Проектирование радиоэлектронной аппаратуры в среде SolidWorks

Владимир Сорокин, Андрей Алямовский

Введение

Подавляющее большинство современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) сочетает в своей конструкции механическую и электрическую составляющие. Однако, несмотря на постоянное совершенствование средств компьютерного моделирования, проектирование  электрической части ведется отдельно от механической, в результате чего возникают  ошибки компоновки,  трансляции, затруднено определение массово­инерционных характеристик и т.п.  Также необходим комплексный инженерный анализ с точки зрения механики, динамики, тепла, собственно радиоэлектроники, а иногда и оптики/светотехники.

Наиболее эффективным способом решения этих проблем является применение специализированного программного обеспечения, объединяющего разработку электрической, механической и электротехнической составляющих РЭА с сохранением ассоциативных связей между ними. В среде SolidWorks таким решением является комплекс модулей: CircuitWorks, SWR­Электрика, модули инженерного анализа Simulation, а также инструменты специальных расчетов.

Окно CircuitWorks

В общем случае разработку РЭА различного назначения можно свести к выполнению ряда основных этапов.

Проектирование печатных плат

При работе над проектом, включающим как электрическую, так и механическую составляющие, одной из основных трудностей является воспроизведение в среде трехмерной САПР полноценных 3D­моделей печатных плат со всеми входящими элементами. Наличие таких моделей позволяет сымитировать процесс сборки изделия на стадии проектирования и гарантировать отсутствие интерференции (взаимопересечения) компонентов печатной платы и корпуса изделия при монтаже готового изделия. Геометрическое моделирование такой платы средствами любой трехмерной САПР довольно трудоемко, а с учетом того, что схемотехническое проектирование уже проведено, по сути, является двойной работой.

Сборочная модель печатной платы

Для решения этой задачи в SolidWorks входит модуль CircuitWorks.  Данное приложение формирует трехмерные модели печатных плат на основании данных, полученных из электротехнических САПР (ECAD), таких как Mentor Graphics, OrCAD, P-CAD, Altium Designer и др.

Библиотека компонентов

В качестве источника данных для CircuitWorks применяется IDF­файл, файл обмена информацией между схемотехническими и механическими САПР или же файл формата XML. В результате трансляции данного файла в SolidWorks создается трехмерная сборка, состоящая из печатной платы и элементов. Если элементная база печатной платы имеется в библиотеке электронных компонентов CircuitWorks, то приложение будет использовать библиотечные детали и размещать их на печатной плате в соответствии с заданными в IDF­файле координатами. При отсутствии компонента в базе данных CircuitWorks предварительно, в автоматическом режиме создаст его габаритную модель (прямоугольный параллелепипед), а затем  расположит его на печатной плате. Такой подход позволяет повысить скорость формирования сборочной модели печатной платы, причем генерация элемента происходит только один раз при внесении его в библиотеку. CircuitWorks предоставляет возможность предварительного добавления компонентов в библиотеку вручную, их удаления, модификации существующих компонентов, например, для придания реалистичного отображения или же изменения электрических свойств.

Фильтрация элементов

CircuitWorks позволяет решить и обратную задачу — сохранить сборку печатной платы SolidWorks в формате IDF и передать ее в схемотехническую САПР.  Можно создать твердотельную модель печатной платы и ее компонентов на основе эскиза в SolidWorks, а затем сохранить с информацией об электрических свойствах и характеристиках. Эту возможность удобно использовать в тех случаях, когда габариты печатной платы зависят от формы и размеров корпуса прибора или отсека оборудования, в котором эта печатная плата будет эксплуатироваться. При необходимости можно изменить в сборке SolidWorks размещение элементов печатной платы, полученной в IDF­формате и созданной модулем CircuitWorks, а затем сохранить в файл IDF измененные координаты элементов для последующей трассировки полученного результата в схемотехнической САПР.

Монтаж печатной платы

Монтаж печатной платы

Гибкие средства фильтрации CircuitWorks в совокупности с инструментом предварительного просмотра позволяют исключить данные, содержащиеся в файле ECAD, которые не должны быть переданы в модель SolidWorks. Например, все отверстия заданного размера или все электронные компоненты определенного типа могут быть исключены и не будут формироваться в модели.

Разработка механической части

SolidWorks предоставляет все необходимые инструменты для моделирования механической составляющей РЭА — для проектирования трехмерных деталей и сборок и создания чертежей в соответствии с требованиями ЕСКД. Применение специализированных модулей расширяет функционал SolidWorks  для ускорения решения специальных задач.

