«Информационные Ресурсы России» №6, 2013

«Вместе с ростом числа ЭВМ и задач трудности технологические и организационные все больше стали преобладать над трудностями "чисто научными". Сейчас масштаб и объем этих трудностей настолько вырос, что можно говорить, что задача их преодоления сама стала задачей науки и представляет собой проблему фундаментального значения» [1].

Эти слова, сказанные в начале последней четверти прошлого века, сегодня ещё более актуальны. Длительность цикла разработки нового устройства (от зарождения инно-вационной идеи до предоставления потребителю законченного изделия и различных услуг по сопровождению его эксплуатации) в значительной степени предопределяет успех в его продвижении на рынке. Сокращение длительности этого цикла требует использования комплекса разнообразных средств автоматизированного проектирования как самого изделия, так и технических и технологических средств его изготовления. При этом чем более сложным и инновационным является продукт (рождаемый, как правило, на стыке различных областей науки), тем более сложные и изощренные средства требуются для его проектирования.

Номенклатура имеющихся на рынке САПР не позволяет поддерживать создание подобных «мультифизичных» продуктов с «нуля», поскольку они нацелены либо на решение отдельных частных задач проектирования, либо на его конечный этап – подготовку документации (рабочих чертежей и пр.), необходимой для запуска изделия в производство. На начальном же этапе необходимы, как правило, глубокие и тонкие исследования процессов функционирования, по результатам которых можно оценить степень и характер влияния того или иного фактора на параметры изделия, характеризующие его эффективность. Эти исследования не всегда должны быть экспериментальными, так как, с одной стороны, фундаментальные законы предметной области обычно уже бывают доведены до уровня достаточно адекватных математических описаний, а, с другой стороны, для подготовки и проведения натурных экспериментов требуются существенные временные и материальные затраты. В ряде случаев наиболее целесообразным оказывается применение имитационного моделирования, при этом для разработки многих сложных инноваций оправдано последовательное использование нескольких информационных технологий и, соответственно, готовых профессиональных программных пакетов. Отметим, что в большинстве случаев авторы идеи, специалисты в области конструирования и технологии изделий, разработчики необходимых имитационных моделей – это разные люди, поэтому успех во многом зависит ещё и от взаимопонимания, т. е. от возможности общения на едином, понятном для всех разработчиков языке.

Создание имитационных моделей, исследование которых позволяло бы ответить на основные вопросы, возникающие при проектировании сложного изделия, является непростой задачей, а сами модели должны удовлетворять многим, зачастую противоречивым требованиям. В частности, при создании модели необходимо обеспечить максимальную степень ее подобия оригиналу, а в то же время она должна позволять проведение серий специально организованных вариантных расчетов, по результатам которых разработчик сможет выбирать альтернативный вариант своей стратегии, определить направления и возможности оптимизации конструкции или параметров изделия [2].

Ниже на частном примере рассмотрены основные этапы и пути решения указанных проблем «нулевого» цикла, возникающих при разработке инновационного изделия [3] – многоступенчатого коллектора с рекуперацией энергии для мощного лучевого электровакуумного СВЧ-прибора (использование подобных коллекторов электронов является одним из наиболее эффективных способов повышения КПД микроволновых приборов: пролетных клистронов, ламп бегущей волны, широко используемых в радиолокации, телевидении, системах связи и др.).

Основными задачами при проектировании многоступенчатого коллектора являются минимизация суммарной кинетической энергии электронов, бомбардирующих разнопотенциальные электроды (ступени) коллектора, и обеспечение равномерного распределения тепловой нагрузки этих ступеней, а варьируемыми переменными – геометрия электродов и их электрические потенциалы.

Компьютерная оптимизация конструкции коллектора не может быть проведена в каком-либо одном универсальном программном пакете из-за необходимости решения задач разного характера. В их число входят:
1) определение структуры электростатического поля в коллекторном пространстве при заданных геометрических размерах и потенциалах ступеней коллектора;
2) траекторный анализ движения инжектируемых в коллекторное пространство электронов (с учётом влияния сил пространственного заряда и вторичной эмиссии с электродов) и определение значений показателей, характеризующих эффективность выбранного варианта;
3) минимизация суммарной кинетической энергии соударения электронов со ступенями коллектора и неравномерности распределения тепловой нагрузки путем варьирования количества, конфигурации и потенциалов ступеней коллектора;
4) автоматизированное изготовление рабочих чертежей коллектора оптимальной конструкции (с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных ограничений).

Первая задача, ввиду отсутствия общего аналитического решения, может быть решена только численно и предполагает использование какого-либо мощного пакета конечно-элементного анализа (например, ELCUT [4]).

Вторая – траекторный анализ движения совокупности электронов в неравномерном электростатическом поле, тем более с учётом влияния кулоновых сил и вторичной эмиссии, – требует использования новейших методов агентного имитационного моделирования и, пожалуй, единственный пакет, пригодный для его осуществления – среда многоподходного имитационного моделирования Anylogic [5].

Четвёртая задача может быть выполнена в любом развитом CAD-пакете САПР (характерным является широко известный AutoCAD).

Наиболее нетривиальной является третья из задач, которая может быть реализована только многократным циклическим пересчетом 1-й и 2-й позиции в приведённом выше перечне задач. Причём для возможности оперативной корректировки параметров и осуществления передачи расчётных данных между пакетами требуется дополнительное ин-терфейсное средство, в роли которого в рассматриваемом случае выступает табличный процессор MS Excel. Функционально работу в таком агрегате из комплекса программных пакетов различного назначения можно проиллюстрировать схемой на рис.1.

Рис.1. Структурно-функциональная схема САПР многоступенчатого коллектора

Траекторный анализ в Anylogic позволяет не только определять тепловую нагрузку каждой ступени и результирующий КПД коллектора в целом, но и визуально наблюдать движение заряженных частиц в поперечном сечении коллекторного пространства (рис.2).

Рис.2. Мгновенное распределение электронов инжектируемого пучка в коллекторном пространстве

Использование предложенной методики и имитационного моделирования электронных процессов в коллекторном пространстве помогает достаточно быстро произво-дить оптимизацию его геометрических размеров и потенциалов электродов коллектора по критерию энергоэффективности. В частности, в течение нескольких часов расчетов получено, что при использовании семиступенчатого коллектора на средней плотности конвекционного тока 1 А/см2 и потенциале входной ступени порядка 5 кВ можно обеспечить КПД коллектора 70…75 % при достаточно равномерном распределении тепловой нагрузки между ступенями. КПД существующих СВЧ-приборов без рекуперации энергии не превышает 35…40 %, что позволяет ожидать примерно удвоения этого показателя при оснащением их инновационными коллекторами.

Литература:

1. Яненко Н.Н., Карначук В.И., Коновалов А.И. Проблемы математической тех-нологии/ Численные методы механики сплошной среды. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1977. - Т. 8. - № 3. - С. 129–157.
2. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа/М.: Наука, 1981. - 488 с.
3. Заявка на патент РФ рег. № 2012136099 (27.08.2012), Мерзлов В.С., Хатагов А.Ч., Крыжановская И.В., Желоков И.Е.
4. http://www.elcut.ru
5. http://www.anylogic.ru