при выполнении работ средней точности — 200 и 300лк соответственно.

Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.

6.1.3.3 Параметры микроклимата

Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения (см. табл. 6.1) [22].

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5м3/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.1 Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры

Период года	Параметр микроклимата	Величина
Холодный	Температура воздуха в помещении Относительная влажность Скорость движения воздуха	22…24 0С 40…60 % до 0,1 м/с
Теплый	Температура воздуха в помещении Относительная влажность Скорость движения воздуха	23…25 0С 40…60 % 0,1…0,2 м/с

Таблица 6.2 Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры

Характеристика помещения

Объемный расход подаваемого в помещение свежего воздуха, м3/на одного человека в час

Объем до 20 м3 на человека

Объем 20…40 м3 на человека

Объем более 40 м3 на человека

Не менее 30

Не менее 20

Естественная вентиляция

Для обеспечения комфортных условий используются как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).

6.1.3.4 Шум и вибрация

Шум ухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [выше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере [24].

В табл. 6.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности

Таблица 6.3 Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах.

Категория напряженности труда	Категория тяжести труда
	I.Легкая	II.Средняя	III.Тяжелая	IV.Очень тяжелая
I.Мало напряженный	80	80	75	75
II. Умеренно напряженный	70	70	65	65
III.Напряженный	60	60	—	—
IV.Очень напряженный	50	50	—	—

Уровень шума на рабочем месте инженеров-программистов не должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительных машинах — 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.

6.1.3.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения

Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются [22].

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в табл. 6.4.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10…100мВт/м2.

Таблица 6.4 Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Наименование параметра	Допустимые значения
Напряженность электрической составляющей электромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора	10 В/м
Напряженность магнитной составляющей электромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора	0,3 А\м
Напряженность электростатического поля не должна превышать: для взрослых пользователей для детей дошкольных учреждений и учащихся средних специальных и высших учебных заведений	20кВ/м 15кВ/м

Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.

6.2 Эргономические требования к рабочему месту

Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены следующие основные условия оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения.

Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементов рабочего места [25].

Главными элементами рабочего места инженера — программиста являются стол и кресло. Основным рабочим положением является положение сидя.

Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление инженера — программиста. Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.

Моторное поле — пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.

Максимальная зона досягаемости рук — это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.

Оптимальная зона — часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.

Оптимальное размещение предметов труда и документации в зонах досягаемости:

Дисплей размещается в зоне а (в центре)

Системный блок размещается в предусмотренной нише стола

Клавиатура — в зоне г/д

Мышь — в зоне в справа

Сканер в зоне а/б (слева)

Принтер находится в зоне а (справа)

Документация необходимая при работе — в зоне легкой досягаемости ладони в, а в выдвижных ящиках стола — литература, неиспользуемая постоянно.

Рис 6.1. Размещение основных и периферийных устройств ПК

На рис. 6.1 показан пример размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столе программиста.

1 сканер, 2 монитор, 3 принтер, 4 поверхность рабочего стола,

5 клавиатура, 6 манипулятор типа мышь.

Для комфортной работы стол должен удовлетворять следующим условиям [25]

— высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники

— нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы программист мог удобно сидеть, не был вынужден поджимать ноги

— поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появление бликов в поле зрения программиста

— конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящиков (не менее 3 для хранения документации, листингов, канцелярских принадлежностей).

— высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760мм. Высота поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна быть около 650мм.

Большое значение придается характеристикам рабочего кресла. Так, рекомендуемая высота сиденья над уровнем пола находится в пределах 420-550мм. Поверхность сиденья мягкая, передний край закругленный, а угол наклона спинки — регулируемый.

Необходимо предусматривать при проектировании возможность различного размещения документов сбоку от видеотерминала, между монитором и клавиатурой и т.п. Кроме того, в случаях, когда видеотерминал имеет низкое качество изображения, например заметны мелькания, расстояние от глаз до экрана делают больше (около 700мм), чем расстояние от глаза до документа (300-450мм). Вообще при высоком качестве изображения на видеотерминале расстояние от глаз пользователя до экрана, документа и клавиатуры может быть равным.

Положение экрана определяется

— расстоянием считывания (0,60,7м)

— углом считывания, направлением взгляда на 20 ниже горизонтали к центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.

Должна также предусматриваться возможность регулирования экрана

— по высоте +3 см

— по наклону от -10 до +20 относительно вертикали

— в левом и правом направлениях.

Большое значение также придается правильной рабочей позе пользователя. При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях. Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие

— голова не должна быть наклонена более чем на 20,

— плечи должны быть расслаблены,

— локти — под углом 80100,

— предплечья и кисти рук — в горизонтальном положении.

Причина неправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами нет хорошей подставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы — низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространство для ног.

В целях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации лучше передвижная клавиатура должны быть предусмотрены специальные приспособления для регулирования высоты стола, клавиатуры и экрана, а также подставка для рук [25].

Существенное значение для производительной и качественной работы на компьютере имеют размеры знаков, плотность их размещения, контраст и соотношение яркостей символов и фона экрана. Если расстояние от глаз оператора до экрана дисплея составляет 60…80 см, то высота знака должна быть не менее 3мм, оптимальное соотношение ширины и высоты знака составляет 34, а расстояние между знаками 1520% их высоты. Соотношение яркости фона экрана и символов — от 12 до 115 [22].

Во время пользования компьютером медики советуют устанавливать монитор на расстоянии 50-60 см от глаз. Специалисты также считают, что верхняя часть видеодисплея должна быть на уровне глаз или чуть ниже. Когда человек смотрит прямо перед собой, его глаза открываются шире, чем когда он смотрит вниз. За счет этого площадь обзора значительно увеличивается, вызывая обезвоживание глаз. К тому же если экран установлен высоко, а глаза широко открыты, нарушается функция моргания. Это значит, что глаза не закрываются полностью, не омываются слезной жидкостью, не получают достаточного увлажнения, что приводит к их быстрой утомляемости.

Создание благоприятных условий труда и правильное эстетическое оформление рабочих мест на производстве имеет большое значение как для облегчения труда, так и для повышения его привлекательности, положительно влияющей на производительность труда.

6.3 Режим труда

Как уже было неоднократно отмечено, при работе с персональным компьютером очень важную роль играет соблюдение правильного режима труда и отдыха. В противном случае у пользователя отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках [22].

В табл. 6.5 представлены сведения о регламентированных перерывах, которые необходимо делать при работе на компьютере, в зависимости от продолжительности рабочей смены, видов и категорий трудовой деятельности с ВДТ (видеодисплейный терминал) и ПЭВМ (в соответствии с СанПиН 2.2.2 542-96 Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работ).

Таблица 6.5 Время регламентированных перерывов при работе на компьютере

Категория работы с ВДТ или ПЭВМ	Уровень нагрузки за рабочую смену при видах работы с ВДТ	Суммарное время регламентированных перерывов, мин
	Группа А, количество знаков	Группа Б, количество знаков	Группа В, часов	При 8-часовой схеме	При 12 — часовой схеме
I	до 20000	до 15000	до 2	30	70
II	до 40000	до 30000	до 2	50	90
III	до 60000	до 40000	до 2	70	120

Примечание. Время перерывов дано при соблюдении указанных Санитарных правил и норм. При несоответствии фактических условий труда требованиям Санитарных правил и норм время регламентированных перерывов следует увеличить на 30%.

В соответствии со СанПиН 2.2.2 546-96 все виды трудовой деятельности, связанные с использованием компьютера, разделяются на три группы:

группа А: работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с предварительным запросом

группа Б: работа по вводу информации

группа В: творческая работа в режиме диалога с ЭВМ.

Эффективность перерывов повышается при сочетании с производственной гимнастикой или организации специального помещения для отдыха персонала с удобной мягкой мебелью, аквариумом, зеленой зоной и т.п.

