Исследование тепловых характеристик РЭА с применением программного комплекса ТРиАНА

УДК 621.396.6.049.75
И74

Рецензенты: 
Кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы» Московского института электроники 
и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»;
Авторы: 
В. В. Воловиков, М. Л. Дектерев, Ю. Н. Кофанов, Г. О. Преснякова, А. В. Сарафанов, А. М. Фень

И74
Исследование тепловых характеристик РЭА с применением программного комплекса 
ТРиАНА : монография / В. В. Воловиков, М. Л. Дектерев, Ю. Н. Кофанов, Г. О. Преснякова 
и др. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 478 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 12". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-647-0
Изложены основные аспекты методического обеспечения проектных задач, связанных с анализом тепловых характеристик конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) средствами 
математического моделирования, в т.ч. с применением программного комплекса (ПК) ТРиАНА. 
Приводятся основные разделы программной документации «Руководство пользователя ПК ТРиАНА-2.10.0», набор методик по разработке моделей тепловых процессов, анализа тепловых режимов конструкций РЭА различных уровней иерархии, примеры применения ПК ТРиАНА в практике промышленного проектирования различных образцов РЭА, в т.ч. совместно с подсистемой 
АСОНИКА-К.
Предназначено для специалистов, занимающихся исследованием тепловых характеристик 
конструкций РЭА методами математического моделирования.

УДК 621.396.6.049.75 

Электронное издание на основе печатного издания: Исследование тепловых характеристик РЭА с применением программного комплекса ТРиАНА : монография / В. В. Воловиков, М. Л. Дектерев, Ю. Н. Кофанов, Г. О. Преснякова и др. — Москва : ДМК Пресс, 2014. — 480 с. — ISBN 978-5-97060-124-2. — Текст : 
непосредственный.

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств 
или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты 
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-647-0
© Авторы, 2014
© 1997-2014 Издательство «ДМК Пресс»



Исследование тепловых 

характеристик РЭА с 

применением ПК ТРиАНА

СОДЕРЖАНИЕ 
3 

СОДЕРЖАНИЕ 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ........................................................................... 7
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 9
1.
МЕТОДИЧЕСКИЕ 
АСПЕКТЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ 
ТЕПЛОВЫХ 
ХАРАКТЕРИСТИК 
РЭА 
СРЕДСТВАМИ 
МАТЕМАТИЧЕСКОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ ...................................................................................... 12

1.1. Модель методики исследования ТХ РЭА ................................................................ 17
1.2. Основные характеристики ПКТРиАНА-2.10 ............................................................ 42

2.
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИЙ РЭА
ВЕРХНИХ УРОВНЕЙ ИЕРАРХИИ.  КОМПЛЕКС ПРОГРАММ № 1 ......... 50

2.1. Условия применения комплекса ............................................................................... 50
2.2. Режимы функционирования комплекса.................................................................. 50
2.3. Описание задачи ........................................................................................................... 52
2.4. Исходная информация для моделирования .......................................................... 54
2.5. Выходная информация ............................................................................................... 67
2.6. Методика построения моделей тепловых процессов ......................................... 67

2.6.1. Основные принципы иерархического моделирования  тепловых процессов в 
РЭА .................................................................................................................................................. 67
2.6.2. Иерархия конструктивного построения РЭА .............................................................. 68
2.6.3. Алгоритмы иерархического анализа  тепловых характеристик РЭА ................... 76
2.6.4. Методика построения топологических МТП ............................................................... 80
2.6.5. Особенности моделирования в различных ............................................................... 81
системах координат .................................................................................................................... 81
2.6.6. Применение симметрии ................................................................................................. 107
2.6.7. Параметризации топологических моделей тепловых  процессов...................... 113

2.7. Подготовка информации средствами  текстового  редактора......................... 117

2.7.1. Ключевая информация .................................................................................................. 118
2.7.2. Описание параметров ветвей ...................................................................................... 122
2.7.3. Описание таблиц ............................................................................................................. 124
2.7.4. Начальные условия ........................................................................................................ 126

2.8. Подготовка информации при помощи графического  редактора MTPEditor 129

2.8.1. Создание и редактирование графов МТП ................................................................. 132
2.8.2 Применение базы данных «Материалы» ................................................................... 143
2.8.3 Работа с библиотеками фрагментов МТП .................................................................. 145

2.8.3.1. Формирование элемента библиотеки фрагментов МТП....................................... 147

2.8.4 Графический пост-процессор MTPViewer .................................................................. 153