Импортируемая таблица соединителей

Библиотечный элемент с группой контактов

Объемный электромонтаж

Эффективным решением объемного проектирования и создания конструкторской документации РЭА в среде SolidWorks является модуль SWR-Электрика. Он объединяет в среде SolidWorks электрическую и механическую части РЭА. По данным электротехнических САПР, в интерактивном или автоматическом режиме модуль создает проводные соединения между контактами в пространстве трехмерной модели изделия, обладает возможностью автоматической укладки жгутов в изделии, минимизируя их протяженность. SWR-Электрика предоставляет доступ к пополняемой библиотеке соединителей и проводов, формирует различные отчеты с подробной информацией об использованных проводах, кабелях и жгутах, предоставляет данные по расходу материалов (трубки, плетенки), позволяет выполнять поиск конфликтов, препятствующих собираемости изделия, оформить рабочую конструкторскую документацию в соответствии с требованиями ЕСКД и создать монтажный шаблон, позволяющий физически изготовить спроектированный жгут на монтажном столе.

Функциональные возможности модулей SolidWorks Simulation

Вся необходимая информация для монтажа может быть получена путем указания пары контактов в графической области или импортирована из внешнего источника данных, например из файла в формате ASCII, получаемого при выводе отчетной информации из схемотехнических САПР (P-CAD, Orcad, Protel) либо сформированного вручную в любом текстовом редакторе. При этом в файле необходимо указать  марку провода и сечение жилы,  а также схемное обозначение и номера соединяемых контактов.

Прокладка трассы

Проложенная трасса в изделии

Места расположения контактов определяются один раз в модели соединителя, после чего эту модель можно сохранить в базе соединителей для последующего многократного применения. Для ускорения процесса задания контактов используется специализированная команда, которая автоматически создает группу контактов, расположенных в модели соединителя по определенной схеме: в несколько рядов, шестиугольником или по нескольким концентрическими окружностям. Контакты будут автоматически перенумерованы (впрочем, любое имя, в том числе и имя контакта, можно переопределить вручную) и получат значение по умолчанию для припуска на длину присоединяемого провода.

Спроектированный жгут

Список используемых в работе проводов и многожильных кабелей хранится в пополняемой библиотеке материалов. Допустимые маршруты прохождения жгутов, отражающие топологию монтажа, создаются средствами модуля в интерактивном режиме. Жгуты могут иметь неограниченное число ответвлений. Соединения устанавливаются между контактными точками. При формировании жгутов автоматически рассчитываются диаметры их сегментов (участков между ответвлениями), длины проводов, кабелей, жгутов и их участков. Моделируется применение трубок и плетенок — их диаметры и толщины учитываются при расчете диаметров жгутов, а длины автоматически вычисляются и отражаются в отчетах. Выполняется анализ результатов проектирования для определения корректности использования трубок и плетенок, а также для выявления проводов и жгутов, минимальный радиус сгиба которых оказался меньше установленного для них минимально допустимого значения.

Отчеты

По результатам проектирования создаются отчеты (таблица соединений, сводные перечни проводов, кабелей, оболочек и др.). Автоматически генерируется плоское представление жгута — монтажный шаблон и сборочный чертеж жгута. При работе с чертежом SWR-Электрика самостоятельно раскладывает на плоскости все сегменты спроектированного жгута, добавляет изображения соединителей, смонтированных на концах жгута, расставляет размеры, создает таблицы распайки для каждого соединителя и жгута в целом.

Создание соединений производится в трехмерном параметрическом пространстве CAD­модели, что позволяет выполнять монтаж наиболее эффективно. SWR­Электрика добавляет автоматизированные методы формирования электрожгутов в интуитивно понятный интерфейс SolidWorks, используя при этом исключительно стандартные геометрические объекты SolidWorks и механизм ассоциативных связей между ними. Благодаря этому любая 3D­модель, созданная с помощью модуля SWR­Электрика, хранится в «родном» формате SolidWorks и может быть легко открыта и отредактирована даже на компьютере, на котором не установлена SWR­Электрика. При внесении изменений в модель характеристики проводов и жгутов автоматически пересчитываются в соответствии с новыми геометрическими условиями. Чертежи монтажных шаблонов являются стандартными документами SolidWorks и автоматически изменяются при изменении трехмерной модели.

Чертеж жгута

SWR­Электрика не навязывает конструктору каких­либо новых, непривычных ему команд, а максимально автоматизирует большинство рутинных операций, возникающих в процессе проектирования, отслеживает корректность моделирования электрических соединений, автоматически обновляет геометрическую модель и дает пользователю возможность полностью сконцентрироваться именно на самом процессе проектирования, а не на поиске тех или иных команд. SWR­Электрика максимально использует стандартные для SolidWorks механизмы построения и редактирования объектов монтажа: геометрия основана на 3D­сплайнах, форму и длину которых можно легко модифицировать, удаляя, добавляя или перетаскивая мышью контрольные точки. Системные настройки поз­воляют гибко управлять параметрами по умолчанию. Монтажный шаблон создается в автоматическом режиме и содержит чертеж жгута, различные таблицы (соединений, распайки и т.д.), вспомогательные данные (изображения соединителей, технические требования и пр.). Любые результаты, полученные автоматически, при необходимости могут быть модифицированы вручную. Модуль комплектуется учебным пособием и набором учебных примеров, что позволяет получить базовые навыки работы с ним буквально за один день и сразу же начать проектирование реальных изделий.

