Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов

Сформовано математичні моделі масогабаритних і теплових характеристик герметичних блоків. Запропоновано методику оптимізації масогабаритних показників.

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Крищук, В.М., Шило, Г.М., Лопатка, Ю.А., Гапоненко, М.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2016
Назва видання:	Проблемы управления и информатики
Теми:	Оптимальное управление и методы оптимизации
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208189
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов / В.Н. Крищук, Г.Н. Шило, Ю.А. Лопатка, Н.П. Гапоненко // Проблемы управления и информатики. —2016. — № 4. — С. 54-65. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-208189
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2081892025-10-21T00:20:28Z Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов Метод оптимізації масогабаритних показників при компоновці герметичних блоків бортових радіоелектронних апаратів Weight-and-size optimization method for the layout of hermetically sealed onboard units of electronic equipment Крищук, В.М. Шило, Г.М. Лопатка, Ю.А. Гапоненко, М.П. Оптимальное управление и методы оптимизации Сформовано математичні моделі масогабаритних і теплових характеристик герметичних блоків. Запропоновано методику оптимізації масогабаритних показників. Mathematical models of weight-and-size and thermal characteristics of hermetically sealed units are formed. A method for their optimization is proposed. 2016 Article Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов / В.Н. Крищук, Г.Н. Шило, Ю.А. Лопатка, Н.П. Гапоненко // Проблемы управления и информатики. —2016. — № 4. — С. 54-65. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208189 621.396.6 10.1615/JAutomatInfScien.v48.i8.30 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Оптимальное управление и методы оптимизации Оптимальное управление и методы оптимизации
spellingShingle	Оптимальное управление и методы оптимизации Оптимальное управление и методы оптимизации Крищук, В.М. Шило, Г.М. Лопатка, Ю.А. Гапоненко, М.П. Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов Проблемы управления и информатики
description	Сформовано математичні моделі масогабаритних і теплових характеристик герметичних блоків. Запропоновано методику оптимізації масогабаритних показників.
format	Article
author	Крищук, В.М. Шило, Г.М. Лопатка, Ю.А. Гапоненко, М.П.
author_facet	Крищук, В.М. Шило, Г.М. Лопатка, Ю.А. Гапоненко, М.П.
author_sort	Крищук, В.М.
title	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
title_short	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
title_full	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
title_fullStr	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
title_full_unstemmed	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
title_sort	метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Оптимальное управление и методы оптимизации
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208189
citation_txt	Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов / В.Н. Крищук, Г.Н. Шило, Ю.А. Лопатка, Н.П. Гапоненко // Проблемы управления и информатики. —2016. — № 4. — С. 54-65. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT kriŝukvm metodoptimizaciimassogabaritnyhpokazatelejprikomponovkegermetičnyhblokovbortovyhradioélektronnyhapparatov AT šilogm metodoptimizaciimassogabaritnyhpokazatelejprikomponovkegermetičnyhblokovbortovyhradioélektronnyhapparatov AT lopatkaûa metodoptimizaciimassogabaritnyhpokazatelejprikomponovkegermetičnyhblokovbortovyhradioélektronnyhapparatov AT gaponenkomp metodoptimizaciimassogabaritnyhpokazatelejprikomponovkegermetičnyhblokovbortovyhradioélektronnyhapparatov AT kriŝukvm metodoptimízacíímasogabaritnihpokaznikívprikomponovcígermetičnihblokívbortovihradíoelektronnihaparatív AT šilogm metodoptimízacíímasogabaritnihpokaznikívprikomponovcígermetičnihblokívbortovihradíoelektronnihaparatív AT