6.4 Расчет искусственного освещения для учебной лаборатории

6.4.1 Введение

Большое количество информации, получаемой человеком из внешнего мира, поступает через зрительный канал.

Качество получаемой информации, получаемой посредством зрения, во многом зависит от освещения.

Неудовлетворительное освещение может исказить информацию; кроме того, оно утомляет не только зрение, но вызывает утомление организма в целом. Неправильное освещение может также являться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие лампы и блики от них, резкие тени ухудшают или вызывают полную потерю ориентации работающих.

Кроме того, при неудовлетворительном освещении снижается производительность труда и увеличивается брак в работе.

6.4.2 Действие освещения на человека

Высокая зрительная работоспособность и производительность труда тесно связана с рациональным производственным освещением [27].

Для зрительного анализатора (ЗА) многообразие окружающего мира представлено различием предметов, объектов, характеризующихся размером, светлотой, контрастом с фоном и удаленностью от глаз.

Чем меньше размер объекта (до определенного предела) и контраст его с фоном и чем ближе его необходимо рассматривать, тем он труднее воспринимается глазом. Также трудно воспринимать объект большого размера и находящийся далеко, но плохо освещенный.

Следовательно, для нормальной работы ему необходимо предъявлять объекты не менее определенного размера и контраста с фоном и при достаточной освещенности.

Для зрительного анализатора как функциональной системы конечным результатом действия является восприятие окружающего мира, которое возможно только при наличии света ( рис.6.2.) [26].

Рис.6.2. Восприятие отраженного света глазом

1 — освещенность, 2 — яркость.

Неудовлетворительное освещение может исказить информацию; кроме того, оно утомляет не только зрение, но и вызывает утомление организма в целом.

В основе интегральной функции лежит световая и контрастная чувствительность.

Световая чувствительность — способность сетчатой оболочки глаза реагировать на видимое излучение. Световая чувствительность глаза тем выше, чем меньше световая энергия, которая способна вызвать в ощущение света. Световая чувствительность может изменяться в весьма широких пределах воспринимаемых яркостей. Эта способность называется зрительной адаптацией.

Контрастная чувствительность характеризует различительную функцию глаза. Условием, позволяющим увидеть объект, является наличие яркостного контраста между ним и фоном. Способность глаза различать едва заметные разности яркостей обозначается термином контрастная чувствительность. Она характеризуется тем минимальным различием в уровнях яркости детали и фона, при котором глаз в состоянии воспринимать объект данного размера при заданной яркости фона.

При зрительной работе важна и скорость различения объекта.

В производственных условиях необходимо, чтобы детали и мелкие предметы, которые обрабатываются, различались в возможно более короткий промежуток времени, то есть особую роль играет скорость или быстрота зрительного восприятия. Проявление интегральной функции зрительного аппарата — остроты восприятия — во времени характеризует зрительную работоспособность.

Выполнение зрительной работы при недостаточной освещенности может привести к развитию некоторых дефектов глаза.

Дефекты глаза делят на два основных вида:

а) близорукость ложная и истинная;

б) дальнозоркость истинная и старческая.

6.4.3 Виды производственного освещения

Существуют следующие виды производственного освещения:

· естественное,

· искусственное,

· совмещенное.

Естественное освещение — освещение помещений светом неба (прямым или отраженным), проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях.

Естественное освещение подразделяется на:

· боковое — естественное освещение помещения через световые проемы в наружных стенах;

· верхнее — естественное освещение помещения через фонари, световые проемы в стенах в местах перепада высот здания;

· комбинированное (верхнее и боковое) — сочетание верхнего и бокового естественного освещения.

Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение.

Без естественного освещения допускается проектировать помещения, которые определены соответствующими главами Строительных Норм и Правил.

Процесс проектирования естественного освещения производственных помещений осложняется рядом обстоятельств, присущих естественному источнику света. К ним относится, прежде всего, непостоянство естественного света. На естественное освещение производственных помещений оказывают влияние эксплуатационные условия, характер застекления светопроемов, загрязнение стекол и др.

Искусственное освещение — освещение помещения только источниками искусственного света.

Искусственное освещение подразделяется на следующие виды:

· рабочее — освещение, обеспечивающее нормируемые осветительные условия (освещенность, качество освещения) в помещениях и в местах производства работ вне зданий;

· аварийное — разделяется на освещение безопасности и эвакуационнное освещение;

· охранное — освещение в нерабочее время;

· дежурное — освещение в нерабочее время.

Искусственное освещение может быть двух систем:

· общее освещение — освещение, при котором светильники размещают в верхней зоне помещения равномерно (общее равномерное освещение) или применительно к расположению оборудования (общее локализованное освещение);

· комбинированное освещение — освещение, при котором к общему освещению добавляется местное; местное освещение — освещение, дополнительное к общему, создаваемое светильниками, концентрирующими световой поток непосредственно на рабочих местах. Применение одного местного освещения производственных рабочих мест не допускается.

Искусственное рабочее освещение предназначено для создания необходимых условий работы и нормальной эксплуатации зданий и территорий. Рабочее освещение следует предусматривать для всех помещений зданий, а также участков открытых пространств, предназначенных для работы, прохода людей и движения транспорта.

Совмещенное освещение — освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Совмещенное освещение производственных зданий следует предусматривать:

· для производственных помещений, в которых выполняются работы I — III разрядов;

· для производственных и других помещений в случаях, когда по условиям технологии, организации производства или климата в месте строительства требуются объемно-планировочные решения, которые не позволяют обеспечить нормированное значение КЕО.

КЕО — это отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом неба (непосредственно или после отражений), к одновременно измеренному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода, выраженное в процентах.

6.4.4 Особенности освещения рабочих мест, оснащенных компьютерами

Повсеместное распространение персональных компьютеров (ПЭВМ) привело к тому, что у их пользователей возникает целый ряд жалоб на здоровье.

Наибольшее число жалоб связано с термином «компьютерный зрительный синдром» (КЗС). Люди, проводящие большую часть времени за экраном видеомонитора предъявляют жалобы на жжение, рези и ощущение песка в глазах, покраснение глазных яблок, боли в области глазниц, лба и при движении глаз. Довольно часто отмечается затуманивание зрения, замедленная перефокусировка с ближних объектов на дальние и обратно, двоение предметов, быстрое утомление при чтении. Эти явления обычно объединяют термином «астенопия» (что буквально переводится, как «отсутствие силы зрения»).

Такие жалобы встречаются в 40 — 60 % случаев у значительной части пользователей ПЭВМ и сильно зависят как от времени, проведенного у экрана видеомонитора, так и от характера работы на ПЭВМ.

Наибольшее утомление для глаз возникает при работе в диалоговом режиме. Наименьшая нагрузка возникает при считывании информации, наибольшая — при ее вводе.

Особую нагрузку для зрительного анализатора представляет компьютерная графика, особенно выполнение и корректировка чертежей на экране видеомонитора.

Длительная работа с компьютером не вызывает органических заболеваний глаз. Единственное изменение, происходящее в органах зрения — проявление или прогрессирование близорукости.

В результате длительного исследования зрительных функций у людей, работающих с компьютером в течение нескольких лет, выявлено уменьшение объема аккомодации (наведение на резкость хрусталика) по сравнению с возрастной нормой и увеличение процента близорукости по сравнению с людьми того же возраста, не работающими на компьютере.

За рабочую смену у пользователя ПЭВМ происходит уменьшение объема аккомодации глаз. У некоторых пользователей развивается временная близорукость. Кроме того, наблюдается сдвиг мышечного равновесия глаз, снижение контрастной чувствительности зрения и другие зрительные нарушения.

