Тепловой и механический анализ печатной платы в Компас 3D

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ САПР, КОМПАС-3D, МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, АНАЛИЗ.
Цель работы – верификация конструктивных решений при проектировании электронной аппаратуры средствами машиностроительных САПР.
В рамках дипломной работы были поставлены следующие задачи:
― Изучение инструментальных средств анализа полученных конструктивных решений при проектировании печатных;
― Анализ тепловых характеристик печатных плат на основе машиностроительных САПР;
― Анализ механических характеристик печатных плат на основе машиностроительных САПР.
...

Задача оценки тепловых режимов конструкции весьма сложна из-за трудностей получения адекватной математической модели тепловых процессов в конструкции. Частично оптимизация тепловых режимов достигается на этапах компоновки и размещения путем введения соответствующих критериев оптимизации и ограничений, учитывающих допустимые мощности рассеивания конструктивных элементов и двух рядом стоящих элементов, коэффициенты теплоотдачи элементов и др.
Задача анализа механических характеристик конструкции заключается в определении процессов, происходящих в конструкции при статических, линейных динамических, вибрационных и других механических нагрузках. В отличие от задач анализа помехоустойчивости и тепловых режимов эта задача практически не связана с результатами коммутационно-монтажного проектирования.

Конструктор электронных устройств часто выполняет работы, связанные с анализом и устранением вредных влияний на аппаратуру механических процессов, возникающих при ее транспортировке или эксплуатации на автомобилях, кораблях, самолетах, ракетах и т.д.
Современные компьютерные технологии позволяют сократить расходы на изготовление опытных образцов для оценки надежности проектируемой аппаратуры за счет проведения вычислительного эксперимента. Такая замена дает огромный экономический эффект за счет сокращения естественных испытаний и связанного с этим сокращения сроков проектирования.

Такие продукты компании, как Altium Designer, P-CAD, Tasking и др. широко известны в мире и зарекомендовали себя как удобные и надёжные инструменты для разработчиков электроники.Система автоматизированного проектирования электроники Altium Designer призвана заменить своих предшественников - широко распространенные САПР под марками P-CAD и Protel. Хотя многие функции P-CAD и Protel перенесены в Altium Designer, идеология нового продукта подразумевает совершенно новый, инновационный подход к проектированию электроники. Новая система представляет собой комплексное решение, позволяющее в рамках единой модели данных вести разработку электронных устройств во всех трех аспектах: печатные платы, программируемая аппаратная часть и программная часть. В одном и том же приложении можно разрабатыватьпринципиальные схемы, проектировать печатные платы и создавать прототипы будущих устройств. Над одним проектом могут работать специалисты разных отделов. В результате инженеры получают возможность сосредоточиться на интеллектуальной составляющей изделия, на совершенстве его электронной начинки, что во многом определяет конкурентные преимущества выпускаемой продукции.Задачи, решаемые в системе Altium Designer охватывают весь необходимый инструментарий для разработки, редактирования и отладки проектов на базе электрических схем и ПЛИС. Редактор схем позволяет вводить многоиерархические и многоканальные схемы любой сложности, а также проводить смешанное цифро-аналоговое моделирование. Библиотеки программы содержат более 90 тысяч готовых компонентов, у многих из которых имеются модели посадочных мест, SPICE и IBIS-модели, а также трёхмерные модели. Любую из вышеперечисленных моделей можно создать внутренними средствами программы.2.2 Машиностроительные САПРAnsys. ANSYS — универсальная программная система анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование — изготовление — испытания». Система работает на основе геометрического ядра Parasolid.Программная система ANSYS является довольно известной CAE-системой, которая используется на таких известных предприятиях, как ABB, BMW, Boeing, Caterpillar, Daimler-Chrysler, Exxon, FIAT, Ford, БелАЗ, General Electric, Lockheed Martin, MeyerWerft, Mitsubishi, Siemens, Alfa Laval, Shell, Volkswagen-Audi и др.Siemens NX. NX — флагманская CAD/CAM/CAE-система от компании Siemens PLM Software (до 1-го октября 2007 года UGS PLM Software, подразделение Siemens Automation & Drives). NX широко используется в машиностроении, особенно в отраслях выпускающиех изделия с высокой плотностью компоновки и большим числом деталей (энергомашиностроение, газотурбинные двигатели, транспортное машиностроение и т.п.) и/или изготавливающих изделия со сложными формами (авиационная, автомобильная и т.п.).Пакет средств инженерного анализа NX Digital Lifecycle Simulation — основа системы анализа в NX, работающей под управлением Teamcenter. Данный пакет интегрирован с приложением NX Design и использует возможности и ресурсы как NX, так и Teamcenter.NX Nastran является инструментом для проведения компьютерного инженерного анализа (CAE) проектируемых изделий, который позволяет решать большинство расчетных задач при создании изделия. NX Nastran обеспечивает анализ напряжений и разрушений, вибраций, усталости и долговечности, передачи тепла, шума/акустики и аэроупругости. Система обеспечивает интеграцию с большим числом CAE приложений.