Физические процессы в приборах и системах

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
Конкурентоспособность вновь создаваемых приборов и систем (ПС) в определяющей степени зависит от оперативности и качества их разработки, которые, в свою очередь, зависят от уровня применения компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла.
ПС как один из классов промышленной продукции отличаются по сложности реализации, условиям эксплуатации, а также многообразием и сложностью внешних воздействий, что ставит перед их разработчиками задачу удовлетворения зачастую противоречивых требований.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ПС как сложном техническом объекте протекают разнородные физические процессы. Отличные по своей природе физические процессы описываются различными уравнениями математической физики.

Электрические процессы в цепях с сосредоточенными параметрами представляются обыкновенными дифференциальными уравнениями, а в цепях с распределенными параметрами – волновыми уравнениями, тепловые процессы в конструкциях – уравнениями теплопроводности в частных производных второго порядка, а механические процессы колебаний печатных плат – бигармоническими и волновыми уравнениями в частных производных четвертого порядка. С учетом граничных и начальных условий процедуры согласования таких разных моделей в инженерных методиках автоматизированного проектирования, с целью получения на их основе данных, необходимых для решения задач анализа и обеспечения показателей надежности и качества ПС, встречают значительные трудности.

Кроме этого проблема осложняется тем, что современные ПС включают в себя большое количество комплектующих элементов (до десятков и сотен тысяч в одном образце ПС), каждый из которых представляет сложный объект, характер протекания физических процессов в которых, в конечном счете, и определяет функциональные и эксплуатационные свойства проектируемого образца ПС.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПС
Процесс проектирования реализуется путем моделирования различных физических процессов, протекающих в приборе при его функционировании.
Под моделью ПС понимается представленное в той или иной форме математическое описание, которое адекватно отражает сущность и характерные свойства рассматриваемого физического процесса, протекающего в схеме и конструкции ПС.

МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
отражает электрические процессы, протекающие в схеме прибора, что должно обеспечить получение с заданной точностью функциональных и режимных электрических характеристик;
включает в себя эквивалентные схемы ЭРЭ (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов, транзисторов, микросхем и пр.);
учитывает паразитные проводимости, емкости, индуктивности, взаимные индуктивности и другие параметры, отражающие влияние конструкции на протекающие электрические процессы.

МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
отражает тепловые процессы в конструкции ПС, связанные с теплообменом под влиянием окружающей среды, тепловыделениями в ЭРЭ, действием систем охлаждения и термостатирования, что должно обеспечить получение с заданной точностью тепловых характеристик;
учитывает кондуктивные, конвективные и лучистые составляющие теплообмена в ПС.

МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
отражает механические процессы в конструкции, связанные с появлением механических деформаций и напряжений при механических воздействиях, что должно обеспечить получение с заданной точностью статических, частотных и динамических механических характеристик;
учитывает распределенность масс ЭРЭ и анизотропность несущих конструкций механических свойств;
учитывает эффект внутреннего трения в материалах конструкции при деформациях;
учитывает жесткость крепления ЭРЭ к печатным платам, шасси и другим несущим конструкциям, а также крепление элементов конструкции друг с другом.

МОДЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ
отражает с заданной точностью характеристики надежности и качества ПС, связанные с технологическими факторами, тепловыми и механическими воздействиями, процессами старения;
учитывает электрические, механические и тепловые режимы работы ЭРЭ;
учитывает электрические, механические и тепловые режимы элементов конструкции;
учитывает разбросы параметров ЭРЭ и элементов конструкции.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПС
Важную роль при проведении моделирования физических процессов, протекающих в ПС, играет его правильный порядок. Он определяется, с одной стороны, логикой проектирования ПС, а с другой – взаимосвязью моделей физических процессов между собой.

ПС КАК СИСТЕМНЫЙ ОБЪЕКТ

Видна тесная связь пяти подсистем – «алгоритм работы», «схема», «конструкция», «технология» и «эксплуатация» – внутри системы ПС.
Общесистемным свойством ПС, объединяющим все его подсистемы, является свойство надежности, которое закладывается при проектировании, обеспечивается при производстве и поддерживается во время эксплуатации.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОВОКУПНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КАК СИСТЕМЫ
Конструкция ПС с точки зрения надежности представляется как система протекающих физических процессов (электрических, электромагнитных, тепловых, механических и пр.), изучение каждого процесса в отдельности как элемента системы и обеспечение надежности ПС (с позиции обеспечения характеристик равновесия каждого процесса) еще не гарантируют полного выявления особенностей свойства надежности ПС в целом, проявляющихся при совместном действии различных факторов на ЭРЭ.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПС
Анализ схем, конструкций или технологических процессов проводится в виде комплексного математического моделирования на ПК совокупности протекающих физических и прочих процессов. Под термином «технический» далее будем понимать любой процесс, подлежащий системному анализу.

КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ ПС
Задачи проектирования ПС в большинстве случаев могут эффективно решаться на основе комплексной модели физических процессов ПС. В общем случае комплексная модель прибора (с точки зрения протекания в ней разнородных физических процессов) может быть представлена совокупностью подмоделей физических процессов и основных связей между ними

Под аналитической расчетной моделью понимается математическая модель, представленная средствами математического анализа и алгебры в форме буквенных выражений, определяющих зависимость выходных характеристик ПС и его показателей от входных воздействий, внутренних параметров и независимых аргументов (времени, частоты, пространственных координат, переменной преобразования Лапласа и пр.).

Под структурной расчетной моделью понимается математическая модель, представленная в форме направленного графа или блок-схемы, определяющих внутреннее строение прибора с точки зрения последовательности преобразования ее переменных величин в соответствии с принятыми причинно-следственными связями в протекающих физических процессах.

Под топологической расчетной моделью понимается математическая модель, изображенная как эквивалентная электрическая, механическая или тепловая цепь или в общем виде как ненаправленный топологический граф, на котором заданы переменные величины и параметры рассматриваемых физических процессов и который полностью определяет физическую взаимосвязь этих переменных через параметры.

Под морфологической расчетной моделью понимается математическая модель протекающих физических процессов, представленная в форме соединения многополюсников или ненаправленного морфологического графа (гиперграфа), определяющих способ построения рассматриваемого схемно-конструкторского решения прибора из выделенных составных частей.

ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

ТЕРМОГРАММА

ПРИМЕРЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ ВИБРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПЕЧАТНОГО УЗЛА