Загальна характеристика роботи - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1страница 2
Похожие работы
Загальна характеристика роботи - страница №1/2





ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Мікрогідравліка, як наука, виникла на стику таких наукових областей, як класична гідравліка, мікромеханіка та електроніка. Завдяки поєднанню пневматики, мікромеханіки та електроніки виникла мікропневматика.

Згідно повідомлень міжнародної групи виробників мікроелектромеханічних систем (МЕМС), ринок таких інтегральних пристроїв постійно зростає, в 2002 р. ринок складав біля 4 млрд. USD, а в 2007 р. ця цифра має перевищити 8 млрд. USD. Один з найперспективніших напрямків на ринку мікропристроїв – мікрогідравлічні системи (мікроГС), які займають 27%. Використання нових підходів при проектуванні мікрогідравлічних пристроїв дає поштовх та прискорює розвиток гідравлічних мікроелектромеханічних систем, як окремої науки.

З розвитком промисловості сучасне виробництво неможливе без широкого використання систем автоматизованого проектування гідравлічних МЕМС та потужної обчислювальної техніки. Відомі системи аналізу фізичних процесів у технологічному обладнанні (IntelliSuite, Ansys) не дають можливості провести достатньо детальний і адекватний потребам сучасного виробництва математичний аналіз елементів мікроГС. Науково-технічні роботи з проектування МЕМС ведуть ряд провідних наукових шкіл США, Німеччини, Японії, Росії, Польщі та України.
В роботах Петренка А.І., Хаханова В.І., Наперальського А. запропоновано низку моделей, розроблено методи проектування та моделювання пристроїв МЕМС. Але вони не в повній мірі адекватно описують гідравлічні та механічні процеси в мікрогідравлічних пристроях. Саме тому виникла необхідність у розробці математичних моделей (ММ) елементів мікроГС на базі диференціальних рівнянь та програмно-методичного комплексу для розв’язку задач проектування та моделювання за допомогою чисельних та аналітичних методів.

Отже робота, яка присвячена розробці нових та модифікації існуючих моделей, програмного забезпечення для проектування та моделювання базових елементів гідравлічних МЕМС, є актуальною.



Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов’язана з планами наукових досліджень в рамках програми виконання Міжнародного Європейського проекту REASON – REsearch and Training Action for System On Chip DesigN (#IST-2000-30193), співвиконавцями якого є науковий колектив кафедри „Системи автоматизованого проектування” Національного університету «Львівська політехніка» (термін виконання – 2002–2005 рр.). В рамках цього проекту здобувач розробив інформаційне та математичне забезпечення САПР гідравлічних МЕМС.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка ММ для автоматизованого проектування гідравлічних МЕМС, які забезпечують компроміс між точністю та часовими затратами на різних етапах проектування.

Для досягнення зазначеної мети поставлено такі основні завдання:



  • проаналізувати сучасний стан систем для моделювання та проектування елементів гідравлічних мікроелектромеханічних систем для визначення основних особливостей їх проектування;

  • розробити нові та модифікувати існуючі математичні моделі базових елементів (мікропомп та актюаторів) гідравлічних мікроелектромеханічних систем з врахуванням особливостей автоматизованого проектування;

  • розробити інформаційне та лінгвістичне забезпечення для САПР гідравлічних мікроелектромеханічних систем «МікроГС»;

  • розробити та реалізувати підсистему автоматизації моделювання та проектування гідравлічних мікроелектромеханічних систем «МікроГС».

Об’єкт дослідження – процес проектування та моделювання гідравлічних мікроелектромеханічних систем.

Предмет дослідження − математичні моделі для автоматизації проектування гідравлічних мікроелектромеханічних систем.