2.9. Обращение к Комплексу № 1 ................................................................................... 157
2.10. Методика применения Комплекса № 1 ................................................................ 157
2.11. Пример расчета ......................................................................................................... 162

3.
АНАЛИЗ 
ТЕПЛОВЫХ 
ХАРАКТЕРИСТИК
МИКРОСБОРОК, 
ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ  И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЯЧЕЕК.  КОМПЛЕКС 
ПРОГРАММ № 2 .......................................................................................... 176

 

 

Исследование тепловых 
характеристик РЭА с при
менением ПК ТРиАНА

СОДЕРЖАНИЕ 
4 

 

3.1. Условия применения Комплекса № 2 .................................................................... 176 
3.2. Режимы функционирования Комплекса № 2 ....................................................... 176 
3.3. Описание задачи ......................................................................................................... 179 
3.4. Исходная информация для моделирования ........................................................ 179 
3.5. Выходная информация ............................................................................................. 185 
3.6. Подготовка исходных данных для моделирования .......................................... 186 
3.7. Подготовка данных средствами текстового редактора .................................... 186 

3.7.1. Ключевая информация .................................................................................................. 187 
3.7.2. Геометрические и теплофизические параметры   несущей конструкции ......... 189 
3.7.3. Тепловые шины и вырезы ........................................................................................... 192 
3.7.4. Описание геометрических и теплофизических  параметров ЭРЭ ....................... 194 
3.7.5. Условия охлаждения (граничные условия) .............................................................. 196 
3.7.6. Начальные условия ........................................................................................................ 197 

3.8. Подготовка данных средствами графического  редактора BoardEditor........ 200 

3.8.1. Описание управляющей информации и использование  конвертора из систем 
проектирования ПП ................................................................................................................... 200 

3.8.1.1. Особенности конвертации схем размещения ЭРЭ из систем  топологического 
проектирования печатных плат ............................................................................................. 205 

3.8.2. ГТФП несущей конструкции .......................................................................................... 210 
3.8.3. Описание ГТФП ЭРЭ ....................................................................................................... 212 
3.8.4. Операции над ЭРЭ в процессе размещения ............................................................. 217 
3.8.5. Применение базы данных «Радиоэлементы» ......................................................... 221 
3.8.6. Описание дополнительных параметров ................................................................... 225 
3.8.7. Формирование шин и вырезов .................................................................................... 227 
3.8.8. Граничные и начальные условия ............................................................................... 235 
3.8.9. Отображение результатов моделирования в графическом режиме .................. 241 

3.9. Работа с 3D-моделью КУ ........................................................................................... 246 

3.9.1. Отображение результатов моделирования на  3D-эскизе КУ ............................... 248 

3.10. Обращение к комплексу .......................................................................................... 252 
3.11. Режим «Клиент-сервер» .......................................................................................... 252 
3.12. Методика применения Комплекса № 2 ................................................................ 254 
3.13. Пример расчета ......................................................................................................... 256 
4. 
 
ПРИМЕРЫ 
ПРИМЕНЕНИЯ 
ПК 
ТРИАНА 
 
В 
ПРАКТИКЕ 
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ .............................................. 268 

4.1. 
Исследование 
тепловых 
характеристик 
стоечной 
конструкции 
гидроакустического комплекса ...................................................................................... 268 

4.1.1. Постановка задачи на моделирование ...................................................................... 270 
4.1.2. Схема иерархического исследования тепловых характеристик стойки ........... 273 

4.1.2.1. Моделирование теплового режима исходного варианта конструкции БНК-3 .... 274 
4.1.2.2. Моделирование  теплового режима стойки в целом ............................................. 277 
4.1.2.3. Модель теплового режима модуля в целом ........................................................... 279 
4.1.2.4. Моделирование теплового режима функциональной ячейки .............................. 280 

4.1.3. Моделирование теплового режима варианта конструкции  БНК-3 при  
естественном  воздушном охлаждении  задней панели-радиатора ............................. 282 



Исследование тепловых 
характеристик РЭА с при
менением ПК ТРиАНА

СОДЕРЖАНИЕ 
5 

4.1.3.1. Выбор параметров оребрения панели-радиатора ................................................ 286
4.1.3.2. Моделирование  теплового режима стойки в целом ............................................. 288
4.1.3.3. Моделирование теплового режима модуля в целом............................................. 290
4.1.3.4. Моделирование теплового режима функциональной ячейки .............................. 291
4.1.3.5. Моделирование теплового режима конструкции БНК-3 при принудительном 
воздушном охлаждениизадней панели-радиатора ............................................................. 292
4.1.3.6. Исследование влияния  геометрических и теплофизических параметров на 
тепловой режим стойки ........................................................................................................... 294
4.1.3.7. Моделирование теплового режима стойки ............................................................. 295
4.1.3.8. Моделирование теплового режима варианта конструкции  БНК-3 при  водяном 
охлаждении задней панели .................................................................................................... 297

