Семь раз — расчет, один раз — тест
При проектировании современных устройств электроники, будь то светодиодный светильник, усилитель или частотный преобразователь, разработчики сталкиваются с почти философской дилеммой: довериться инженерным расчетам и компьютерному моделированию или же каждую идею реализовывать на опытных образцах в лаборатории.
Аргументы «за» и «против» очевидны: расчеты быстры и экономичны, но содержат некоторую погрешность, которая зависит от качества моделирования, в то время как тестирование опытного образца дает заведомо достоверные сведения, но занимает много времени и стоит больших денег. И если при разработке светодиодного светильника речь при лабораторных испытаниях может идти о десятках тысяч рублей, то при проектировании, например, тягового преобразователя подвижного состава лабораторные тесты уже могут стоить миллионы (и не всегда рублей)…
В данной статье на примере решения тепловой задачи мы рассмотрим, не слишком ли «велики глаза» у страха перед погрешностью моделирования и всегда ли эксперимент безошибочен.
Дабы исключить возможность ошибок на стадии расчетов мощностей тепловых потерь, токов и напряжений, мы будем исследовать теплообмен четырех резисторов, установленных на радиатор. Условия эксперимента:
- источники тепла mdash; резисторы Arcol HS25;
- тепловая мощность, излучаемая каждым резистором, mdash; 22,5 Вт;
- материал корпуса резистора mdash; сплав алюминия 6063-T5 ISO209-1;
- охлаждение естественное;
- базовый профиль охладителей P16 (Semikron);
- материал охладителей mdash; сплав алюминия 6063-T5 ISO209-1;
- теплопроводная паста Arctic Cooling MX-4;
- температура окружающей среды (воздух, давление атмосферное) при моделировании лабораторных испытаний установлена +22 °C.
Геометрическая модель сборки показана на рис. 1.
Силами компании «LH-Инжиниринг» было проведено компьютерное моделирование тепловых процессов указанной сборки, а на предприятии ООО НТЦ «Приводная техника» был изготовлен опытный образец и параллельно проведены лабораторные исследования. На рис. 4 показана эпюра теплового распределения по контактной поверхности охладителя после стабилизации температуры.
На рис. 5 представлена поверхностная эпюра температурного распределения по охладителю и корпусам резисторов.
На рис. 6 показаны графики сходимости температур датчиков.
Максимальная температура охладителя в установившемся режиме составляет +93 °C. Тепловое сопротивление охладителя рассчитываем по формуле:
где: Tmax mdash; максимальная температура охладителя; To mdash; температура окружающей среды; W mdash; суммарная приложенная мощность (W = 22,5 × 4 = 90 Вт).
Отсюда получаем:
Письмо о результатах лабораторных исследований опытного образца представлено на рис. 7. Результаты моделирования и эксперимента совпали, погрешность оказалась в пределах 1 °C.
* * *
Таким образом, при качественном инженерном моделировании точность расчетов будет достаточной для принятия необходимых решений разработчика без проведения эксперимента в процессе проектирования. Тем не менее эксперимент все же необходим для того, чтобы подтвердить отсутствие ошибок в исходных данных. Но применение точного компьютерного моделирования кратно уменьшит затраты времени и средств на промежуточных этапах при анализе идей и вариантов решения задачи.
Кроме того, логически эксперимент отличается от расчета тем, что первый mdash; это всегда только частный случай, в то время как моделирование mdash; это описание общих процессов, происходящих в устройстве. То есть эксперимент тоже может содержать погрешность: брак комплектующих, ошибки при сборке, погрешность приборов измерения, вариативность окружающей среды и мн. др. факторы могут дать результаты по частному случаю.
Расчет и эксперимент отлично дополняют друг друга, позволяя наиболее экономично, точно и быстро решить поставленную задачу, многократно проводя теоретические исследования и единожды подтверждая правильность выведенного ответа на практике.