Методи дослідження. При розробці математичних моделей елементів мікроелектромеханічних систем використано методи системного аналізу, математичної фізики, диференціального числення та числові методи.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних досліджень розв’язано наукову задачу розроблення математичних моделей для аналізу гідравлічних МЕМС, що забезпечило підвищення ефективності проектування. При цьому отримано такі наукові результати:

  • вперше розроблено математичну модель з використанням рівняння Ван-дер-Ваальса для розрахунку розподілу тиску газо-рідинної суміші на мембрану терморідинного актюатора та бігармонійне рівняння з наступним використанням методу скінченних різниць, для визначення її прогину, що дозволило підвищити ефективність проектування;

  • удосконалено математичні моделі для автоматизованого проектування на компонентному рівні мікропомп з електростатичним та п’єзоелектричним приводами, які використовують теорію тонких пластин і враховують складні конструкції пружного елемента;

  • вперше розроблено структуру даних для мікрогідравлічних пристроїв, якою розширено функціональні можливості опису даних для існуючих та перспективних САПР;

  • удосконалено бібліотеку математичних моделей для трьохрівневого автоматизованого проектування мікрогідравлічних систем, яка відрізняється від існуючих можливістю створення єдиної інформаційної моделі об’єкта, що дало можливість використовувати математичні моделі різної складності та конструктивного виконання.

Практична цінність результатів полягає в тому, що:

  • розроблені моделі використані при побудові системи для моделювання гідравлічних МЕМС "МікроГС";

  • розроблений формат опису конструкцій мікрогідравлічних систем та мова опису математичних моделей використані при реалізації інформаційного та лінгвістичного забезпечення системи для моделювання гідравлічних МЕМС "МікроГС".

Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес Національного університету „Львівська політехніка” кафедри «Система автоматизованого проектування» та Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту, що підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати теоретичних і практичних досліджень, викладених в дисертації, одержані автором особисто.
У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: застосування методу функціональних блоків для проектування гідростатичних систем, реалізація системи [2, 14]; розробка математичних моделей фізичних процесів в гідро- та газодинамічних системах, дослідження точності та адекватності математичних моделей [3]; програмна реалізація, дослідження точності та адекватності ММ [4, 5, 13, 15, 16]; розробка ММ гідравлічних МЕМС [6, 11, 19, 24, 26, 30]; вдосконалено структуру бібліотеки ММ та використання XML-формату для збереження інформації про ММ та конструкції гідравлічних МЕМС [7, 29]; програмна реалізація ММ [8-10, 12, 17, 18, 20-22]; застосування методу одновимірної оптимізації для розв’язку задач [23, 25]; розробка і реалізація інформаційного та лінгвістичного забезпечення САПР МЕМС [27, 28]; застосування XML-формату для опису структури даних, конструкцій та математичних моделей гідравлічних МЕМС [31].

Апробація роботи. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися і обговорювалися на: Міжнар. наук.-техн. конф. "Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці" CADSM (Львів, 2003, 2005, 2007); Міжнар. конф. "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії" ТСSET (Львів, 2002, 2004, 2006); Міжнар. конф. "Mixed Design of Integrated Circuits and Systems", MIXDES (Poland, 2004); Міжнар. наук.-техн. конф. "Перспективні технології та методи проектування МЕМС", MEMSTECH (Львів, 2005, 2006, 2007); Міжнар. наук. конф. "Informatics, Mathematical Modelling and Design in the Technics, Controlling and Education" (Володимир, Росія, 2004); Міжнар. наук.-практ. конф. “Вузовская наука, промышленность, международное сотруднечество” (Мінськ, 2004); Польсько-українській конф. "CAD in Machinery Design – Inplementation and Educational Problems" (Jurata, Poland, 2005); Міжнар. наук. конф. “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій”, ISDMIT (Євпаторія, 2005, 2007); Міжнар. наук. конф. "Computer Science And Information Technologies", CSIT (Львів, 2006). Результати також неодноразово доповідались на наукових семінарах кафедри „Системи автоматизованого проектування” Національного університету „Львівська політехніка” (2001-2007 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації викладені у 30 наукових публікаціях, з них 10 статей в наукових фахових виданнях, 2 статті в інших виданнях, 18 публікацій в матеріалах міжнародних конференцій.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання роботи, наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану робіт з проектування та моделювання гідравлічних МЕМС, визначено особливості їх проектування, наведено їх класифікацію та структуру.