Очевидно, возникновение расстройств зрительного анализатора связано с характером экранного изображения и организацией освещения рабочего места, оборудованного ПЭВМ.

У компьютерного изображения есть несколько отличий от изображения нанесенного на бумагу:

компьютерное изображение — самосветящееся, а не отраженное;

оно имеет значительно меньший контраст, который уменьшается еще более за счет внешнего освещения;

не является непрерывным и состоит из отдельных точек — пикселей;

является мерцающим (мелькающим), т.е. эти точки с определенной частотой зажигаются и гаснут;

не имеет таких четких границ, как изображение на бумаге, потому, что у пикселей не ступенчатый, а плавный перепад яркости с фоном.

Именно эти особенности экранного изображения видеомониторов затрудняют аккомодацию глаза. Светимость создает иллюзию удаленности, низкий контраст обуславливает снижение аккомодационного ответа, точечность изображения вызывает увеличение амплитуды нормальных колебаний аккомодации, мелькание уменьшает точность восприятия, а размытость границ заставляет непрерывно искать точку ясного видения.

В настоящее время в России действуют несколько государственных стандартов, в которых сформулированы жесткие требования к визуальным эргономическим параметрам видеомониторов, используемых в ПЭВМ; в санитарных правилах и нормах СанПиН 2.2.2/2.4.1340 — 03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» сформулированы гигиенические требования к видеомониторам.

При организации рабочих мест, оснащенных ПЭВМ особое внимание уделяется освещению.

Освещение при работе с ПЭВМ имеет свои особенности. Это связано с тем, что зрительный анализатор (глаз) при работе за компьютером, как правило, воспринимает как отраженный от клавиатуры и документов световой поток, так и прямой световой поток с видеомонитора.

Помещения для эксплуатации ПЭВМ должны иметь естественное и искусственное освещение, соответствующее требованиям действующей нормативной документации.

Коэффициент естественной освещенности КЕО в помещениях с использованием ПЭВМ должен быть не ниже 1,2%.

Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы видеомониторы были ориентированны боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа занавесей, внешних козырьков, жалюзи и т.д.

Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях, в случаях преимущественной работы с документами, следует применять системы комбинированного освещения (к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов).

При этом освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна составлять 300 — 500 лк. Освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана. Освещенность поверхности экрана не должна быть более 300 лк.

Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окон, светильников и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м2.

Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения, при этом яркость бликов на экране ПЭВМ не должна превышать 40 кд/м2 и яркость потолка не должна превышать 200 кд/м2.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20.

Показатель дискомфорта в административно-общественных помещениях не более 40, в дошкольных и учебных помещениях не более 15.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м2, защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов.

Светильники местного освещения должны иметь не просвечивающийся отражатель с защитным углом не менее 40 градусов.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1 — 5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования 10:1.

В качестве источников света при искусственном освещении следует применять преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). При устройстве отраженного освещения в производственных и административно-общественных помещениях допускается применение металлогалогенных ламп. В светильниках местного освещения допускается применение ламп накаливания, в том числе галогенных.

Для освещения помещений с ПЭВМ следует применять светильники с зеркальными параболическими решетками, укомплектованными электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА). Допускается использование многоламповых светильников с электромагнитными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), состоящими из равного числа опережающих и отстающих ветвей.

Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается.

При отсутствии светильников с ЭПРА лампы многоламповых светильников или рядом расположенные светильники общего освещения следует включать на разные фазы трехфазной сети.

Коэффициент запаса для осветительных установок общего освещения должен приниматься равным 1,4. (Коэффициент запаса (Кз) — расчетный коэффициент, учитывающий снижение КЕО и освещенности в процессе эксплуатации вследствие загрязнения и старения светопрозрачных заполнений в световых проемах, источников света (ламп) и светильников, а также снижение отражающих свойств поверхностей помещения.)

Коэффициент пульсации не должен превышать 5%.

Общее освещение при использовании люминесцентных светильников следует выполнять в виде сплошных или прерывистых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест, параллельно линии зрения пользователя при рядном расположении видеомониторов. При расположении ПЭВМ по периметру помещения линии светильников должны располагаться локализовано над рабочим столом ближе к его переднему краю, обращенному к оператору.

Для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещениях для использования ПЭВМ следует проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп.

6.4.5 Расчет искусственного освещения

6.4.5.1 Введение в расчет

При проектировании осветительной установки необходимо решить следующие основные вопросы:

· выбрать систему освещения и тип источника света,

· установить тип светильников,

· произвести размещение светильников,

· уточнить количество светильников.

При этом следует учитывать, что освещенность любой точки внутри помещения имеет две составляющие: прямую, создаваемую непосредственно светильниками, и отраженную, которая образуется отраженным от потолка и стен световым потоком.

Исходными данными для светотехнических расчетов являются:

нормируемое значение минимальной или средней освещенности,

тип источника света и светильника,

высота установки светильника,

геометрические размеры освещаемого помещения или открытого пространства,

коэффициенты отражения потолка, стен и расчетной поверхности помещения.

Существуют различные методы расчета искусственного освещения, которые можно свести к двум основным: точечному и методу коэффициента использования светового потока [26].

Точечный метод предназначен для нахождения освещенности в расчетной точке, он служит для расчета освещения произвольно расположенных поверхностей при любом распределении освещенности. Отраженная составляющая освещенности в этом методе учитывается приближенно. Точечным методом рассчитывается общее локализованное освещение, а также общее равномерное освещение при наличии существенных затенений.

Наиболее распространенным в проектной практике является метод расчета искусственного освещения по методу коэффициента использования светового потока.

Расчет освещения по методу коэффициента использования светового потока.

Освещаемый объем помещения ограничивается ограждающими поверхностями, отражающими значительную часть светового потока, попадающего на них от источников света. В установках внутреннего освещения отражающими поверхностями являются пол, стены, потолок и оборудование, установленное в помещении. В тех случаях, когда поверхности, ограничивающие пространство, имеют высокие значения коэффициентов отражения, отраженная составляющая освещенности может иметь также большое значение и ее учет необходим, поскольку отраженные потоки могут быть сравнимы с прямыми и их недооценка может привести к значительным погрешностям в расчетах.

Рассматриваемый метод позволяет производить расчет осветительной установки (ОУ) с учетом прямой и отраженной составляющих освещенности и применяется для расчета общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей, равновеликих полу, при светильниках любого типа.

Под коэффициентом использования светового потока (или осветительной установки) принято понимать отношение светового потока, падающего на расчетную плоскость, к световому потоку источников света

где Фр — световой поток, падающий на расчетную плоскость; Фл — световой поток источника света; n — число источников света.

Коэффициент использования ОУ, характеризующий эффективность использования светового потока источников света, определяется, с одной стороны, светораспределением и размещением светильников, а с другой — соотношением размеров освещаемого помещения и отражающими свойствами его поверхностей.

Потребный поток источников света (ламп) в каждом светильнике Ф, для создания нормированной освещенности, находится по формуле:

где Е — заданная минимальная освещенность, лк; Кз — коэффициент запаса; S — освещаемая площадь (площадь расчетной поверхности), м2; z — отношение Еср/Емин; N — число светильников; Uоу — коэффициент использования в долях единицы.

По рассчитанному значению светового потока Ф и напряжению сети выбирается ближайшая стандартная лампа, поток которой не должен отличаться от Ф больше чем на -10 — +20%. При невозможности выбора с таким приближением корректируется N.

При выбранном типе светильника и спектральном типе ламп поток ламп в каждом светильнике Ф1 может иметь различные значения. Число светильников в ряду N определяется как:

где Ф1 — поток ламп в каждом светильнике.