Инструменты инженерного анализа

Одним из решающих критериев, которым руководствуются при выборе современной системы проектирования, является наличие инструментов инженерного анализа. Создание радиоэлектронной аппаратуры сопровождается большим количеством различных расчетов: механических, тепловых, электромагнитных. Иногда, для относительно небольших предприятий, все они должны быть выполнены в рамках малой инженерной группы. В подобных случаях применение специализированных расчетных программ осложняется из­за относительно высокой трудоемкости при трансляции моделей, необходимости освоения радикально отличных по идеологии и интерфейсу инструментов, высокой их стоимости.

Эти же аргументы в значительной мере справедливы и для корпоративных пользователей, поскольку бюджет далеко не всегда позволяет содержать несколько специализированных расчетных подразделений, оснащенных дорогостоящими и зачастую избыточными по функционалу  программными продуктами.

Имитация падения: постановка задачи

Вполне рациональным является проведение расчетов в среде SolidWorks на базе имеющейся модели — она содержит как геометрическую, так и иную, полученную в ранее использованных модулях информацию. Соответствующие средства SolidWorks базируются на универсальных численных процедурах — методе конечных элементов и конечных объемов.

Имитация падения: результаты

Одним из наиболее эффективных с точки зрения функционала и эргономики  является семейство модулей SolidWorks Simulation, включающее модуль анализа движения SolidWorks Motion (ранее известный как COSMOSMotion), модуль прочностного расчета SolidWorks Simulation (ранее COSMOSWorks), модуль гидрогазодинамики и теплопередачи SolidWorks Flow Simulation (ранее COSMOSFloWorks). Все они базируются на современных алгоритмах численного анализа, непрерывно совершенствуются, качественно валидированы и исчерпывающе документированы.

Базовые функциональные возможности семейства Simulation в зависимости от конфигурации приведены в таблице.

Динамика: расчет на случайные колебания

Следует отметить, что начальная конфигурация Simualtion, входящая в SolidWorks Premium, позволяет осуществлять полноценный анализ деталей и сборок с учетом разнообразных контактных условий, в том числе нелинейных и посадки с натягом, наличия виртуальных соединителей: штифтов, резьбовых соединений с натягом, пружин, оснований, опор с подшипниками и т.п., с применением анизотропных материалов, разнообразных нагрузок, а также позволяет строить модели на основе конечных элементов разных типов: объемных, балочных/стержневых, оболочечных и любых их комбинаций.

Тепловой расчет посредством Simulation

Конфигурации более высокого уровня позволяют осуществлять другие типы анализа, в частности имитацию падения, расчет собственных частот и линейной устойчивости, имитировать нелинейное поведение материалов, рассчитывать многослойные анизотропные конструкции и, наконец, выполнять полноценный динамический анализ по линейной и нелинейной модели. Так можно воспроизвести практически все виды динамических испытаний.

Тепловой расчет можно осуществлять как посредством Simulation в конфигурации Professional, так и с помощью Flow Simualtion. Радикальным отличием второго модуля является решение задачи гидро­газодинамики и тепломассопереноса с изменяющимися свойствами среды. Поэтому если устройство функционирует в вакууме, в том числе в присутствии теплообмена излучением или солнечного излучения, а также когда теплообмен c внешней средой предопределен, то можно ограничиться функциональностью конфигурации Simulation Professional. В противном случае настоятельно рекомендуется использовать SolidWorks Flow Simualtion, позволяющий, в частности, исключить этап поиска адекватных коэффициентов теплоотдачи (конвективной или иной природы), а также параметров (температуры, скорости, давления и т.д.) текучей среды.