lopatkaûa metodoptimízacíímasogabaritnihpokaznikívprikomponovcígermetičnihblokívbortovihradíoelektronnihaparatív AT gaponenkomp metodoptimízacíímasogabaritnihpokaznikívprikomponovcígermetičnihblokívbortovihradíoelektronnihaparatív AT kriŝukvm weightandsizeoptimizationmethodforthelayoutofhermeticallysealedonboardunitsofelectronicequipment AT šilogm weightandsizeoptimizationmethodforthelayoutofhermeticallysealedonboardunitsofelectronicequipment AT lopatkaûa weightandsizeoptimizationmethodforthelayoutofhermeticallysealedonboardunitsofelectronicequipment AT gaponenkomp weightandsizeoptimizationmethodforthelayoutofhermeticallysealedonboardunitsofelectronicequipment
first_indexed	2025-10-21T01:21:21Z
last_indexed	2025-10-22T01:10:09Z
_version_	1846642379960877056
fulltext	© В.Н. КРИЩУК, Г.Н. ШИЛО, Ю.А. ЛОПАТКА, Н.П. ГАПОНЕНКО, 2016 54 ISSN 0572-2691 УДК 621.396.6 В.Н. Крищук, Г.Н. Шило, Ю.А. Лопатка, Н.П. Гапоненко МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ КОМПОНОВКЕ ГЕРМЕТИЧНЫХ БЛОКОВ БОРТОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТОВ Введение Актуальной задачей проектирования бортовой радиоаппаратуры является уменьшение массогабаритных показателей блоков устройств [1, 2]. Это требование особенно важно для бортовой аппаратуры космических аппаратов, где зачастую используются герметичные блоки этажерочной конструкции. Минимизация массогабаритных показателей блоков возможна за счет изменения конструктив- ных параметров блока. Поскольку эти факторы влияют на тепловой режим блока, то актуальными являются задачи оптимального проектирования герметичных блоков этажерочной конструкции с учетом тепловых режимов. При анализе тепловых режимов блоков традиционно использовался коэффи- циентный метод с применением моделей из нескольких тел [3,4]. Коэффициенты моделей в этом методе определялись с помощью статистической обработки результатов реального эксперимента. Это неизбежно вызывало значительные погрешности в определении температур электрорадиоэлементов и теплового состояния блоков. Появление систем инженерного анализа позволило с высокой точностью проводить моделирование распределения температур в радиоэлектронных устройствах [5], что открыло возможность проведения оптимизационных проце- дур. Пример такой оптимизации для габаритных параметров блоков этажероч- ной конструкции приводится в [6]. Но предложенный алгоритм позволял про- водить оптимизацию ограниченного набора параметров, например, не проводи- лась оптимизация количества плат, не определялись оптимальные размеры стоек и не устанавливалось оптимальное размещение плат. Также известны работы по исследованию и оптимизации конструкции одноблочных радиоэлектронных ап- паратов путем экспериментальных исследований [7], что существенно увеличива- ло сроки проектирования. Цель публикации — разработка метода оптимизации массогабаритных показателей блоков этажерочной конструкции, в котором моделирование рас- пределения температур в блоке осуществляется с помощью систем инженер- ного анализа. Для достижения поставленной цели необходимо: — создать математические модели массогабаритных и тепловых характери- стик блока этажерочной конструкции; — установить соотношения для оптимальных параметров герметичного бло- ка этажерочной конструкции; — разработать алгоритм оптимизации размещения функциональных узлов по мощности рассеивания; — разработать метод оптимизации массогабаритных показателей герметич- ных блоков с учетом тепловых режимов. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 55 Математические модели массогабаритных характеристик блока При создании математических моделей герметичных блоков используются геометрическая и тепловая модели блока этажерочной конструкции. В геометри- ческой модели блока применялись допущения: — модель не учитывает массу и габариты электрорадиоэлементов, соедини- телей и элементов объемного монтажа; — минимальное расстояние между печатными платами определяется высо- той электрорадиоэлементов; — расстояние от платы к основанию и крышке корпуса задавалось равным половине расстояния между печатными платами. Разнесенная сборка упрощенной конструкции блока с принятыми допуще- ниями изображена на рис. 1, где: 1 — крышка корпуса; 2 — печатные платы; 3 — стойки; 4 — основание корпуса. 