Суммарная длина N светильников сопоставляется с длиной помещения, причем возможны следующие случаи:

· суммарная длина светильников превышает длину помещения: необходимо или применить более мощные лампы (у которых поток на единицу длины больше), или увеличить число рядов;

· суммарная длина светильников равна длине помещения: задача решается устройством непрерывного ряда светильников;

· суммарная длина светильников меньше длины помещения: принимается ряд с равномерно распределенными вдоль него разрывами между светильниками. Рекомендуется, чтобы не превышало примерно 0,5 расчетной высоты (кроме случая использования многоламповых светильников в помещениях общественных и административных зданий).

Входящий в (2) коэффициент z, характеризующий неравномерность освещения, является функцией многих переменных и в наибольшей степени зависит от отношения расстояния между светильниками к расчетной высоте (L/h), с увеличением которого z резко возрастает. При L/h, не превышающем рекомендуемых значений, можно принимать z равным 1,15 для ламп накаливания и ДРЛ и 1,1 для люминесцентных ламп при расположении светильников в виде светящихся линий. Для отраженного освещения можно считать z = 1,0.

Для определения коэффициента использования Uоу находится индекс помещения i и предположительно оцениваются коэффициенты отражения поверхностей помещения: потолка — rп, стен — rс, расчетной поверхности или пола — rр (табл. 4.3) [22].

Индекс помещения i находится по формуле:

где А — длина помещения, В — его ширина, h — расчетная высота.

Для помещений практически не ограниченной длины можно считать i = B/h.

Для упрощения определения i служат специальные справочные таблицы, такие как, например, табл.4.4 [22].

Во всех случаях i округляется до ближайших табличных значений; при i > 5 принимается i = 5.

С увеличением значения индекса помещения повышается коэффициент использования светового потока, так как при этом возрастает доля светового потока, непосредственно падающего на освещаемую поверхность. Коэффициент использования также повышается с увеличением коэффициентов отражения потолка, стен, расчетной поверхности, которые можно ориентировочно определить по приведенным в табл.4.3[26] характеристикам материалов.

При расчетах ОУ со стандартными светильниками Uоу определяется из справочных таблиц с учетом коэффициентов отражения стен, потолка, пола и индекса помещения. Значения коэффициентов использования для светильников с типовыми кривыми силы света (КСС) приводятся в табл. 4.5. [26]

Порядок расчета ОУ методом коэффициента использования светового потока следующий:

· определяется расчетная высота помещения hр, тип и число светильников в помещении;

· по таблицам находят коэффициент запаса Кз и поправочный коэффициент z;

· для зрительной работы, характерной для заданного помещения, по табл. 4.1. [26] определяется нормируемое значение освещенности в расчетной плоскости Е;

· для заданного (с определенными геометрическими размерами) помещения по табл. 4.4 определяют индекс помещения i;

· по справочным таблицам, например по табл. 4.5 [26], в зависимости от типа светильника, коэффициентов отражения потолка, стен, расчетной поверхности определяют коэффициент использования Uоу;

· по формуле (2) рассчитывают световой поток Ф в светильнике, необходимый для создания на рабочих поверхностях освещенности Е не ниже нормируемой на все время эксплуатации осветительной установки;

· по рассчитанному значению светового потока Ф и напряжению сети выбирается ближайшая стандартная лампа, поток которой не должен отличаться от Ф больше чем на -10 — +20%. При невозможности выбора с таким приближением корректируется N.

6.4.5.2 Расчет

Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения. Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.

Обычно искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют ряд существенных преимуществ [23]:

— по спектральному составу света они близки к дневному, естественному свету;

— обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);

— обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);

— более длительный срок службы.

Расчет освещения производится для комнаты площадью 15м2 , длина которой 5м, ширина — 3 м. Воспользуемся методом светового потока [22].

Для определения количества светильников определим световой поток, падающий на поверхность по формуле:

Ф — рассчитываемый световой поток, Лм;

Е — нормированная минимальная освещенность, Лк (определяется по таблице). Работу программиста, в соответствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точных работ, следовательно, минимальная освещенность будет Е = 300Лк;

S — площадь освещаемого помещения (в нашем случае S = 15м2);

z — отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1,1…1,2 , пусть Z = 1,1);

Кз — коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение зависит от типа помещения и характера проводимых в нем работ и в нашем случае Кз = 1,5);

Uoy — коэффициент использования, (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единицы; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стен и потолка, характеризуемых коэффициентами отражения от стен (РС) и потолка (РП)), значение коэффициентов РС и РП были указаны выше: РС=40%, РП=60%. Значение Uoy определим по таблице коэффициентов использования различных светильников. Для этого вычислим индекс помещения по формуле:

h — расчетная высота подвеса, h = 2.92 м;

A — ширина помещения, А = 3 м;

В — длина помещения, В = 5 м.

Подставив значения получим:

i = 2,95

Зная индекс помещения i, по таблице 4.5 [26] находим Uoy = 0,9

Подставим все значения в формулу для определения светового потока Ф

Для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток которых Ф1 = 4320 Лк.

Рассчитаем необходимое количество светильников в ряду по формуле:

N — определяемое число ламп;

Ф — световой поток, Ф = 8250 Лм;

Ф1 — световой поток лампы, Ф1 = 4320 Лм.

N = 2

При выборе осветительных приборов используем светильники типа ОД. Каждый светильник комплектуется двумя лампами.

7. Заключение

Тепловое, механическое и электромагнитное воздействия — одни из важнейших факторов, приводящих к преждевременному выходу из строя электронных компонентов и систем.

Они проявляет себя по-разному:

Тепловое, как превышение предельно допустимой температуры корпусов отдельных транзисторов и микросхем, нарушение контакта в местах паек выводов компонентов, разрушение конструктивных элементов за счет многократно повторяющегося сжатия и расширения материалов.

Механическое, как деформации корпусов отдельных транзисторов и микросхем, нарушение контакта в местах паек выводов компонентов, разрушение конструктивных элементов за счет изгибных колебаний печатного узла.

Электромагнитное, как превышение уровня помех, приводящих к искажению аналоговой или дискретной информации в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи.

Прежде чем запускать в производство изделие, разработчик должен получить представление о его рассеивающих свойствах, способе отвода тепла, рассчитать запасы на прочность и помехозащищенность. Это упростит разработчику решение сложных задач, связанных с поиском оптимального рабочего режима устройства. Это особенно важно при разработке преобразователей постоянного тока для блоков питания таких бытовых электронных приборов, как портативные компьютеры и мобильные телефоны, ведь данного вида устройства становятся все миниатюрнее, при том, что число выполняемых ими функций растет.

Производители все чаще обращаются к программам температурного, механического и электромагнитного моделирования, которые позволяют определить многие характеристики прибора и решить проблемы, связанные с отводом тепла, запасами на прочность и помехозащищенность, еще до создания опытных образцов. Это позволяет производителю существенно сэкономить время, так как изготовление и испытания опытного образца занимают, как правило, около двух недель, а моделирование с применением моделей различных сред — два дня или меньше. Более того, доработка опытного образца или изготовление нового, который также нужно тестировать, отнимает у инженера еще две недели.

Сложность моделирования эффектов данных сред в электронных устройствах определяются многими факторами: свойствами материалов, из которых изготовлены печатная плата, корпуса элементов и радиаторов, количеством слоев печатных плат.

Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.

Среди конструкторов радиоэлектронной аппаратуры все большей популярностью пользуется метод конечных элементов, который открывает широкие возможности применения ПЭВМ для расчетов тепловых процессов в различных конструкциях.

В данной работе был рассмотрен обширный программный комплекс ANSYS, который позволяет решать большое число задач. Было проведено исследование ряда аналогичных пакетов программ, с помощью которых можно решать задачи моделирования полей различных сред.