Основные функциональные особенности Flow Simulation следующие:

• подготовка модели:

- поддержка произвольных систем единиц,

- пополняемые инженерные базы данных по свойствам веществ, объектов и материалов;

• начальные и граничные условия:

- входные параметры — скорость, давление (статическое, динамическое, окружающей среды), массовый и объемный расход,

- температура, концентрация компонентов, параметры турбулентности,

- расходно­напорные характеристики виртуальных вентиляторов,

- различные типы стенок, включая шероховатые. Коэффициент теплоотдачи и параметры условной среды на стенках, не граничащих с реальной текучей средой,

- источники тепла (объемные и поверхностные), виртуальные тепловентиляторы,

- возможность задания зависимости граничных условий, параметров и прочего от времени и координат,

- симметрия относительно базовых плоскостей и периодическая симметрия;

• расчетная сетка и управление вычислительной процедурой:

- генерация расчетной сетки непосредственно по модели SolidWorks,

- автоматическое создание расчетной области и генерация сетки в области твердого тела и области течения,

- автоматическая адаптация сетки в зависимости от геометрических характеристик модели и поля решения,

- возможность запуска на счет нескольких вариантов в пакетном режиме с управлением числом задействованных процессоров,

- задание целей моделирования (интересующих параметров на поверхностях или в объемах) и их мониторинг в ходе расчета,

- возможность предварительного просмотра полей течения в заданных сечениях без остановки расчета,

- критерии автоматической остановки расчета;

• возможности моделирования:

- стационарные и нестационарные течения,

- сжимаемые и несжимаемые (жидкости или газы) течения, включая до­, транс­ и сверхзвуковые режимы,

- идеальные и реальные газы,

- неньютоновские жидкости,

- одно­ и многокомпонентные течения без химического взаимодействия и разделения фаз,

- совместный расчет течения жидкости или газа и теплопередачи внутри твердого тела без наличия границы раздела газ­жидкость,

- ламинарные и турбулентные течения, учет ламинарного/турбулентного перехода,

- «замораживание» течения для разделения «быстрых» и «медленных» процессов,

- течения в пористых средах с учетом теплопроводности стенки,

- учет шероховатости стенки,

- внешнее и/или внутреннее течение,

- конвективный теплообмен, свободная, вынужденная или смешанная конвекция,

- радиационный теплообмен с управлением прозрачностью стенок и разделением свойств стенок для теплообмена излучением и солнечной радиацией,

- расчет траекторий твердых частиц и капель в потоке,

- возможность расчета двумерной (2D) задачи,

- тепловые элементы Пельтье;

• результаты:

- результаты выводятся в окне SolidWorks,

- вывод функции на любой плоскости или поверхности в виде цветовых эпюр, векторов и изолиний, отображение результатов с помощью изоповерхностей,

- интегральные характеристики на произвольной грани или совокупности граней,

- создание трехмерных траекторий,

- вывод характеристик расчета в MS Excel,

- распределение любой характеристики вдоль любой кривой и передача в MS Excel,

- анимация результатов,

- расчет характеристик в точках, определяемых пользователем,

- вывод основных расчетных и интегральных величин в MS Excel,

- автоматическое создание отчета,

- передача давления на стенках, коэффициентов теплоотдачи и температур в SolidWorks Simulation.

В конфигурацию SolidWorks Premium также входит модуль анализа движения SolidWorks Motion, назначением которого является расчет кинематики и динамики жестких и условно­податливых механизмов, систем со сложной схемой кинематических связей и условий нагружения. Если же проводится расчет динамики деформируемого тела, то следует использовать процедуры динамического анализа из Simulation Premium.

Антенна под действием ветра

Тепловой расчет электронного модуля

Расчет вентилятора охлаждения с учетом тепла

Для выполнения специфических радиотехнических расчетов рабочее место SolidWorks может быть дополнено модулем EMS. Он имеет много общего с Simulation и подобно ему базируется на методе конечных элементов. У обоих модулей похожий интерфейс и общие приемы работы. В общем случае EMS позволяет решать задачи электростатики, магнитостатики, электромагнетизма в стационарной и нестационарной постановке, а также связанные задачи электромагнетизма и теплопроводности.

Следующий уровень задач решает модуль HFWorks. Резонаторы, микроволновое излучение, антенны и волноводы, задачи с рассеянием — всё это объекты его применения.

Расчет системного блока с учетом виртуальных вентиляторов

Движение, управляемое событием в SolidWorks Motion

Электростатический анализ

Подобно другим инструментам SolidWorks, модули электромагнитного анализа используют ключевые функции базовой системы проектирования: ассоциативность, параметризацию, таблицы параметров, конфигурации.

Программный комплекс SolidWorks может быть укомплектован и рядом других модулей инженерного анализа, в частности предназначенных для оптического или светотехнического проектирования. Наиболее эффективным является OPTISWorks, который полноценно использует ассоциативность и параметризацию геометрии. Данный инструмент исчерпывающе описан как в журнальных публикациях, так и в литературе по САПР.

Магнитостатический анализ

Электромагнитный анализ

Высокочастотный расчет

Заключение

SolidWorks, как известно, находится в числе лидеров на рынке САПР. Это касается многих отраслей инженерной деятельности. Важная составляющая успеха — сочетание универсальной базовой функциональности с разумным набором специальных решений. В данном случае это продемонстрировано применительно к задачам, возникающим в радиотехнике и радиоэлектронике.

САПР и графика 8`2010