電子設(shè)備仿真模型自動構(gòu)建與驗證*

韓鐘劍，房建斌，李鵬程，余 濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安710068）

引 言

電子設(shè)備作為軍用裝備的重要組成部分，其設(shè)計建模、仿真及驗證涉及電路、結(jié)構(gòu)、散熱等多個學(xué)科領(lǐng)域。傳統(tǒng)商業(yè)軟件（如UG、MENTOR、ANSYS、ICEPAK、FLOTHERM 等）和應(yīng)用系統(tǒng)在不同發(fā)展階段提升了行業(yè)的設(shè)計研發(fā)水平，基本滿足了一般性電子設(shè)備的設(shè)計要求，但也存在諸多問題：

1）結(jié)構(gòu)性能仿真模型建模效率低，缺乏元器件模型庫與知識庫，重用及轉(zhuǎn)化效率較低，針對每一種模型，設(shè)計師都需做大量的重復(fù)性設(shè)計、仿真及驗證工作。

2）仿真模型的正確性難以保證，缺乏統(tǒng)一的模型信息數(shù)字化管理，流程碎片化。設(shè)計師根據(jù)自己的喜好和熟練程度進(jìn)行建模、仿真等，造成模型規(guī)則不統(tǒng)一、不同專業(yè)設(shè)計師之間缺乏協(xié)同以及電路、結(jié)構(gòu)、散熱等不同專業(yè)學(xué)科知識不協(xié)同等問題。

3）仿真知識的積累和重用不夠，缺乏仿真專家知識庫管理，設(shè)計師在仿真建模時需做大量的重復(fù)性工作。

很多學(xué)者對更有效的仿真模型自動構(gòu)建方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出了基于有限元模型轉(zhuǎn)化的方法。該方法在CAD 建模后，利用CAD 軟件內(nèi)嵌的功能對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將網(wǎng)格模型通過接口輸出到CAE 軟件。該方法受到CAD 系統(tǒng)網(wǎng)格劃分能力的限制，難以處理復(fù)雜模型。文獻(xiàn)[2]以大型天線結(jié)構(gòu)為研究對象，提出并實現(xiàn)了一種CAD/CAE 集成建模方法。該方法在參數(shù)化零件CAD 模型上添加分析特征，基于帶分析特征的參數(shù)化零件構(gòu)建產(chǎn)品的CAD模型，再從CAD 模型中提取分析特征并在CAE 環(huán)境下重構(gòu)其幾何模型，最后應(yīng)用基于分析特征的網(wǎng)格和自動劃分技術(shù)快速建立天線整機(jī)有限元網(wǎng)格模型。但該方法缺乏仿真模型構(gòu)建的流程、標(biāo)準(zhǔn)及仿真專家知識庫等。

本文在合理地最大化使用現(xiàn)有商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)，以模型統(tǒng)一為基礎(chǔ)，通過電子元器件集成管理、仿真特征識別與簡化、印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）模型自動構(gòu)建等技術(shù)，解決電子設(shè)備開發(fā)過程中存在的共性問題，實現(xiàn)電子設(shè)備的高效快速建模，提升協(xié)同建模能力，實現(xiàn)電子設(shè)備的建模與性能仿真結(jié)果置信度的提升。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與界面

“電子設(shè)備仿真模型自動構(gòu)建平臺”的基本體系結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層。其平臺架構(gòu)與界面如圖1 所示。

圖1 平臺架構(gòu)與界面

各層的主要功能和作用如下：

1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為存儲電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能仿真運行所必需的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括元器件庫（元器件屬性庫、元器件三維模型庫、元器件物性參數(shù)庫）、仿真模型庫、仿真知識庫（結(jié)構(gòu)性能仿真知識庫、仿真報告庫）。這些信息以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

2）支撐層。支撐層主要是完成電子設(shè)備三維建模和結(jié)構(gòu)性能仿真所需的各類商業(yè)化軟件，包括用于電氣設(shè)計的EDA 軟件、用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的CAD 軟件以及用于各種結(jié)構(gòu)性能仿真的CAE 軟件。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是根據(jù)快速仿真需求開發(fā)的功能模塊，主要包括元器件集成管理模塊、仿真模型自動構(gòu)建模塊、快速仿真與后處理模塊以及仿真與試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析模塊。本文主要開發(fā)元器件集成管理模塊與仿真模型自動構(gòu)建模塊，以快速準(zhǔn)確地構(gòu)建仿真模型。