С применением ANSYS было разработано методическое пособие, в котором был решен ряд задач по моделированию теплового, механического и электромагнитного полей интегральной схемы и печатного узла. В частности, были получены несколько графиков температурных зависимостей, рассчитано поле распределения температур для теплового поля, распределение электрического и магнитного полей для электромагнитного поля, получены расчеты по первым формам колебаний для механического поля. А также приводилась возможность наглядно проследить влияние расположения элементов, различной формы, структуры, текстуры и формы конструкции на ее тепловые, механические и электромагнитные характеристики. Результаты расчетов представлены в виде графиков и карты распределения температур, магнитных и электрически полей, а также в виде форм изгибных колебаний.

Проведенные расчеты показали, что ANSYS является удобным средством для анализа полей различных сред. В нем можно решать задачи и непосредственно из графического интерфейса, и путем написания программ на языке APDL. ANSYS предоставляет широкие возможности построения геометрических моделей. Он содержит большое число команд, позволяющих строить различные геометрические объекты, проводить над ними логические операции и операции масштабирования. В состав данного пакета входит удобный инструмент построения и реформирования сетки. ANSYS позволяет детально анализировать результаты решения задачи путем построения контурных графиков и векторных полей. Мы можем получить и проанализировать результаты моделирования полей различных сред в любой интересующей нас части модели, в том числе в произвольном узле сетки, выводить решение вдоль выбранного пути или в сечении модели. Таким образом, ANSYS может быть применен, как для решения учебных задач, так и для проведения сложных практических расчетов.

8. Список литературы

1. Маквецов Е.Н. Модели из кубиков. М: Сов.радио,1978.-192с.:ил.

2. Андреева Е.Г., Шамец С.П., Колмогоров Д.В. Конечно-элементный анализ стационарных магнитных полей с помощью программного пакета ANSYS: Учеб.пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002,92с.

3. Segerlind L. Primenenie metoda konechnyh elementov., 1976,392с.

4. Руководство по основным методам проведения анализа в программе ANSYS. Режим доступа: [http:// www.ans.com.ru]

5. Справочная система программы ANSYS.

6. Применение продуктов ANSYS и LMS при проектировании газотурбинных двигателей. Режим доступа: [http://www.sapr.ru/Archive/SG/2005/5/15/]

7. Нефтехимическая и газовая отрасли: Инженерно-технический журнал «Solutions»,2006. Режим доступа: [http://www.ansyssolutions.com/ANSYS_Solutions_WINTER_2006.pdf]

8. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры «АСОНИКА-Т». Режим доступа: [http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/200106/10.html]

9. Программный комплекс ТРиАНА. Режим доступа: [http://www.triana.ire.krgtu.ru/]

10. Электронные САПР BETASoft. Режим доступа: [http://www.electrontrade.ru/index.sema?a=pages&id=188]

11. Системы автоматизированного проетирования BETASoft. Режим доступа: http://www.rodnik.ru/htmls/f_1_14.htm]

12. http://www.sauna.com

13. Tool targets thermal analysis. Режим доступа: [Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.]

14. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

15. Design-Class Thermal Analysis for Electronics. Режим доступа: [http://www.flomerics.com/flotherm/prod_info/]

16. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки./appinfo/power/webench

17. Виртуальный проектировщик Webench от компании National Semiconductor. Режим доступа: [<http://terraelectronica.ru/files/ notes/Webench%20National%20Semiconductor.doc>]

18. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ.пособие. М.: Машиностроение-1, 2004, 512 с.

19. Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Изд-во Мир, 1981,304с.

20. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под редакцией В.И. Вольмана.- М.:Радио и связь.-1982 г.

21. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

22. Н.А. Белова. Безопасность жизнедеятельности.. — М. Знание, 2000 — 364с.

23. Самгин Э.Б. Освещение рабочих мест. — М.: МИРЭА, 1989. — 186с

24. Справочная книга для проектирования электрического освещения. / Под ред. Г.Б. Кнорринга. — Л.: Энергия, 1976.

25. Е.Я. Юдина, Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов М. Борьба с шумом на производстве. Справочник Машиностроение, 1985. 400с., ил.

26. Зинченко В.П. Основы эргономики. М. МГУ, 1979. 179с.

27. Интернет источник: http://bgd.alpud.ru/

(Учебно-методический комплекс).

9. Приложение

9.1 Библиотека элементов ANSYS

Доступны следующие категории элемента:

9.1.1 Элементы раздела Structural

Элементы категории Link

Типы элементов, перечисленные в этой категории, работают на сжатие и растяжение.

2D Spar 1	Link 1	Предназначен для расчетов двумерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах.
3-D Spar 8	Link 8	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах.
3-D Bilinear	Link 10	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. В отличие от Link 8 работает либо на сжатие, либо на растяжение. Если он работает на растяжение, то при сжатие у него отсутствует жесткость.

Элементы категории Beam

Типы элементов, перечисленные в этой категории, работают не только на сжатие и растяжение, но и на изгиб.

2D Elastic 3	Beam 3	Предназначен для расчетов двумерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Не предназначен для расчетов нелинейных материалов.
2D tapered 54	Beam 54	Предназначен для расчетов двумерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Дает возможность задать различные характеристики сечения стержня на его концах.
2D plastic 23	Beam 23	Предназначен для расчетов двумерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Предназначен для расчетов нелинейных материалов.
3D Elastic 4	Beam 4	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Предназначен для расчетов линейных материалов.
3D tapered 54	Beam 44	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Предназначен для расчетов линейных материалов. Позволяет задать различные характеристики сечения стержня на его концах.
3D plastic 24	Beam 24	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Предназначен для расчетов нелинейных материалов.
3D finite strain 2 node 188	Beam 188	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Предназначен для расчетов стержневых конструкций с большими деформациями, а также для решения задач линейных и не линейных материалов.
3D finite strain 3 node 189	Beam 189	Предназначен для расчетов трехмерных задач и представляет собой стержень с двумя узлами на концах и промежуточным узлом посередине. Предназначен для решения нелинейных задач. Повышает точность расчетов.

Элементы категории Solid

Типы элементов, перечисленные в этой категории, могут применятся для расчетов как плоских задач (категория PLANE), так и для объемных (категория SOLID)

2-D Quad 4node 42	PLANE 42	Предназначен для использования в расчетах на прочность с использованием линейных и нелинейных материалов, за исключением гиперэластичных.
2-D — Quad 4node 182	PLANE 182	Предназначен для использования в расчетах на прочность с использованием линейных, нелинейных материалов, а также гиперэластичных.
2-D Quad 8node 82	PLANE 82	Предназначен для использования в расчетах на прочность с использованием линейных и нелинейных материалов, за исключением гиперэластичных.
2-D Quad 8node 183	PLANE 183	Предназначен для использования в расчетах на прочность с использованием линейных, нелинейных материалов, а также гиперэластичных.
2-D trianglem6 node 2	PLANE 2	Элемент применим к двумерным задачам, позволяет моделировать нерегулярные отверстия
3-D — Brick 8node 45	SOLID 45	Применим к трехмерным задачам, позволяет использовать изотропные, пластичные и другие нелинейные материалы, за исключением гиперэластичных.
3-D — Brick 8node 185	SOLID 185	Применим к трехмерным задачам, позволяет использовать изотропные, пластичные и другие нелинейные материалы, а также гиперэластичные материалы.
3-D — Brick 20node 95	SOLID 95	Применим к трехмерным задачам, позволяет использовать изотропные, пластичные и другие нелинейные материалы, за исключением гиперэластичных.
3-D — Brick 8 node 186	SOLID 186	Применим к трехмерным задачам, позволяет использовать изотропные, пластичные и другие нелинейные материалы, а также гиперэластичные материалы.
3-D — Brick aniso 65	SOLID 65	Применим к трехмерным задачам, позволяет использовать анизотропные, пластичные и другие нелинейные материалы, за исключением гиперэластичных.
3-D — Tet 10node 92	SOLID 92	Элементы данного типа используются для нерегулярных сеток, полученных свободным разбиением. Данный тип элементов позволяет использовать изотропные пластичные материалы и нелинейные материалы, за исключением гиперэластичных.
3-D — Tet 10node 187	SOLID 187	Элементы данного типа используются для нерегулярных сеток, полученных свободным разбиением. Данный тип элементов позволяет использовать изотропные пластичные материалы и нелинейные материалы, а также гиперэластичные материалы.