Решатель NX Nastran обеспечивает выполнение полного набора инженерных расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, анализ частотных характеристик, отклика на динамические и случайные воздействия.Решатель NX Nastran доступен совместно с инженерными системами для подготовки расчетных моделей NX и Femap или в виде самостоятельного приложения, используемого на специально выделенных CAE серверах или высокопроизводительных вычислительных кластерах с любыми совместимыми инструментами пре-постпроцессорной обработки NX Nastran.Система NX Nastran распространена в таких областях промышленности, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроение, тяжелое машиностроение, медицина и товары народного потребления, обеспечивая анализ напряжений, вибраций, долговечности, передачи тепла, шума/акустики и аэроупругости. Система обеспечивает высокую степень интеграции с большим числом CAE приложений.АСКОН Компас 3D. КОМПАС-3D — система трёхмерного моделирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий, благодаря удачному сочетанию простоты освоения и легкости работы с мощными функциональными возможностями твердотельного и поверхностного моделирования.Ключевой особенностью продукта является использование собственного математического ядра и параметрических технологий, разработанных специалистами АСКОН.Система APM FEM предназначена для выполнения экспресс-расчетов твердотельных объектов в системе КОМПАС-3D, и визуализации результатов этих расчетов.В состав APM FEM входят инструменты подготовки деталей и сборок к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчётной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения.В заключении можно сделать вывод, что для механического анализа больше подходит машиностроительные САПР, так как САПР ПП делает акцент на анализ помехоустойчивости. Тем не менее современные САПР ПП включают в себя функционал теплового анализа, что делает его более подходящим для такого рода верификации, так как нельзя недооценивать важность трассировки. 3 Конечно элементное моделирование как основа контроля конструктивных решений ЭА3.1 Анализ по МКЭВ современном проектировании широко используются различные программные пакеты автоматизированного конструирования (computer aided engineering — САЕ), позволяющие оценивать проекты на каждом этапе процесса разработки. Средства САЕ позволяют анализировать кинематику или динамику повеления проектируемого агрегата. Средства САЕ позволяют определить распределение напряжении или температур в механических компонентах, рассчитанных на физическую или тепловую нагрузку. Возможно также проведение вибрационном анализа компонента, на который будет воздействовать динамическая нагрузка. Перечисленные задачи решаются при помощи средств анализа методом конечных элементов. Метод конечных элементов, является наиболее популярным численным методом. Универсальность этого метода удовлетворяет требованиям современных сложных систем конструирования, для которых обычно отсутствуют замкнутые решения уравнений равновесия. Анализ методом конечных элементов начинается с аппроксимации исследуемой области (области задачи) и делении её на ячейки сетки. Такие сетки называются конечными элементами.От сложности сетки зависит размер глобальной матрицы жесткости, численная сложность задачи и объем требуемых вычислительных ресурсов. Точность решения можно повысить увеличением количества ячеек или использованием функций формы более высоких порядков. Конечные элементы должны удовлетворять определенным требованиям. Во-первых, размерность элементов должна совпадать с размерностью области задачи. Для одномерных задач используются одномерные элементы, для двумерных —двумерные, и т. д. Во-вторых, конечные элементы должны поддерживаться выбранной программой. Другими словами программа должна уметь рассчитывать вклад конкретного элемента в матрицу жесткости. Все элементы, поддерживаемые пакетом анализа, составляют его библиотеку. Чем больше элементов в библиотеке, тем большее число задач может решать программа. После аппроксимации исходного объекта конечными элементами с должным количеством узлов каждому узлу сопоставляется неизвестная величина, которая ищется в процессе решения задачи. Аппроксимировав область задачи набором дискретных конечных элементов, задаются характеристики материала и граничные условия для каждого элемента. Указав различные характеристики для разных элементов, мы можем анализировать поведение объекта, состоящего из разных материалов. Граничные условия (смещение, внешняя сила или температура) обычно задаются на внешней границе объекта. Эти условия должны быть выражены в виде значений смещения, силы или температуры в граничных узлах некоторых конечных элементов. После задания граничных условий для всех внешних узлов программа конечно элементного анализа формирует систему