2 電子元器件集成管理

電子元器件是電子設(shè)備仿真的最基本單元，其設(shè)計涉及電氣設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計2 個領(lǐng)域。三維元器件庫應(yīng)用主要包括三維元器件參數(shù)化建模、三維模型庫的創(chuàng)建與管理[3]以及電路板三維模型自動創(chuàng)建與裝配。文獻(xiàn)[4]采用參數(shù)化建模方式以及在UG，MENTOR和TeamCenter 下建立三維元器件模型庫的方法，從一定程度上提高了電氣三維裝配設(shè)計方法的通用性和靈活性。

本文通過對電氣設(shè)計系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)性能仿真系統(tǒng)中的元器件屬性庫、符號庫、三維模型庫、物性參數(shù)庫、仿真模板庫等進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)它們之間的互聯(lián)互通。

元器件屬性庫管理是對元器件型號、規(guī)格、質(zhì)量等級、封裝形式、生產(chǎn)廠家、批次號、物性參數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理，將物料號作為唯一索引。

電路設(shè)計元器件庫接口是統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫與電路設(shè)計軟件元器件庫之間的雙向接口，實現(xiàn)物料號與元器件符號庫之間的關(guān)聯(lián)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計元器件庫接口實現(xiàn)元器件三維模型庫與元器件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的雙向關(guān)聯(lián)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中三維元器件模型與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，可以在設(shè)計中實時調(diào)取和查看元器件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)。

元器件仿真元器件庫接口是元器件性能仿真的元器件物性參數(shù)庫與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的雙向接口，實現(xiàn)仿真模型中三維元器件模型與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，可以在仿真建模中實時調(diào)取和查看元器件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)。

3 結(jié)構(gòu)特征映射與簡化

當(dāng)前復(fù)雜結(jié)構(gòu)幾何模型主要采用CAD 軟件，并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式存取。文獻(xiàn)[5]基于開源CAD 工具Open CASCADE 的函數(shù)建立CAD 接口，自動讀取標(biāo)準(zhǔn)模型的幾何數(shù)據(jù)（點、線、面、體），通過樹形存儲方法有效地管理上述信息；文獻(xiàn)[6]采用邊界推進(jìn)技術(shù)，建立CAD 模型的有限元網(wǎng)格。

本文通過解析電氣設(shè)計系統(tǒng)輸出的EMN/EMP文件中的特征信息，與元器件三維模型庫進(jìn)行匹配，實現(xiàn)在CAD 系統(tǒng)中自動生成PCB 板和元器件的三維模型，且生成的元器件模型自帶所有物料屬性信息（如密度、硬度、導(dǎo)熱率、導(dǎo)磁率、比熱容等）。

在CAD 系統(tǒng)中進(jìn)行仿真特征識別，其模型幾何元素以CSG 和BREP 兩種形式進(jìn)行記錄。CSG 記錄特征數(shù)據(jù)，包括特征類型、尺寸、定位坐標(biāo)、工藝特性以及特征間關(guān)聯(lián)的尺寸、位置公差等；BREP 反映特征的幾何（點、線、面、體）構(gòu)成。

對設(shè)計模型中的CSG 和BREP 信息進(jìn)行識別，獲得幾何信息與仿真特征信息之間映射關(guān)系的方法如圖2 所示。

圖2 仿真特征映射和識別

通過CSG 特征的名稱識別，可以獲得芯片、電阻、流道、連接件等與分析特征相關(guān)的設(shè)計特征；通過對BREP 模型的分析，可以獲得接觸熱阻、流體入口、流體出口、細(xì)小特征等仿真特征；通過CAD 元器件屬性映射，可以完成仿真特征信息設(shè)置。

此外，通過對CSG 的命名、參數(shù)和BREP 的組成結(jié)構(gòu)的分析，實現(xiàn)對設(shè)計模型的自動簡化，其基本簡化流程如圖3 所示。

圖3 設(shè)計模型自動簡化流程圖

4 PCB 模型自動構(gòu)建

PCB 板仿真模型自動構(gòu)建技術(shù)的基本流程如圖4所示。首先，從EDA 軟件輸出的EMN 文件中獲取PCB 板的二維輪廓信息，并在CAE 軟件下重構(gòu)該輪廓，拉伸后獲得PCB 板的三維幾何信息；然后，對EDA 軟件輸出的EMP 文件進(jìn)行解析，獲得安裝在PCB 板上的元器件的類型、位置和姿態(tài)信息，再根據(jù)這些信息，調(diào)取元器件三維模型庫中的元器件模型（或程序），并裝配在CAE 下的PCB 模型上，形成完整的PCB 板級電路的三維幾何模型；最后，根據(jù)元器件的規(guī)格型號以及元器件模型庫中的屬性數(shù)據(jù)，為仿真軟件中的元器件和PCB 板設(shè)置物性參數(shù)、載荷等數(shù)據(jù)，再根據(jù)元器件仿真建模的專家知識，對其進(jìn)行等效的合理的簡化載荷設(shè)置和約束設(shè)置，最終自動獲得合理的PCB 板仿真模型。