Элементы категории Shell

Типы элементов, перечисленные в этой категории, позволяют моделировать тонкостенные оболочечные конструкции

Shell Elastic 4node 63	SHELL 63	Предназначен для трехмерных задач, и представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами. Данный тип элементов позволяет использовать только линейные материалы.
Shell Elastic 8node 63	SHELL 93	Предназначен для моделирования пластин с большой кривизной, а также позволяет использовать нелинейные материалы.
Shell Plastic 4 node 43	SHELL 43	Предназначен для трехмерных задач, и представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами. Данный тип элементов позволяет использовать не линейные материалы, а также пластины большой толщины.
Shell Hyper 4 node 181	SHELL 181	Предназначен для трехмерных задач, и представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами. Данный тип элементов позволяет использовать не линейные материалы, а также пластины большой толщины. Используются в расчетах с большими деформациями, а также в задачах с гиперэластичными материалами.

Элементы раздела Thermal

Элементы данной категории используются для решения задач теплопроводности.

Элементы категории Link

Link 3-D — Radiation 31	Link 31	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой одноосный элемент, который моделирует лучевой расход высокой температуры между двумя точками
Link 2D — Conduction 32	Link 32	Предназначен для двумерных расчетов, и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Функция — пропускание тепла от одного узла к другому.
Link 3D — Conduction 33	Link 33	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой стержень с двумя узлами на концах. Функция — пропускание тепла от одного узла к другому.
Link 3D — Convection 34	Link 34	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой одноосный элемент со способностью к высокотемпературной конвекции между его узлами
Link 3D — Coupled Thermal-Electric 68	Link 68	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой одноосный элемент со способностью провести высокую температуру и электрический ток между его узлами

Элементы категории Solid

Элементы данной категории используются для моделирования теплопроводности в твердотельных моделях. Они могут иметь от4 до 20 узлов и применяться в плоских и объемных задачах. Типы элементов для плоских моделей имеют название Plane, а для трехмерных — Solid.

2-D Triangl 6node 35	PLANE35	Предназначен для использования в нерегулярных сетках.
2-D — Quad 4node 55	PLANE55	Может использоваться как элемент самолета или как осесимметричный кольцевой элемент с 2-D тепловой способностью проводимости
2-D — Coupled Thermal-Electric Solid	PLANE67	Предназначен для двумерных задач, и представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами.
2-D — Axisymmetric-Harmonic 4-Node Thermal Solid	PLANE75	Используется как осесимметричный кольцевой элемент с 3-D тепловой способностью проводимости.
2-D — Quad 8node 77	PLANE77	Элементы с 8 узлами имеют совместимые температурные формы и хорошо подходят моделировать изогнутые границы.
2-D — Axisymmetric-Harmonic 8-Node Thermal Solid	PLANE78	Используется как осесимметричный кольцевой элемент с 3-D тепловой способностью проводимости.
3-D — Coupled Thermal-Electric Solid	SOLID69	Применим к трехмерным задачам, установившемуся или переходному тепловому анализу
3-D — Brick 8node 70	SOLID70	Применим к трехмерным задачам, установившемуся или переходному тепловому анализу
3-D — Tet 10node 87	SOLID87	Предназначен для использования в нерегулярные петли.
3-D — Brick 20node 90	SOLID90	Элементы с 20 узлами имеют совместимые температурные формы и хорошо подходят моделировать изогнутые границы.

Элементы категории Shell

Элементы данной категории используются для моделирования тонкостенных оболочечных конструкций.

Shell Thermal 4node 57	SHELL57	Предназначен для трехмерных задач, и представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами.
Shell Layered Thermal 4 node 131	SHELL131	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами, позволяет моделировать тепловой изгиб
Shell Layered Thermal 8 node 132	SHELL132	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 8 узлами, позволяет моделировать тепловой изгиб
Shell Thermal-Electric 4 node 157	SHELL157	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами.

Элементы раздела Magnetics

Элементы данной категории используются для электромагнитного анализа.

Элемент категории Link

3-D LINK	LINK 63	Предназначен для трехмерных расчетов, и представляет собой стержень с двумя узлами на концах.

Элементы категории Solid

3-D Solid	Solid 5	Элемент имеет восемь узлов с шестью степенями свободы в каждом узле. Скалярные потенциальные формулировки доступны для того, чтобы моделировать магнитостатические области в статическом анализе.
3-D Solid	Solid 62	Предназначен для трехмерных задач, гармонического и переходного анализа
3-D Solid	Solid 69	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 8 узлами.
3-D Solid	Solid 96	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 8 узлами.
3-D Solid	Solid 97	Применим к следующим исследованиям магнитного поля низкой частоты: потоки вихря (гармоника времени переменного тока и переходные исследования), магнитные поля (статический, гармонику времени переменного тока и переходные исследования), и электромагнитный кругооборот.
3-D Solid	Solid 98	Предназначен для трехмерных задач, элемент имеет квадратное поведение смещения и хорошо подходит для моделирования нерегулярной петли
3-D Solid	Solid 117	Элемент имеет нелинейную магнитную способность к тому, чтобы моделировать кривые B-H или постоянные кривые размагничивания магнита для статических и переходных исследований.
3-D Solid	Solid 122	Элемент имеет совместимые формы напряжения и хорошо подходит для моделирования изогнутых границ. Этот элемент применим к электростатическим, гармоническим, квазистатическим, электрически, полевым исследованиям.
3-D Solid	Solid 123	Элемент хорошо подходит для моделирования нерегулярных петель, а также применим к электростатическим, гармоническим, квазистатическим, электрически, полевым исследованиям.
2D PLANE	PLANE 13	Элемент имеет 2-ую магнитную, тепловую, электрическую, пьезоэлектрическую, и структурную полевую способность с ограниченным сцеплением между областями. Имеет нелинейную магнитную способность к тому, чтобы моделировать кривые B-H или постоянные кривые размагничивания магнита.
2D PLANE	PLANE 53	Основан на магнитной векторной потенциальной формулировке и применим к следующим исследованиям магнитного поля низкой частоты: потоки вихря (гармоника времени переменного тока и переходные исследования), магнитные поля (статический, гармонику времени переменного тока и переходные исследования), и электромагнитный кругооборот.
2D PLANE	PLANE67	Элемент применим ко 2-ому установившемуся или переходному тепловому анализу, хотя никакие переходные электрические эффекты емкости или индуктивности не включены в элемент.
2D PLANE	PLANE 121	Элемент с 8 узлами имеет совместимые формы напряжения и хорошо подходит для моделирования изогнутых границ.

Элемент категории SOURC

3-D SOURC	SOURC 36	Элемент позволяет моделировать распределение потока в модели, использующей скалярную потенциальную формулировку (степень свободы МЭГ). Потоки используются, чтобы вычислить исходную интенсивность магнитного поля.

Элемент категории INTER

3-D INTER	INTER 115	Используется, чтобы соединить магнитные векторные и скалярные потенциалы в том же самом анализе.