уравнений, связывающую граничные условия с неизвестными, после чего решает эту систему относительно неизвестных. После нахождения значений неизвестных пользователь получает возможность рассчитать значение любого параметра в любой точке любого конечного элемента по той же функции формы, которая использовалась при построении системы уравнений. Выходные данные программы анализа методом конечных элементов обычно представляются в числовой форме. В задачах механики твердых тел выходными данными являются смещения и напряжения. В задачах на теплоперенос выходными данными являются температуры и тепловые потоки через конкретные элементы. Однако по числовым данным пользователю бывает затруднительно получить общее представление о поведении соответствующих параметров. Графические изображения обычно более информативны, поскольку дают возможность изучить поведение параметров на всей области задачи. Анализ поведения параметров может производиться при помощи постпроцессора, который строит кривые и контурные графики переменных по данным программы конечно элементного анализа. В общем виде процедура подготовки и анализа иллюстрируется на рисунке 5.Рисунок 5 – Диаграмма этапов работы1) Упрощение геометрии детали. Перед тем как строить сетку конечных элементов для проектируемой детали, необходимо внимательно изучить ее и определить, нельзя ли ее упростить. Во многих случаях перенос всех подробностей геометрической модели в аналитическую нежелателен, потому что мелкие детали приводят к формированию большого количества маленьких ячеек, что в конечном итоге увеличивает время вычисления. Поэтому можно попытаться упростить геометрию детали методом удаления элементов, не существенных для анализа, таких как закруглении, фаски и небольшие отверстия.2) Задание материалов. Перед выполнением анализа необходимо определить свойства материала.3) Наложение ограничений. Необходимо задать ограничения на смещение: заданная поверхность должна иметь нулевые смещения по всем шести степеням свободы (вращательным и трансляционным).4) Приложение нагрузок. Необходимо выбрать вид нагрузки: давление, распределенная сила, угловое ускорение, температура.5) Оценка сетки. Теперь можно построить сетку конечных элементов. Размер элементов может быть задан двумя способами. Глобальные параметры сетки – это максимальный и минимальный размер элемента во всей модели. Локальные параметры сетке – максимальный и минимальный размер элемента на ребре, поверхности или в окрестности точки. На практике удобно бывает построить сетку без задания конкретных значений параметров и изучить результат, который может послужить хорошей отправной точкой. Затем при необходимости можно присвоить параметрам нужные значении и повторить процесс построения.6) Перестроение сетки. При необходимости уменьшить или увеличить размер конечных элементов.7) Вывод данных системы моделирования. Необходимо создать выходной файл с данными о сетке, который будет содержать:Элементы и узлы сетки;Ограничения наложенные на модель;Параметры использованных материалов.8) Решение и оценка результатов. Выполняется анализ выходного файла в программной среде средствами моделирования и анализа МКЭ. Анализ методом конечных элементов является мощнейшей технологией, позволяющая моделировать распределение напряжений, температур, потоки жидкостей и распространение электромагнитных полей, однако до сих пор нерешенной остается проблема подготовки данных для проведения анализа: выбор геометрии, построение сетки конечных элементом, добавление граничных условий и нагрузок, задание свойств материалов и выбор типа анализа (статический или динамический, линейный или нелинейный, анализ деформаций напряжений и т. д.). Действия, относящиеся к подготовке данных, о6о6щенно называют моделированием конечных элементов. Выполняются эти действия чаще всего препроцессором, рассчитанным на работу с какой-либо конкретной программой анализа методом конечных элементов.3.2 Исследование тепловых характеристик на основе МКЭМетод конечных элементов (МКЭ, или FEM – Finite Element Method) в настоящее время широко используется для решения различных задач механики деформируемого твердого тела, в частности, для выполнения экспресс-расчетов на прочность на этапе 3D- проектирования конструкций. Суть метода заключается в разбиении твердотельной модели на конечное число подобластей (элементов), составлении и последующем решении системы линейных алгебраических уравнений. Большинство современных CAD-систем имеет специальные инструменты, предназначенные для автоматизации подобных расчетов. Прочностной КЭ анализ в КОМПАС-3D реализует прикладная библиотека APM FEM, в которую входят инструменты подготовки деталей и сборок к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно- элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом) и постпроцессор.APM FEM позволяет провести следующие виды расчетов:Статический расчет;Расчет на устойчивость;Расчет собственных частот и форм колебаний;Тепловой расчет.В результате выполненных системой APM FEM расчетов можно получить следующую информацию: Карту распределения нагрузок, напряжений, деформаций в конструкции; Коэффициент запаса устойчивости конструкции; Частоты и формы собственных колебаний конструкции; Карту распределения температур в конструкции; Массу и момент инерции модели, координаты центра тяжести.