1 2 3 4 Рис. 1 Массогабаритные характеристики разделяются на габаритную и несущую. Габаритная характеристика представляет собой зависимость объема блока от количе- ства печатных плат. Для построения габаритной характеристики объем герметичного блока этажерочной конструкции рассчитывался с помощью соотношения [8] 321 LLLV  , где 1L , 2L и 3L — ширина, длина и высота блока. Размеры корпуса рассчитывались с помощью параметров элементов кон- струкции: к 2 1 22 2 da d m n S L re        ; к 2 2 22 2 db d m n S L re        ; .)1( kp3 hhhndnhhL pnppob  56 ISSN 0572-2691 Здесь eS — общая монтажная площадь электрорадиоэлементов, n —количество печатных плат, m — количество стоек, rd — диаметр стоек, a и b — расстояние от плат к боковым стенкам крышки корпуса, kd — толщина крышки корпуса, bh — толщина основания корпуса, pоh — расстояние от первой платы к ос- нованию корпуса, pnh — расстояние от последней платы к верхней стенке крыш- ки корпуса, pd — толщина печатной пла- ты, ph — расстояние между платами. Для блоков этажерочной конструк- ции график габаритной характеристики представлен на рис. 2. В результате мате- матическую модель габаритной характе- ристики блока можно записать в виде функции ,2 10 n a naaV  (1) где 0a , 1a и 2a — коэффициенты модели. Для определения коэффициентов 0a , 1a и 2a выбираются три точки на графике габаритной характеристики (рис. 2): ( 1n , 1V ), ( 2n , 2V ) и ( 3n , 3V ), и составляется система уравнений:             3 2 3103 2 2 2102 1 2 1101 n a naaV n a naaV n a naaV , (2) где 1n , 2n и 3n — количество печатных плат, 1V , 2V и 3V — объем блока при ко- личестве плат 1n , 2n и 3n . Решение системы уравнений (2) имеет вид )()()( ))()()(( 323121 213312321321 2 nnnnnn nnVnnVnnVnnn a    ; 21 2 21 21 1 nn a nn VV a      ; 11 1 2 10 na n a Va  . Несущая характеристика герметичных блоков этажерочной конструкции представляет собой зависимость массы блока от изменения количества печатных плат. Для построения несущей характеристики масса блока рассчитывалась с по- мощью соотношения [8] rpkbu mmmmm  , (3) где u m — масса блока, bm и km , pm и rm — масса основы и крышки корпуса, плат и стоек. V V3 V1 V2 n1 n2 n3 n    Рис. 2 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 57 Слагаемые в соотношении (3) рассчитываются с помощью таких выражений: )2()2( 21 kkbbb dLdLdm  ; ])2()2()(2[ 21321 kkkkk dLdLLdLLdm k  ;                 2 2 re ppp d mπ n S dm ; ])1([ 2 2 ppo r rr hnh d mπm        , где b и k , p и r — плотность материала основы и крышки корпуса, печат- ных плат и стоек. Несущая характеристика имеет вид, аналогичный габаритной характеристике, приведенной на рис. 2. Соответственно аналогичный вид имеют и математические выражения для определения коэффициентов этой модели. Математическая модель блока (1) может использоваться в процессе теплово- го проектирования для оптимизации массы и объема блока путем установления оптимального количества печатных плат. Математические модели тепловых характеристик блока Тепловая характеристика блока представляет собой зависимость теплового сопротивления блока от изменения его конструктивных параметров и разделяется на узловую, межплатную и крепежную характеристики. Тепловое сопротивление блока определяется с помощью выражения e e T P TT R   max , (4) где TR — тепловое сопротивление блока, maxT — максимальная температура в блоке, eT — температура окружающей среды, eP — суммарная мощность рассеивания в блоке. Для получения тепловых характеристик исследовались тепловые режимы в системе SolidWorks с помощью модуля Flow Simulation. Моделирование теп- ловых процессов происходило на тепловой модели блока, при создании кото- рой не учитывались локальные возмущения температур в печатных платах вблизи электрорадиоэлементов. Рассматривалось