Элементы категории INFIN

2-D INFIN	INFIN 9	Позволяет моделировать поведение модели при линейном или нелинейном, статическом или динамическом анализе.
3-D INFIN	INFIN 47	Элемент может быть четырехугольником с 4 узлами или треугольником с 3 узлами с магнитной потенциальной или температурной степенью свободы в каждом узле. С магнитной степенью свободы анализ может быть линейным или нелинейным. С тепловой степенью свободы могут быть сделаны только установившиеся исследования
2-D INFIN	INFIN 110	С магнитными потенциальными или температурными степенями свободы, исследования могут быть линейными или нелинейными, статическими или динамическими.
3-D INFIN	INFIN 111	Этот элемент определен 8 или 20 узлами и имеет 3-ий магнитный скалярный и векторный потенциал, температурные или электростатические потенциальные способности.

Элементы категории HF

3-D HF	HF 119	Высокочастотный четырёхгранный элемент, который моделирует 3-ьи электромагнитные области и волны, которыми управляет полный набор уравнений Максвелла
3-D HF	HF 120	Высокочастотный четырёхгранный элемент, который моделирует 3-ьи электромагнитные области и волны, которыми управляет полный набор уравнений Максвелла
1-D CIRCU	CIRCU 124	Элемент способен соединять с электромагнитными конечными элементами, чтобы моделировать соединенное взаимодействие области электромагнитного кругооборота.
3-D SHELL	SHELL 157	Предназначен для трехмерных задач, представляет собой четырехугольный элемент с 4 узлами.

9.2 Пособие по работе с программой

Для полноценной работы в системе ANSYS рассмотрим состав базовой конфигурации главного меню.

Основу системы составляет программная оболочка проектирования, которая интегрирует в себе различные модули, выполняющие определенные функции проектирования и моделирования. Наличие полнофункциональной демоверсии дает возможность по достоинству оценить все возможности пакета. В данном пособии представлены основные приемы проектирования и моделирования схем, размещения компонентов, и моделирования теплового поля интегральной схемы.

С помощью мощной системы задания правил проектирования и контроля пользователь получает полный контроль над процессом моделирования. Например, пользователь может описать требуемые толщины элементов, платы, подложки и зазоры между ними, которые будут жестко соблюдаться во время автоматического расчета распределения температур.

Среда проектирования.

Среда проектирования представляет собой интерфейс между пользователем, проектом и различными инструментами проектирования. Для запуска системы ANSYS необходимо открыть оболочку проектирования через меню Windows Пуск | ANSYS | ANSYS ED Utility Menu.

Окно ANSYS ED Utility Menu имеет ряд основных элементов. Основной частью окна является рабочий область системы, на которой открываются различные документы проектов. В верхней части окна расположено меню утилит и панель инструментов. Слева — главное меню, которое помогает нам создавать проект, редактировать его, а также получать результирующие данные. Справа — панель управления созданным проектом, с помощью которой мы можем, например, вращать проект, двигать, рассматривать как с разных плоскостей, так и вблизи или на расстоянии. Внизу располагается строка состояния.

1. Меню утилит «ANSYS Utility Menu» — меню, в котором отражены часто используемые команды (изменение отображения информации в окне графического ввода, команды работы с файлами, вызова справки, команды отображения окон вспомогательных операций и т.д.). Это меню выглядит как обычное меню Microsoft Windows и располагается в верхней части экрана под заголовком главного окна ANSYS.

Кратко рассмотрим некоторые команды, которые могут понадобиться нам в рамках поставленной нам задачи, а именно «Моделирование полей различных сред»[18].

File:

Change Jobname — позволяет изменить имя проекта

Change Directory — позволяет изменить директорию расположения проекта

Change Title — задает заголовок проекта

Resume from — позволяет вызвать ранее созданный файл с пользовательской задачей и работать м ним далее

Save as… — позволяет сохранить проект в необходимую директорию

Exit… — позволяет выйти из программы

Select:

Entities — позволяет выбрать компонент из конструкции и проводить исключительно его редактирование

Comp/Assembly> Create Component — позволяет cгруппировать геометрические объекты

List:

Keypoint, Lines, Areas, Volumes, Nodes, Elements — позволяет просмотреть список существующих на чертеже объектов: точек, линий, поверхностей, объемов, узлов, конечных элементов, вывести на экран координаты и атрибуты точек, различные параметры линий, участков, объемов.

Loads > DOF Constraints — позволяет просмотреть список номеров (точек, узлов, линий, участков) — первая колонка, меток степеней свободы — вторая колонка, числовых значений ограничений, соответствующих меткам — третья и четвертая колонки.

Loads >Forces — позволяет вывести список нагрузок(точек, узлов, линий, участков)

Results > Nodal Solution — просмотр списка результатов в узлах конечно-элементной сетки

Plot:

Keypoint, Lines, Areas, Volumes, Nodes, Elements — отображение существующих на чертеже объектов: точек, линий, поверхностей, объемов, узлов, конечных элементов

Results >Contour Plot >Nodal Solution — позволяет просмотреть результаты в узлах конечно-элементной сетки

PlotCtrls

Pan-Zoom-Rotate — позволяет повернуть изображение модели на экране, передвинуть его или изменить масштаб

View Settings — позволяет задать направление просмотра, поворот изображения, сфокусироваться на точке и т.д.

Symbols — позволяет показать граничные условия и поверхностные нагрузки на экране

Style — позволяет задать тип изображения (например, корпус в разрезе)

Style > Graphs — позволяет выбрать тип сетки при выводе графика на экран

Style > Graphs > Modify Axes — позволяет дать название оси на графике

Style >Size and Shape — изображение модели на экране визуально станет более похожим на реальную конструкцию

Animate — позволяет вывести на экран анимацию(Mode shape [No of frames to create> 10(число кадров )> Time delay> 0.5(продолжительность просмотра каждого кадра в секундах )>

Save Plot Ctrls — позволяет сохранить установки графического изображения в файл

Restore Plot Ctrls — позволяет восстановить установки графического изображения из файла

Numbering — включение нумерации поверхностей, отображает на экране номера поверхностей, для того чтобы легко их находить.

Work plane:

Offset WP by Increments — позволяет переместить центр координат рабочей плоскости

Offset — позволяет переместить систему координат на точку, узел и т.д

Align WP with — позволяет выравнивать систему координат относительно точки, узла и т.д.

Local Coordinate Systems > Create Local CS > By 3 Keypoints+ — позволяет создавать новую систему координат

Local Coordinate Systems > Delete Local — удаление использовавшейся системы координат

Change Active CS > Specified Coord Svc… — активация новой системы координат

Change Active CS to — позволяет изменить систему координат

Parameters:

Здесь вы можете ввести параметр и его значение, сохранить их или восстановить старые.

Menu Ctrls

Позволяет редактировать панель инструментов

2. Панель инструментов по своим функциям играет роль дополнительного меню, содержащее в себе кнопки вызова наиболее часто используемых команд. Пользователь может сам редактировать содержимое данного окна, добавлять кнопки для вызова нужных ему функций по команде: Utility Menu > Macro > Edit Abbreviations. После задания новых команд их нужно сохранить по команде Utility Menu > Macro > Save Abbr.

3.Главное меню «ANSYS Main Menu» — окно, содержащее список команд и подменю. Оно обычно располагается в левом верхнем углу экрана. Это меню содержит команды по выполнению основных этапов решения задачи, а именно: построение конечно-элементной модели, нахождения решения и анализ результатов расчетов

Данное меню рассмотрим более подробно, потому что оно наиболее необходимо для работы над нашим проектом.

Выбор типа решаемой задачи.

Тип определяет физическую задачу (теплообмена, механики твердого тела и др.), которая будет решаться. Это позволяет активизировать лишь те пункты главного меню, которые соответствуют указанному типу, и делает недоступными пункты главного меню, которые не будут использоваться при решении данной задачи.

Выбор типа осуществляется с использованием пункта главного меню:

— для теплового поля:

Preferences…

Preferences… > Termal — термический анализ

Preprocessor:

Element Type > Add/Edit/Delete — выбрать из библиотеки тип элемента

Material Props > Material Models… — определение физических свойств материалов (позволяет указать физическое поведение материала, конкретные значения необходимых констант и др.)