В состав APM FEM входят инструменты подготовки деталей и сборок к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы КЭ сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом) и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчётной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и тепловой нагрузки.В качестве исследуемой модели будет использован USB SPI программатор, принципиальная схема которой (рис. 6) была воплощена в 3D модель (рис. 7). При этом сама геометрическая модель ПП требует значительных упрощений, обусловленных расчетными алгоритмами CAE-подсистем при моделировании прочностных и тепловых характеристик. Для упрощения геометрической модели была опущена трассировка ПП.Рисунок 6 – Принципиальная схема USB SPI программатораРисунок 7 – 3D модель USB программатора3.2.1 Подготовка модели к расчетуВыбор материалаВ процессе решения задачи анализа тепловых характеристик были выявлены следующие сложности. Во-первых – выбор материала. Моделируемые процессы обмена теплом (энергией) в APM FEM носят характер теплопроводности, обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве. Способность передавать энергию тесно связана со свойствами материала, поэтому проектировщику необходимо либо добавлять требуемый материал в библиотеку материалов, либо ограничиваться существующими. Во-вторых – невозможность газодинамического анализа конструкции. Прочностной анализ модуля APM FEM позволяет решать задачи термоупругости и теплопроводности только при установившимся стационарном режиме.Для начала моделирования необходимо выбрать соответствующий материал печатной платы и размещенных на ней деталей. Согласно ГОСТ 26246.11-89 [3] печатные платы изготавливаются из электроизоляционных материалов на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Так как в стандартной библиотеке программного обеспечения АСКОН Компас 3D нету подходящего материала, необходимо самостоятельно выбрать параметры материала. В качестве примера печатная плата будет сделана из стеклотекстолита FR4, средняя плотность которой составляет 1.7 – 1.9 г/см3 или 1700 – 1900 кг/м3, предел прочности на изгиб 560 Н/мм2. Более подробно параметры стеклотекстолита марки FR4 можно посмотреть в приложении А.Для того, чтобы создать новый материал, необходимо в библиотеке материалов, во вкладке "сервис", включить "режим редактирования" (рис. 8). Данная функция доступна только пользователям с правами администратора. Далее необходимо выбрать группу материалов в которой будет находится новый материал. Выбрав группу, во вкладке "редактор" необходимо выбрать пункт "новый материал".Рисунок 8 – Выпадающее меню пункта Сервис и РедакторДалее будет предложено выбрать основные сведения о материале, описание материала, материалы – заменители, свойства материала, информацию о производителе (рис. 9). Рисунок 9 – Пример создания материала в библиотеке Компас 3DДля быстрой навигации добавим созданный материал в "Избранное".В целях упрощения геометрии детали, для всей сборки был выбран один материал стеклотекстолит FR4.Для выбора материала детали сборки, необходимо зайти в "Свойство компонента". Далее в появившемся окне "Свойства компонента" во кладке "Параметры МЦХ (Масса-Центровочные Характеристики)", "Выбрать материал из справочника" можно загрузить созданный материал из "Избранного" (рис. 10).Рисунок 10 – Задание свойства материалаЗадание закрепленийДля задания закрепления, в панели инструментов библиотеки APM FEM (рис. 11, а) необходимо выбрать команду "Установить закрепление" и указать необходимую грань или ребро модели (рис. 12). а) Подготовка модели б) разбиение и расчет в) результаты Рисунок 11 – Панель инструментов библиотеки APM FEMДля того чтобы более полно представлять возможности, которые предоставляет панель инструментов рассмотрим назначение каждой пиктограммы панели инструментов (табл. 1). Таблица 1 – Пиктограммы панели инструментов APM FEMПиктограммаКомандаАктивизирует инструментальную панель "Подготовка модели"Приложить давлениеПриложить распределенную силуПриложить линейное ускорениеПриложить угловое ускорениеПриложить удельную силу по длинеПриложить удельную силу по площадиЗадать температуруУстановить закреплениеЗадать совпадающие поверхностиРазбиение и расчетГенерация КЭ сеткиРасчетПараметры усталостного расчетаПараметры расчетаРезультатыКарта результатовУстойчивостьСобственные частотыИнерционные характеристики моделиСохранить отчетВыноскаРисунок 12 – Установленные закрепленияДля улучшения визуализации размеры изображения стрелок, закреплений и нагрузок на модели определяются в ручную.Приложение нагрузкиЧтобы приложить температуру к поверхности сборки, необходимо выбрать команду "Задать температуру" (см. табл. 1). Выбрав эту команду вы сможете приложить равномерно распределенную температуру к ребру, к поверхности или к узлу вашей 3D модели.Укажите поверхности, ребра, узлы или детали целиком, к которым будет приложена температура, и введите числовое значение действующей температуры в градусах Цельсия (рис. 13).