圖4 PCB 板仿真模型自動構(gòu)建流程圖

5 力學(xué)仿真模型構(gòu)建與驗證

5.1 仿真模型建立與簡化

某電子設(shè)備由殼體和PCB 板組成，其結(jié)構(gòu)件部分通過CAD 系統(tǒng)生成的三維模型在該平臺進(jìn)行自動生成及自動簡化處理，快速去除所有螺釘孔、過孔、尺寸較小的孔、凸臺、倒角和圓角，保證設(shè)備各部分表面光滑平齊，刪除所有與機(jī)械分析無關(guān)的連接件（如螺釘、連接器、電纜等）。PCB 模型從電路設(shè)計自動化系統(tǒng)中直接導(dǎo)入，生成完整的仿真模型，元器件及PCB 屬性信息通過平臺直接導(dǎo)入仿真模型中。自動生成的簡化模型與網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 模型簡化與網(wǎng)格劃分

5.2 隨機(jī)振動分析與試驗結(jié)果比對

隨機(jī)振動分析是指在結(jié)構(gòu)經(jīng)一些隨機(jī)激勵作用后，計算位移或應(yīng)力等物理量的概率分布情況，其基礎(chǔ)是模態(tài)分析。在隨機(jī)振動分析中選擇使用全部模態(tài)解，進(jìn)行相應(yīng)的功率譜密度（Power Spectral Density, PSD）求解。建立單位加速度場，并在約束節(jié)點處施加該單位加速度場。試驗結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖6 所示。

圖6 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)

試驗與仿真計算得到的固有頻率分別為170 Hz和179 Hz，兩者存在基本相關(guān)性，誤差不超過5.3%，說明本項目自動建立的某電子設(shè)備的有限元模型設(shè)置是合理的。

6 熱仿真模型構(gòu)建與分析

6.1 熱分析模型建立與簡化

某電子設(shè)備模塊主要由印制板及導(dǎo)熱蓋板兩部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)件部分通過CAD 系統(tǒng)生成的三維模型在該平臺進(jìn)行自動簡化處理。PCB 板為標(biāo)準(zhǔn)6U 板卡，其外形尺寸為233 mm×160 mm。通過平臺快速構(gòu)建結(jié)構(gòu)件與印制板模型，如圖7 所示，其中C1—C4為發(fā)熱器件。各發(fā)熱器件的結(jié)構(gòu)尺寸、熱耗及許用溫度見表1。由表1 可知，該模塊的單板熱功耗達(dá)到了65 W，其中C1的熱功耗最大，達(dá)到了20 W。

圖7 結(jié)構(gòu)件與PCB 板模型自動構(gòu)建

表1 某控制板發(fā)熱器件尺寸、熱耗及許用溫度

6.2 熱分析

在Icepak 軟件中仿真得到的模塊溫度分布云圖如圖8 所示。

圖8 某電子設(shè)備模塊溫度分布圖

由圖8 可以看出，模塊的最高溫度出現(xiàn)在熱源位置處，側(cè)邊開口處溫度最低。表2 給出了各個器件的最高溫度數(shù)據(jù)，其中的冗余溫差為許用溫度與最高溫度之差，器件C1的最高溫度約為98?C，低于器件的許用溫度，冗余溫差為+7?C；C2的最高溫度約為91?C，低于器件的許用溫度，冗余溫差為+9?C；C3的最高溫度約為92.5?C，低于器件的許用溫度，冗余溫差為+3?C；C4的最高溫度約為94?C，高于器件的許用溫度，冗余溫差為+2?C。

表2 器件溫度分布 ?C

從表2 可以看出，器件的最高溫度均小于其許用溫度，故滿足熱設(shè)計要求，說明本文自動構(gòu)建的熱仿真模型是合理的。

7 結(jié)束語

為了提高電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真過程中建模的準(zhǔn)確度和效率，以通用化設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，采用仿真特征識別與簡化、PCB 模型自動構(gòu)建和元器件庫集成管理等技術(shù)，開發(fā)了電子設(shè)備仿真模型自動構(gòu)建平臺，并對典型電子設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能仿真分析與試驗驗證。結(jié)果表明建模的準(zhǔn)確度和效率均有顯著提升。后續(xù)將進(jìn)一步完善快速仿真與后處理模塊和仿真與試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析模塊，構(gòu)建仿真專家知識庫，實現(xiàn)基于專家知識經(jīng)驗的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)性能快速仿真系統(tǒng)平臺。