4.1.4. Сводные данные результатов исследования ......................................................... 301

4.2. Моделирование теплового режима работы системы электропитания ЭВМ 
«Электроника – СС-БИС» ................................................................................................. 303

4.2.1. Постановка задачи на моделирование ...................................................................... 307
4.2.2. Разработка модели тепловых процессов БПН-8 ..................................................... 307
4.2.3. Проведение исследований ........................................................................................... 314

4.3. 
Исследование тепловых 
характеристик 
системы 
 электропитания 
космического аппарата ..................................................................................................... 317

4.3.1. Постановка задачи на моделирование ...................................................................... 318
4.3.2. Иерархическая схема  исследования тепловых   характеристик СЭП ............... 321
4.3.3. Разработка МТП СЭП в целом ...................................................................................... 322
4.3.4. Разработка МТП блока ................................................................................................... 324
4.3.5. Модель тепловых процессов ФЯ РУ1......................................................................... 328
4.3.6. Исследование тепловых характеристик СЭП на основе  разработанных 
моделей ....................................................................................................................................... 330

4.4. Разработка МТП стойки модуля цифровой обработки сигналов .................... 339

4.4.1. Идеализация конструкции модуля c точки зрения протекающих в нем 
тепловых процессов ................................................................................................................ 339
4.4.2. Нумерация и обозначения узлов модели тепловых процессов.......................... 341
4.4.3. Обозначения ветвей модели тепловых процессов ................................................ 343
4.4.4. Структура модели тепловых процессов ................................................................... 343
4.4.5. Параметризация модели тепловых процессов ....................................................... 346
4.4.6. Результаты расчета МТП модуля М-3КВЖ.32U ........................................................ 346

4.5. Пример обеспечения тепловых характеристик и показателей надежности 
устройства преобразования телевизионных сигналов............................................ 351

4.5.1. Требования по надежности ........................................................................................... 356
4.5.2.Проведение исследований ............................................................................................ 356
4.5.3. Расчет надежности составных частей УПТС ............................................................ 358
4.5.4. Исследование тепловых характеристик УПТС......................................................... 362
4.5.5. Исследование тепловых характеристик блока УПТС в целом ............................. 362
4.5.6. Исследования тепловых характеристик печатных узлов..................................... 374
4.5.7. Расчет надежности УПТС в целом ............................................................................... 386
4.5.8. Заключение ....................................................................................................................... 389

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................. 392



Исследование тепловых 
характеристик РЭА с при
менением ПК ТРиАНА

СОДЕРЖАНИЕ 
6 

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................ 395

Приложение 1. Теплофизические параметры конструкционных материалов РЭА
................................................................................................................................................ 395
Приложение 2. Геометрические и теплофизические параметрынекоторых 
электрорадиоэлементов .................................................................................................. 399
Приложение 3.Компоненты топологических моделей тепловых процессов ...... 420
Приложение 4. Варианты установки ЭРЭ, поддерживаемые при расчете их ГТФП 
программой BoardEditor ................................................................................................... 434
Приложение 5. Некоторые экранные формы для расчета ГТФП ЭРЭ, 
поддерживаемые программой BoardEditor ................................................................. 438
Приложение 6. Интрерактивный справочник по основным функциям ПК ТРиАНА
................................................................................................................................................ 451
Приложение 7. Программные средства, используемые для моделирования 
аэродинамических,гидравлических и тепловых процессов в РЭА ....................... 460
Приложение 8. Руководство по инсталляции ............................................................. 467

 

 

Исследование тепловых 
характеристик РЭА с при
менением ПК ТРиАНА

ПЕРЕЧЕНЬ  
СОКРАЩЕНИЙ 
7 

 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 

 

ГИМ
− гибридно-интегральный модуль /базовая конструкция микро
электронной аппаратуры, представляющая собой корпус, полученный путем фрезерования или литья. На внутренних поверхностях корпуса при помощи клея крепятся бескорпусные 
МСБ, ПУ, микрокорпусные и корпусные ЭРЭ/