равномерное распределение мощности по поверхности платы. Влияние металлизации в печатной плате на тепловые процессы учитывается анизотропным коэффициентом теплопро- водности. Принималось, что печатные платы располагались в блоке горизон- тально и имели одинаковый размер. При моделировании задавался теплооб- мен между блоком и внешней средой только конвекцией и излучением. Кроме того, внутри блока учитывалась теплопередача теплопроводностью. Рассмат- ривался стационарный тепловой режим блока, при котором перегревы макси- мальны. Исследовалось распределение температур на элементах конструкции блока при изменении таких конструктивных параметров, как количество печатных плат, расстоя- ние между платами и диаметр стоек. Шаг изменения количества печатных плат со- ставлял sn =1, а расстояний между платами и диаметра стоек равен rsps dh  = 5 мм. В результате проведенных исследований получены максимальные температуры в блоке для определения теплового сопротивления по формуле (4). 58 ISSN 0572-2691 Тепловая узловая характеристика представляет собой зависимость теп- лового сопротивления блока от изме- нения количества печатных плат. Из моделирования теплового режима бло- ка этажерочной конструкции следует, что узловая характеристика имеет вид, показанный на рис. 3, где nTR — тепловое сопротивление блока узло- вой характеристики. Тепловая узловая характеристика блока этажерочной конструкции может аппроксимироваться функцией ,2 10 n b nbbRTn  (5) где 0b , 1b и 2b — коэффициенты модели. Для определения коэффициентов 0b , 1b и 2b выбираются три точки на тепловой узловой характеристике (см. рис. 3), например ( 1n , 1TnR ), ( 2n , 2TnR ) и ( 3n , 3TnR ), и составляется система уравнений, аналогичная (2). Решение системы уравнений имеет вид ))()(( ))()()(( 323121 213312321321 2 nnnnnn nnRnnRnnRnnn b TnTnTn    ; 21 2 21 21 1 nn b nn RR b TnTn      ; 11 1 2 10 nb n b Rb Tn  , где 1TnR , 2TnR и 3TnR — тепловое сопротивление блока при количестве плат 1n , 2n и 3n . Тепловая межплатная характеристика блока представляет собой зависимость теплового сопротивления блока от изменения расстояния между платами. При моделировании теплового режима блока этажерочной конструкции установлено, что межплатная характеристика имеет вид, показанный на рис. 4, где ThR — теп- ловое сопротивление блока межплатной характеристики. Тепловая межплатная характеристика имеет два нисходящих участка при ма- лых и при больших расстояниях между платами. При малых расстояниях между платами (обычно менее 5 мм) в теплообмене между платами проявляется тепло- проводность воздушного теплоно- сителя. В этом случае можно по- лучить наименьшие габариты бло- ка, но практическая реализация та- ких конструкций затруднена высо- той электрорадиоэлементов. Поэтому реально используется участок меж- платной характеристики за преде- лами начальной области, который можно аппроксимировать с помощью функции RTn n1 n2 n3 n RTn2 RTn3 RTn1    Рис. 3 RTh hp1 RTh2 RTh1   hp2 hp Рис. 4 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 59 pTh hccR  10 , (6) где 0c и 1c — коэффициенты модели. Для определения коэффициентов 0c и 1c выбирается две точки на тепловой межплатной характеристике (см. рис. 4), например ( 1ph , 1ThR ) и ( 2рh , 2ThR ), и со- ставляется система уравнений:       2102 1101 pTh pTh hccR hccR , (7) где 1ph и 2ph — расстояние между платами, 1ThR и 2ThR — тепловое сопротив- ление при расстояниях между платами 1ph и 2ph . Решение системы уравнений (7) имеет вид . 1110 12 12 1          pTh pp ThTh hсRc hh RR c Тепловая крепежная характеристика представляет собой зависимость теплового сопротивления блока от измене- ния диаметра стоек. При моделировании теплового режима установлено, что для блока этажерочной конструкции крепежная характеристика имеет вид, показанный на рис. 5, где TdR — тепловое сопротивление блока крепежной характеристики. Тепловая крепежная характеристика бло- ка может аппроксимироваться функцией rHd dggR  10 , (8) где 0g и 1g — коэффициенты модели. Для определения коэффициентов 0g и 1g выбирается две точки на тепловой крепежной характеристике (см. рис. 5), например ( r1d , Td1R ) и ( r2d , Td2R ), и со- ставляется система уравнений:       2102 1101 rHd rHd dggR dggR , (9) где 1rd и 2rd — диаметр стоек, 1TdR и 2TdR — тепловое сопротивление блока при диаметре стоек 1rd и 2rd . Решение системы уравнений (9) имеет вид . 