韓鐘劍，房建斌，李鵬程，余 濤

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安710068）

引 言

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

1）結構性能仿真模型建模效率低，缺乏元器件模型庫與知識庫，重用及轉化效率較低，針對每一種模型，設計師都需做大量的重復性設計、仿真及驗證工作。

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

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

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

本文在合理地最大化使用現有商業(yè)軟件的基礎上，通過二次開發(fā)，以模型統(tǒng)一為基礎，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）模型自動構建等技術，解決電子設備開發(fā)過程中存在的共性問題，實現電子設備的高效快速建模，提升協同建模能力，實現電子設備的建模與性能仿真結果置信度的提升。

1 系統(tǒng)架構與界面

“電子設備仿真模型自動構建平臺”的基本體系結構分為數據層、支撐層和應用層。其平臺架構與界面如圖1 所示。

圖1 平臺架構與界面

各層的主要功能和作用如下：

1）數據層。數據層為存儲電子設備結構設計與性能仿真運行所必需的數據的基礎數據庫，包括元器件庫（元器件屬性庫、元器件三維模型庫、元器件物性參數庫）、仿真模型庫、仿真知識庫（結構性能仿真知識庫、仿真報告庫）。這些信息以結構化數據的形式存儲在數據庫中。

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

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

2 電子元器件集成管理

電子元器件是電子設備仿真的最基本單元，其設計涉及電氣設計和結構設計2 個領域。三維元器件庫應用主要包括三維元器件參數化建模、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[4]采用參數化建模方式以及在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計方法的通用性和靈活性。

本文通過對電氣設計系統(tǒng)、結構設計系統(tǒng)和結構性能仿真系統(tǒng)中的元器件屬性庫、符號庫、三維模型庫、物性參數庫、仿真模板庫等進行統(tǒng)一管理，實現它們之間的互聯互通。

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

電路設計元器件庫接口是統(tǒng)一數據庫與電路設計軟件元器件庫之間的雙向接口，實現物料號與元器件符號庫之間的關聯。

結構設計元器件庫接口實現元器件三維模型庫與元器件統(tǒng)一數據庫的雙向關聯以及結構設計模型中三維元器件模型與統(tǒng)一數據庫的關聯，可以在設計中實時調取和查看元器件統(tǒng)一數據庫中的各種數據。

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庫與統(tǒng)一數據庫的雙向接口，實現仿真模型中三維元器件模型與統(tǒng)一數據庫的關聯，可以在仿真建模中實時調取和查看元器件統(tǒng)一數據庫中的各種數據。

3 結構特征映射與簡化

當前復雜結構幾何模型主要采用CAD 軟件，并以標準數據格式存取。文獻[5]基于開源CAD 工具Open CASCADE 的函數建立CAD 接口，自動讀取標準模型的幾何數據（點、線、面、體），通過樹形存儲方法有效地管理上述信息；文獻[6]采用邊界推進技術，建立CAD 模型的有限元網格。

本文通過解析電氣設計系統(tǒng)輸出的EMN/EMP文件中的特征信息，與元器件三維模型庫進行匹配，實現在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、導熱率、導磁率、比熱容等）。

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

對設計模型中的CSG 和BREP 信息進行識別，獲得幾何信息與仿真特征信息之間映射關系的方法如圖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的設計特征；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置。

此外，通過對CSG 的命名、參數和BREP 的組成結構的分析，實現對設計模型的自動簡化，其基本簡化流程如圖3 所示。

圖3 設計模型自動簡化流程圖

4 PCB 模型自動構建

PCB 板仿真模型自動構建技術的基本流程如圖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，再根據這些信息，調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，根據元器件的規(guī)格型號以及元器件模型庫中的屬性數據，為仿真軟件中的元器件和PCB 板設置物性參數、載荷等數據，再根據元器件仿真建模的專家知識，對其進行等效的合理的簡化載荷設置和約束設置，最終自動獲得合理的PCB 板仿真模型。

圖4 PCB 板仿真模型自動構建流程圖

5 力學仿真模型構建與驗證

5.1 仿真模型建立與簡化

某電子設備由殼體和PCB 板組成，其結構件部分通過CAD 系統(tǒng)生成的三維模型在該平臺進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，保證設備各部分表面光滑平齊，刪除所有與機械分析無關的連接件（如螺釘、連接器、電纜等）。PCB 模型從電路設計自動化系統(tǒng)中直接導入，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入仿真模型中。自動生成的簡化模型與網格劃分如圖5 所示。

圖5 模型簡化與網格劃分

5.2 隨機振動分析與試驗結果比對

隨機振動分析是指在結構經一些隨機激勵作用后，計算位移或應力等物理量的概率分布情況，其基礎是模態(tài)分析。在隨機振動分析中選擇使用全部模態(tài)解，進行相應的功率譜密度（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。試驗結果和仿真結果對比如圖6 所示。

圖6 仿真結果與試驗數據

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

6 熱仿真模型構建與分析

6.1 熱分析模型建立與簡化

某電子設備模塊主要由印制板及導熱蓋板兩部分構成。結構件部分通過CAD 系統(tǒng)生成的三維模型在該平臺進行自動簡化處理。PCB 板為標準6U 板卡，其外形尺寸為233 mm×160 mm。通過平臺快速構建結構件與印制板模型，如圖7 所示，其中C1—C4為發(fā)熱器件。各發(fā)熱器件的結構尺寸、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到了65 W，其中C1的熱功耗最大，達到了20 W。

圖7 結構件與PCB 板模型自動構建

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 某電子設備模塊溫度分布圖

由圖8 可以看出，模塊的最高溫度出現在熱源位置處，側邊開口處溫度最低。表2 給出了各個器件的最高溫度數據，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，故滿足熱設計要求，說明本文自動構建的熱仿真模型是合理的。

7 結束語

為了提高電子設備結構設計仿真過程中建模的準確度和效率，以通用化設計軟件為基礎，采用仿真特征識別與簡化、PCB 模型自動構建和元器件庫集成管理等技術，開發(fā)了電子設備仿真模型自動構建平臺，并對典型電子設備進行了結構性能仿真分析與試驗驗證。結果表明建模的準確度和效率均有顯著提升。后續(xù)將進一步完善快速仿真與后處理模塊和仿真與試驗數據相關性分析模塊，構建仿真專家知識庫，實現基于專家知識經驗的電子設備結構性能快速仿真系統(tǒng)平臺。