ГТФП
– геометрические и теплофизические параметры

КУ
− конструктивный узел

КЭ
– конструктивный элемент

МСБ
− микросборка /микроэлектронное изделие частного применения 

типа гибpидно-интeгpальной схемы, состоящее из плоской 
подложки (несущей конструкции), на которой могут располагаться на любой ее поверхности элементы, компоненты и 
интегральные микросхемы (микрокорпусные и бескорпусные), 
различные пленочные элементы. МСБ может иметь собственный корпус (корпусные МСБ) или устанавливаться в РЭА 
путем непосредственного крепления при помощи клея или 
пайки подложки к месту установки (бескорпусные МСБ)/

МТП
− модель тепловых процессов (топологическая) /Под топологиче
ской моделью тепловых процессов (МТП) понимается модель, 
представленная в виде  ненаправленного графа. Вершины (узлы) такого графа в МТП моделируют соответствующие конструктивные элементы и узлы конструкции РЭА (представляются в виде условно нагретых зон). Ветви (ребра) графа отражают в МТП тепловые потоки. Переменными узлов МТП являются расчетные значения температур (Тi), переменными 
ветвей будут тепловые потоки (Ψij), а параметрами ветвей – 
тепловые проводимости (Xij). В общем случае при рассмотрении нестационарных  тепловых процессов в МТП можно выделить два типа параметрических ветвей: 1-й тип − параметрические диссипативные ветви − ветви, для которых  известны значения  Xij или аналитические выражения для расчета Xij; 
2-й тип − параметрические  консервативные ветви − ветви, 
для которых известны значения теплоемкостей (Cij) или аналитические выражения для их расчета/

МЭА
– микроэлектронная аппаратура

НТР
– нестационарный тепловой режим

ПК 
– программный комплекс

ПП
– печатная плата



Исследование тепловых 
характеристик РЭА с при
менением ПК ТРиАНА

ПЕРЕЧЕНЬ  
СОКРАЩЕНИЙ 
8 

ППП
− пакет прикладных программ

ПУ
− печатный узел /ПУ – ПП (является несущей конструкцией) c рас
положенными на одной или двух ее поверхностях ЭРЭ. Способ 
крепления ЭРЭ −распайка в отверстиях или монтаж на поверхность. Крепление ПУ в РЭА− произвольное/

ПЭВМ
− персональная ЭВМ

РЭА
− радиоэлектронная аппаратура

САУ
– система алгебраических уравнений

СЛАУ
– система линейных алгебраических уравнений

СНАУ
– система нелинейных алгебраических уравнений

СОДУ
– система обыкновенных дифференциальных уравнений

СТР
– стационарный тепловой режим

ТЗ
− техническое задание

ТР
− тепловой режим

ТУ
− технические условия

ТФП
– теплофизические параметры

ТХ
– тепловые характеристики (температуры корпусов и активных

зон ЭРЭ, тепловые поля НК и тепловых шин, коэффициенты
тепловой нагрузки ЭРЭ, графики зависимости температур КЭ,
КУ и ЭРЭ от времени и т.п.)

УР
– узел радиатора /радиатор с размещенными на нем различными

элементами (полупроводниковыми приборами, микросборками, интегральными схемами, трансформаторами, гибридно-интегральными модулями и др.). Радиаторы могут быть 
различного конструктивного исполнения: в виде плоских пластин, лепестковые, петельно-проволочные, с игольчатоштыревым и пластинчатым оребрением и др./

ФПЧ
– функция параметрической чувствительности

ФЯ
− функциональная ячейка /КУ в виде металлической пластины 

(основание ФЯ является несущей конструкцией) с приклеенными с одной или двух сторон многослойными ПП (гибкими ПП) c 
установленными на них ЭРЭ. ЭРЭ также могут устанавливаться непосредственно на металлическое основание через 
вырезы в ПП. Обычный способ крепления ФЯ в РЭА− установка 
на термостатирующее основание или в блоки, имеющие панели-теплостоки/

ЭРЭ
− элeктpоpадиоэлeмeнт

 

 