1110 21 21 1          rTd rr TdTd dgRg dd RR g Математические модели блока (5), (6) и (8) могут использоваться в процессе теп- лового проектирования для оптимизации объема и массы блока путем установления оптимального количества плат, диаметра стоек или расстояния между платами. RTd dr1 dr2 RTd2 RTd1 dr   Рис. 5 60 ISSN 0572-2691 Оптимизация объема и массы блока Оптимизация объема и массы блока проводится за счет изменения конструк- тивных параметров, таких как количество печатных плат, расстояние между платами и диаметр стоек. Границы изменения значений этих параметров определяются мини- мальной и максимальной компоновками блока. Минимальная компоновка блока — это минимально допустимые размеры конструктивных параметров, например, рас- стояние между платами ограничивается высотой электрорадиоэлементов. Макси- мальная компоновка — это максимально возможные размеры конструктивных параметров. Минимальная и максимальная компоновки ограничивают множество допустимых значений вектора варьируемых параметров, которое описывается выражением , rp dhn DDDD  где nD — множество допустимых значений количества печатных плат, phD — множество допустимых значений расстояний между платами, rdD — множество допустимых значений диаметра стоек. Множества nD , phD , rdD можно записать в виде выражений: }{ maxmin nnnnDn  ; }{ maxmin pppph hhhhD p  ; }{ maxmin rrrrd ddddD r  , где minn minph minrd — значения количества печатных плат, расстояний между платами и диаметра стоек при минимальной компоновке; maxn maxph maxrd — значения количества печатных плат, расстояний между платами и диаметра стоек при максимальной компоновке. Для определения оптимальных конструктивных параметров блока при тепло- вом проектировании необходимо решать многокритериальную задачу оптимиза- ции, в которой подразумевается как минимизация массогабарита блока, так и ми- нимизация теплового сопротивления. В этом случае оптимизация проводится по двум критериям: — минимизация массы или объема: min;),,( ,,   rp Ddhn dhnG rp — минимизация теплового сопротивления: .min),,( ,,  Ddhn rpT rp dhnR Такая постановка задачи сложна в реализации и подразумевает необходи- мость рассмотрения множества вариантов компоновки блока. Для упрощения за- дача оптимизации разбивается на две подзадачи: — определение оптимального количества печатных плат; — определение диаметра стоек и расстояний между печатными платами. При тепловом проектировании также возникает необходимость рассмотрения дополнительной задачи размещения печатных плат в блоке с учетом мощности рассеивания, которая позволяет, не изменяя габариты блока, уменьшить тепловое Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 61 сопротивление. В этом случае количество печатных плат и размещение их в блоке оптимизируются последовательно, а диаметр стоек и расстояние между платами — параллельно. При оптимизации количества печатных плат необходимо учитывать два кри- терия оптимальности, которые зависят от одного параметра .n Следовательно, необходимо решить многокритериальную одномерную оптимизационную задачу. В настоящее время разработано множество методов решения задачи многокрите- риальной оптимизации [9–11]. Большая часть этих методов основана на сведении многокритериальной задачи оптимизации к однокритериальной методами свертки частных критериев оптимальности, в частности методом линейной свертки. Он предполагает объединение критериев путем построения взвешенной суммы част- ных критериев и переход к однокритериальной задаче: min,)()()( 21   nRknGknF T Dn n где 1k и 2k — весовые коэффициенты и .121  kk При линейной свертке целесообразно использовать нормализованные крите- рии, чтобы избавиться от влияния масштабов частных критериев оптимальности: norm 2 norm 1 )()( )( T T R nR k G nG knF  , (10) где normG — объем (масса) блока при максимальной компоновке блока; normTR — тепловое сопротивление в блоке при минимальной компоновке блока. После подстановки в выражение (10) математических моделей (1) и (5) полу- чим задачу с одним взвешенным критерием: .)