Material Models…> Termal > Conductivity > Isotropic — если коэффициенты теплопроводности совпадают по всем направлениям, что дает возможность ввести только один коэффициент

Material Models…> Termal > Conductivity >Orthotropic — если тело имеет три различные значения теплопроводности по разным направлениям

Material Models…> Specific Heat — позволяет указать теплоемкость материала

Material Models…>Density — позволяет указать плотность материала

Write to File — сохранение созданных моделей материалов в отдельные МФ-файл(необходимо указать имя файла, логический диск, выбрать директорию куда этот файл будет сохранен)

Read form File — чтение файла со свойствами материала

Sections > Beams > Common Sectns — выбор вида поперечного сечения элементов

— для механического поля:

Preferences…

Preferences… > Structural — механический анализ

Preprocessor:

Element Type > Add/Edit/Delete — выбрать из библиотеки тип элемента

Material Models…> Linear > Elastic > Isotropic — если модуль Юнга и коэффициент Пуассона совпадают по всем направлениям, что дает возможность ввести только по одному значению

Material Models… > Linear > Elastic > Orthotropic — если тело имеет три различные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона по разным направлениям

Material Models…>Density — позволяет указать плотность материала

Read form File — чтение файла со свойствами материала

Sections > Beams > Common Sectns — выбор вида поперечного сечения элементов

— для электромагнитного поля:

Preferences…

Preferences… > High Frequency — высокочастотный анализ

Preprocessor:

Element Type > Add/Edit/Delete — выбрать из библиотеки тип элемента

Material Models…> Electromagnetics > Relative Permeability > Constant — если магнитная проницаемость постоянна

Material Models…> Electromagnetics > Relative Permittivity > Constant — если диэлектрическая проницаемость постоянна

Read form File — чтение файла со свойствами материала

Sections > Beams > Common Sectns — выбор вида поперечного сечения элементов

Modeling >

Create > Keypoints > In Active CS — создать ключевые точки путем ввода координат

On Working Plane — создать ключевые точки путем ввода координат, либо просто указывая их положение мышью на экране

Lines > Lines >In Active Coord — создание линии между двумя точками

Straight Line — создание линии, проходящую через две точки

At Angle to Line — создание линии под углом у существующей линии

Arcs > Through 3 KPs — создание дуги по трем точкам

By End KPs &Rad — создание дуги по точкам и радиусу

By Cent & Radius — создание дуги или окружности по центру и углу

Full Circle — создание полной окружности по центру и точке, указывающей радиус

Areas > Arbitrary > By Offset — создание поверхностей параллельным переносом

Rectangle > By Dimensions — создание прямоугольника по 2 угловым точкам

By 2 Corners — создание прямоугольника по 1 угловой точке, ширине и высоте

Circle > Solid Circle — создание круга по центральной точке

By End Points — создание круга по точкам, являющихся концами диаметра

By Dimensions — создание круга, кольца или сектора с центром в начале координат рабочей плоскости

Polygon > By Inscribed Rad — создание правильного многоугольника с центром в начале координат

Area Fillet — создание скругления на пересечении двух поверхностей

Volumes > Block > By Dimensions — создание параллелепипеда по двум угловым точкам

By 2 Corners & Z — создание параллелепипеда по угловой точке и размерам

By Centr, Cornr, Z — создание параллелепипеда по центральной точке и размерам

Cylinder > By Dimensions — создание цилиндрического объема с центром в начале координат вдоль оси OZ

By End Pts & Z — создание цилиндрического объема с основанием на рабочей плоскости по диаметру и высоте

Solid Cylinder — создание цилиндра, пустотелого цилиндра, цилиндрического объема с основанием на рабочей плоскости

Prism > By Inscribed Rad — создание призмы с центром в начале координат рабочей плоскости

Sphere > By End Points — создание сплошного шара по конечным точкам диаметра

Cone > By Picking — создание конуса, конического сектора с центром основания в любой точке рабочей плоскости

Operate > Booleans > Intersect — построение пересечения поверхностей, объемов и т.д.

Add — объединение объемов, участков, линий

Subtract — вычитание линий из линий, объемов из объемов, поверхностей из поверхностей и т.д.

Divide — деление объемов, участков, линий на меньшее

Partition > Volumes >Pick All — соединяет все элементы модели

Move/Modify > Keypoints > Set of KPs — средства перемещения ключевых точек

… — средства перемещения, узлов, объемов, поверхностей и т.д.

Copy > Keypoints — копирование точек

Lines — копирование линий

… — копирование поверхностей, объемов, узлов и т.д.

Reflect — Keypoints — создание точек при помощи симметрии

Lines — создание линий при помощи симметрии

… — создание поверхностей, объемов и т.д.

Delete — удаление точек, линий, объемов, поверхностей и т.д.

Meshing > Size Cntrls > SmartSize > Basic — свободное разбиение на конечные элементы

Manual Size > Global > Size разбивает конструкцию на конечные элементы (в строке Size необходимо указать шаг разбиения)

Areas > All Areas — разбивает поверхность на конечные элементы

Cls Areas — удаление ранее установленного разбиения на поверхностях

Lines > All Lines — разбиение линий на конечные элементы

Cls Lines — удаление ранее установленного разбиения

Mesh Attributes > All Volumes…> Picked Volumes — позволяет назначить каждому элементу свой материал

Mesh > Areas > Free — генерация конечно-элементной сетки

Конечно-элементную сетку следует удалять, если требуется изменить геометрическую модель:

Clear > Keypoints — удаление с точек

Lines — удаление с линий

Areas — удаление с поверхностей

Volumes — удаление с объемов

Checking Ctrls > Toggle Checks — проверка формы элементов, чтобы предупредить пользователя о том, что одна из операций создала элемент с неправильной формой; и избежать значительных ошибок при расчетах.

Shape Checking — переводит режим проверки формы элементов в режим замечаний

Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoints — ограничение степеней свободы в ключевых точках

… — ограничение степеней свободы на линиях, поверхностях, в узлах и т.д.

Thermal > Temperature > On Keypoints — температура в точках

… — температура на линии, поверхности и т.д.

Типы нагрузок, применяемые в тепловом анализе:

Heat flow > On Keypoints — сосредоточенный тепловой поток в точках

On Nodes — тепловой поток в узлах

Convection > On Lines — конвекция на линии

… — на поверхности, в узлах и т.д.

Heat flux > On Lines — распределенный тепловой поток на линии

… — на поверхности, в узлах и т.д.

Heat Generat > On Lines — энерговыделение на линии

… — на поверхности, объеме и т.д.

Delete > Thermal > Temperature > On Keypoints — удаление ограничений температуры

Solution:

Define Loads > Apply > Thermal > Convection > On Areas > Pick All — позволяет задать температуру окружающей среды, контактирующей с поверхностью (естественная конвекция)

Heat Flow > On Nodes — позволяет задать мощность тепловыделения в узлах

Solve > Current LS — запуск на решение

General Postproc:

Read Result > First Set — чтение первого набора результатов

Next Set — чтение последующего набора результатов

Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu… — просмотр результатов в узлах конечно-элементной сетки

Vector Plot > Predefined… — просмотр результатов в векторной форме

Plot Path Item > On Graph — позволяет вывести график по заданному пути

List Results > Nodal Solu… — просмотр списка результатов в узлах конечно-элементной сетки

Element Solution… — просмотр списка результатов для элементов

Query Results > Subgrid Solu… — определение значений физических параметров в указанных точках модели

Path Operations > Define Path > By Nodes — позволяет задать путь, на котором необходимо рассмотреть график температуры

Map onto Path — позволяет определить что выводить на графике

Размещено на