Исследование тепловых 

характеристик РЭА с 

применением ПК ТРиАНА

ВВЕДЕНИЕ 
9 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Постоянное усовершенствование РЭА, направленное на расширение 
спектра решаемых задач, увеличение степени миниатюризации узлов и блоков, 
ужесточение внешних дестабилизирующих факторов, повышение требований к 
надежности, приводит к необходимости уделять особое внимание проблеме 
обеспечения тепловых режимов разрабатываемой РЭА. Это связано с тем, что 
тепловые процессы, протекающие в современной аппаратуре, для которой характерны высокие удельные показатели, достаточно тесно связаны с другими 
физическими процессами (электрическими, механическими, электромагнитными, радиационными и т. д.), протекающими в РЭА, и, как следствие, в значительной степени определяют надежность и ряд других показателей технического уровня разрабатываемых образцов РЭА.  
Современный подход к исследованию тепловых характеристик (ТХ) РЭА 
основывается на методах математического моделирования [1–5]. При этом 
программное обеспечение соответствующих специализированных пакетов 
прикладных программ, комплексов и подсистем, применяемых для моделирования тепловых режимов работы РЭА (прил. 7) базируется на различных математических подходах к моделированию. Большую роль при реализации исследований ТХ РЭА автоматизированными методами играет математическое [1, 3, 
4, 7, 9, 16, 24], информационное [13, 15] и методическое обеспечения [1, 3], которые позволяют реализовать принципы системного подхода к проектированию РЭА в рамках современных интегрированных компьютерных технологий 
[2, 3, 15, 19], направленных на непрерывную информационную поддержку всех 
этапов жизненного цикла РЭА [3]. Математическое и информационное обеспечения процесса автоматизированного исследования ТХ РЭА с применением 
программного комплекса (ПК) ТРиАНА подробно рассмотрены в [1, 2]. В данной 
книге раскрыты методические аспекты  исследований ТХ РЭА в т. ч. с применением ПК ТРиАНА [1, 2, 8], а также подсистемы АСОНИКА-К [2, 22] при совместном исследовании ТХ и показателей надежности РЭА.  
ПК ТРиАНА входит в состав системы АСОНИКА (автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры [www.asonika.ru]) и 
предназначен для моделирования на ПЭВМ стационарных и нестационарных 
тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭА, таких как стоечные конструкции, блоки с регулярной и нерегулярной структурами, печатные узлы, 
функциональные 
ячейки, 
микросборки. 
ПК 
рассчитан 
на 
инженеровконструкторов промышленных предприятий, НИИ, КБ, занимающихся разработкой РЭА. 
 
В целом ПК ТРиАНА позволяет решать следующие задачи:  



Исследование тепловых 

характеристик РЭА с 

применением ПК ТРиАНА

ВВЕДЕНИЕ 
10 

• определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей РЭА различного назначения (авиационной, космической, морской, автомобильной и др. РЭА) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимого (с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности и т. п.) теплового режима работы 
РЭА;  
• выбор из нескольких имеющихся лучшего, с точки зрения тепловых характеристик, варианта конструкции РЭА; 
• обоснование необходимости дополнительной защиты РЭА от температурных воздействий; 
• создание эффективной программы испытаний РЭАна тепловые воздействия (выбор параметров испытательных воздействий, наиболее удобное расположение мест установки регистрирующих датчиков и т. п.).  
ПК ТРиАНА–2.10 состоит из ряда как автономно функционирующих, так и 
в составе ПК следующих программных единиц: MTPEditor, MTPViewer, 
BoardEditor, Conv2triana, Triana. 

•
графический редактор топологических моделей тепловых
процессов (МТП) MTPEditor, позволяющий: формировать МТП конструкций РЭА 
с параметрическим описанием их компонентов, использующих геометрические 
и теплофизические параметры графических образов исследуемых узлов и/или 
конструкций РЭА в целом; отображать результаты моделирования непосредственно на топологической модели; 

•
графический редактор конструкций РЭА типа «печатный
узел», «функциональная ячейка», «гибридно-интегральная схема или микросборка» BoardEditor, который позволяет создавать геометрические модели 
конструкций ПУ, ФЯ, МСБ с позиций исследования в них тепловых процессов; 
вести базу данных по геометрическим и теплофизическим параметрам электрорадиоэлементов (ЭРЭ); отображать результаты моделирования на геометрической модели исследуемого конструктивного узла; 

•
конвертор топологий печатных плат Conv2triana, реализующий функции автоматического преобразования основных параметров несущей 
конструкции (НК) ПУ, ФЯ или МСБ, а также схемы размещения ЭРЭ на НК из 
форматов систем топологического проектирования печатных плат (OrCAD, 
PROTEL, AltiumDesigner и др.) в формат ПК ТРиАНА; 

•
математическое ядро Triana, включающее в свой состав: набор
специализированных программ, реализующих функции автоматического синтеза моделей тепловых процессов конструктивных узлов РЭА на основе их гео