( norm 2 10 2 norm 2 10 1                             TR n b nbb k G n a naa knF (11) Оптимальные значения количества плат при оптимизации массогабаритных показателей достигаются при выполнении условия 0 )(  dn ndF . В результате оптимизационное соотношение для нахождения оптимального количества печатных плат можно записать в виде выражения 21norm11norm 22norm12norm21norm11norm )()( kbGkaR kbGkaRkbGkaR n T TT o    . (12) Коэффициенты 1k и 2k определяются опытным путем, при оптимизации объема блока коэффициенты равны: 65,01 k , а 35,02 k , при оптимизации массы блока — 9,01 k , а 1,02 k . В процессе оптимизации размещения печатных плат в блоке с учетом мощ- ности рассеивания учитывалось, что теплопередача от поверхности крайних плат происходит конвекцией и излучением к поверхности корпуса со значительно меньшей температурой, что улучшает теплоотвод и, как следствие, снижает тем- пературу крайних плат. Теплоотдача поверхности плат, расположенных в сере- дине блока, осуществляется в пространстве с более высокой температурой, что javascript:termInfo(%22%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%B2%20%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%22) 62 ISSN 0572-2691 обуславливает повышение температуры этих плат. Поэтому платы с наиболь- шей мощностью рассеивания размещаются вблизи основания и крышки кор- пуса, остальные — в порядке убывания мощности к центру пакета плат. Такой подход позволяет выровнять температуру плат и уменьшить их максимальный перегрев [12]. При оптимизации расстояний между платами и диаметра стоек зависимости объема и массы блока от расстояний между платами и диаметра стоек не имеют экстремума, значение этих параметров определяется исходя из условия обеспече- ния тепловых режимов: Talpo Rhcc  10 ; Talro Rdgg  10 , где poh — оптимальное расстояние между платами; rod — оптимальный диа- метр стоек; TalR — допустимое тепловое сопротивление в блоке. Тогда оптимальное расстояние между платами определяется с помощью вы- ражения 1 0 с сR h Tal pо   . (13) Оптимальный диаметр стоек определяется выражением . 2 1 0          g gR d T al rо (14) Тепловой режим блока может быть обеспечен при использовании любого из выражений (13), (14). Выбор метода обеспечения теплового режима зависит от изменения габаритных показателей блока и ограничений на физическую реализа- цию размеров. Для более точной оценки и выбора оптимального решения исполь- зуется локальный критерий оптимальности. Из условия обеспечения тепловых режимов определяется объем блока при различных значениях межплатных расстояний и диаметра стоек. Размер кон- структивных элементов выбирается исходя из условия: )(,; hdpdpdrr VVhhdd  ; )(,; hdphphrr VVhhdd  . (15) Здесь drd — новый диаметр стоек, pdh — расстояние между платами при диа- метре стоек drd , phh — новое расстояние между платами, hrd — диаметр стоек при расстоянии между платами phh , dV — объем блока при диаметре стоек hrd , hV — объем блока при расстоянии между платами pdh . По результатам оценки локального критерия оптимальности принимаются решения изменения диаметра стоек или расстояния между печатными платами. Параметры, определенные с помощью соотношений (12)–(14), содержат ко- эффициенты моделей, которые имеют нелинейную зависимость. Поэтому при оптимизации объема блока используется итерационный алгоритм. В качестве начального варианта конструкции блока применяется максимальная компонов- ка. С учетом этих особенностей алгоритм оптимизации объема блока имеет следующий вид. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 63 Шаг 1. Проверка возможности и необходимости проведения оптимизации. Если условие (16) выполняется, то переход на шаг 2, иначе алгоритм завершается с выводом о необходимости использования механизмов интенсификации про- цессов теплообмена: T alT RR max , (16) где maxTR — тепловое сопротивление при максимальной компоновке. Шаг 2. Определение оптимального количества печатных плат из выраже- ния (12). Шаг 3. Проверка условия (17). Если условие выполняется, то проводится оп- тимизация размещения печатных плат с учетом мощности рассеивания. Иначе проводится ранжирование печатных плат по высоте блока, начиная с наиболее мощных, и осуществляется переход на шаг 4: ,1 ii nn (17) где in — количество печатных плат на предыдущей итерации, 1in — оптималь- ное количество плат на данной итерации. Шаг 4. Определение оптимального расстояния между платами из выра- жения (13). Шаг 5. Определение оптимального диаметра стоек из выражения (14). Шаг 6. Определение локального критерия оптимальности с помощью выра- жения (15). Шаг 7. Проверка условия (18). Если условие выполняется, то делается вывод, что конструкция оптимальна, иначе — переход на шаг 2: , 1 1     i ii V VV (18) где iV — объем блока на предыдущей итерации, 1iV — объем блока на данной итерации,  — точность вычислений. Алгоритм оптимизации массы блока имеет аналогичный вид. Количество пе- чатных плат определяется заменой целевой функции объем блока на массу в вы- ражениях (11) и (18). Предложенный алгоритм позволяет провести оптимизацию количества печатных плат, определить расстояния между платами и диаметр стоек, а также разместить платы в блоке в зависимости от их мощности. Применение предложенного метода Результаты применения метода оптимизации объема и массы герметично- го блока этажерочной конструкции приведены в табл. 1 , 2. Применение мето- да рассмотрено на примере герметичного блока, входящего в состав аппара- туры управления ракетоносителя. Толщина основания корпуса блока составляла 7bh мм, а толщина крышки корпуса и плат —  pk dd 2 мм. Расстояние от края платы к крышке корпуса при- нималось равным l = 10 мм. Задава- лась общая монтажная площадь элек- трорадиоэлеметнов eS 0,04 м 2 . Ко- эффициент черноты всех поверхнос- тей составлял ε = 0,9. Коэффициент теплопроводности стоек и корпу- са имел значение m = 140 Вт/м·К, Таблица 1 Компоновка Параметры v, л n ,ph мм ,rd мм Максимальная (начальная) 10 30 20 2,46 Минимальная 7 5 5 0,47 Оптимальная 3 5 12 0,51 64 ISSN 0572-2691 а коэффициент теплопроводности печатных плат — p = 3(40) Вт/м·К в аксиальном и радиальном направ- лениях соответственно. Температу- ра окружающей среды имела значе- ние eT 50 °С. Максимально допу- стимая температура задавалась значением TalR 70 °С. Суммарная мощность рассеивания в блоке составляла eP 7 Вт. Точность вычислений уста- навливалась равной 3105,2  . Конструктивные ограничения: минимальное расстояние между платами 5 мм. Максимальное значение расстояния между платами составляло ,30ph диаметр стоек — ,20rd а количество печатных плат — 10n . Оптимизационная процедура позволила уменьшить объем блока на 79 % по сравнению с максимальной компоновкой. Масса блока уменьшилась на 67 % по сравнению с максимальной компоновкой. Заключение Предложенный метод оптимизации массогабаритных параметров герметич- ных блоков использует системы моделирования тепловых процессов, позволяет отказаться от длительных и кропотливых экспериментальных исследований. При создании математических моделей используются графики зависимости объема блока и тепловых характеристик от изменения количества печатных плат, диамет- ра стоек и расстояния между платами. В связи с нелинейной зависимостью коэф- фициентов математических моделей оптимальные соотношения определяются в итерационном алгоритме. Результаты применения предложенного метода для герметичного блока пока- зали, что оптимизационная процедура позволяет уменьшить объем блока на 79 % по сравнению с максимальной компоновкой. Масса блока уменьшилась на 67 % по сравнению с максимальной компоновкой. Разработанный алгоритм оптимизации учитывает конструктивные ограниче- ния на размеры элементов конструкции и проверяет целесообразность и возмож- ность проведения оптимизационной процедуры. В случае невозможности прове- дения оптимизационных процедур делается вывод о необходимости использова- ния механизмов интенсификации процессов теплообмена. В.М. Крищук, Г.М. Шило, Ю.А. Лопатка, М.П. Гапоненко МЕТОД ОПТИМІЗАЦІЇ МАСОГАБАРИТНИХ ПОКАЗНИКІВ ПРИ КОМПОНОВЦІ ГЕРМЕТИЧНИХ БЛОКІВ БОРТОВИХ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ АПАРАТІВ Сформовано математичні моделі масогабаритних і теплових характеристик герметичних блоків етажерної конструкції. Отримано співвідношення для визна- чення оптимальної кількості друкованих плат, відстаней між платами і діаметра стояків. Запропоновано методику оптимізації масогабаритних показників герметичних блоків етажерної конструкції, в якій здійснюється моделювання розподілу температур в блоці засобами інженерного аналізу. Таблица 2 Компоновка Параметры м, кг n ,ph мм ,rd мм Максимальная (начальная) 10 30 20 1,95 Минимальная 10 5 5 0,42 Оптимальная 3 5 12 0,65 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2016, № 4 65 V.N. Krischuk, G.N. Shilo, Yu.A. Lopatka, N.P. Gaponenko WEIGHT-AND-SIZE OPTIMIZATION METHOD FOR THE LAYOUT OF HERMETICALLY SEALED ONBOARD UNITS OF ELECTRONIC EQUIPMENT The mathematical models of the weight-and-size and thermal characteristics of her- metically sealed stackable design units are generated. The relations are obtained for determining the optimal number of printed circuit boards, the distances between the boards and the diameter of the rack. The method of weight-and-size optimization of hermetically sealed stackable design unit are proposed. Temperature distribution simulation in the unit is carried out by CAE system. 1. Белоусов Е.Л., Ушкар М.Н. Конструирование блоков бортовой авиационной аппаратуры связи. — Нижний Новгород: НГТУ, 2005. — 237 с. 2. Кольтюков Н.А., Белоусов О.А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. — Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2009. — 84 с. 3. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании ра- диоэлектронной аппаратуры. — М.: Сов. радио, 1976. — 232 с. 4. Конструирование радиоэлектронных устройств / Н.С. Образцов, Н.И. Каленкович, А.М. Ткачук и др. — Минск : БГУИР, 2006. — 71 с. 5. Kurowski P. Thermal analysis with SOLIDWORKS simulation 2015 and flow simulation 2015. — SDC Publications, 2015. — 277 p. 6. Оптимизация объема герметичных блоков радиоэлектронной аппаратуры / Н.П. Гапоненко, О.В. Сиротюк, Е.В. Огренич, Ю.А. Лопатка, Е.К. Арешкин // Прикладная радиоэлектроника. — 2012. — 11, № 3. — C. 455–458. 7. Майко И.М., Детинов Ю.М., Синотин А.М. О теплофизическом конструировании одно- блочных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом // Вопросы радио- электроники. — 1974. — № 1. — С. 80–87. 8. Дослідження масогабаритних і теплових характеристик герметичних блоків радіоелект- ронних апаратів / Г.М. Шило, О.В. Сиротюк, А.Є. Савелло, Ю.А Лопатка, Є.К. Арєшкін, М.П. Гапоненко // Радіоелектроніка, інформатика, управління. — 2013. — № 1–2. — С. 42–47. 9. Ногин В. Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход. — М.: Физматлит, 2002. — 144 с. 10. Stadler W. Multicriteria optimization in engineering and in the sciences. — New York : Springer Science & Business Media, 2013. — 406 p. 11. Development and study of subsystem for solution of tasks of multicriterial optimization / P. Denysyuk, V. Teslyuk, T.A. Alomari, T. Teslyuk // Proceedings of the 5th International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design (MEMSTECH). — 2009. — P. 166–167. 12. Оптимизация размещения печатных плат при тепловом проектировании герметичных бло- ков / В.Н. Крищук, Г.Н. Шило, Ю.А. Лопатка, Н.П. Гапоненко // Изв. вузов. Приборострое- ние. — 2015. — 58, № 7. — С. 576–580. Получено 26.10.2015 После доработки 24.02.2016

Метод оптимизации массогабаритных показателей при компоновке герметичных блоков бортовых радиоэлектронных аппаратов

Репозитарії

Схожі ресурси