Здійснено огляд та аналіз поширеної методології проектування, найпоширеніших систем аналізу гідравлічних МЕМС SUGAR, EM3DS 4.2, IntelliSuite, NODASv1.4, Coventor, Tanner Research, ANSYS, CFD-ACE та особливостей і тенденцій сучасних задач проектування, на основі чого сформульовані наступні твердження.


  1. Більшість існуючих систем моделювання розрахована на ефективний аналіз лише конкретних типів мікропристроїв, що обумовлено закладеними в системах математичними методами та моделями. В той же час, сучасні задачі проектування гідравлічних МЕМС, особливо на початкових етапах, потребують ефективного аналізу різноманітних конструктивних варіантів об’єкта проектування.

  2. Практично всі інструментальні засоби моделювання гідравлічних МЕМС забезпечують фіксовану точність вихідних результатів. Це не дозволяє ефективно вирішувати практичні задачі, в яких вимоги до точності змінюються залежно від стадії та етапів автоматизованого проектування.

  3. Використання відомих систем моделювання не забезпечує паралельної розподіленої роботи над проектом через відсутність єдиної інформаційної моделі об’єкта проектування.

  4. Існуючий підхід до проектування гідравлічних МЕМС передбачає роботу з локальними базами даних, в яких зберігаються ММ досліджуваних конструкцій, дані про властивості матеріалів, результати моделювання тестових структур, тощо. В той же час сучасні задачі проектування вимагають існування єдиного централізованого банку даних, який повинен містити повну та актуальну інформацію про існуючі в галузі конструктивно-технологічні рішення, математичні моделі типових конструкцій мікроелектронних пристроїв (МЕП), характеристики поширених матеріалів конструкцій, тощо.

  5. Існуючий рівень інтеграції засобів аналізу в загальний процес проектування, що визначається в сумісності форматів моделей гідравлічних МЕП між різними системами, не відповідає сучасним потребам.

Характер наведених невідповідностей між існуючими засобами і підходами до проектування з одного боку та актуальними задачами проектування з іншого боку виявляє істотну проблему, існуючу в області проектування гідравлічних МЕП. Проведений аналіз програмного забезпечення для проектування гідравлічних МЕМС дає підстави зробити висновок про неможливість ефективного використання відомих програмних продуктів. Основними недоліками цих програмних систем є специфічні вимоги до апаратної платформи та те, що невідомо, які ММ для моделювання фізичних процесів в мікроелектромеханічних пристроях (МЕМ-пристроях) вони використовують для розрахунків. Все це не дає можливості провести аналіз точності розрахунку, а також проаналізувати похибки, які виникають внаслідок дискретизації, тощо.

Провівши огляд основних компонентів гідравлічних МЕМ-пристроїв їх можна класифікувати за функціональним призначенням: давачі, актюатори, помпи та клапани. В результаті проведеного аналізу виявилося, що найпоширенішими гідравлічними МЕМ-пристроями є – актюатори (мікропомпи). Під час проектування та моделювання фізичних і механічних (робота мікропомп і клапанів) процесів, які відбуваються в гідравлічних МЕМ системах виникають наступні проблеми:



  • істотне зменшення розмірів системи призведе не тільки до кількісних, але і до якісних змін (в наш час з’явилися перші спеціалізовані і адаптовані версії комп’ютерних програм, направлених на рішення подібних інженерних і розрахункових задач);

  • використання сенсорів та актюаторів в таких системах пов’язано з рядом перешкод, зокрема виникають проблеми з очищенням їх поверхні (крім того, необхідно захистити сенсори від шкідливої дії навколишнього середовища – пилу, агресивних компонентів, тощо).

Гідравлічні МЕМС, залишаючись самостійним науково-технічним напрямком, є тісно пов’язані в області інтеграції об’єкта в моноблок чи в монокристал, елементної бази, системного підходу до проектування різнорідних елементів об’єкта, технологій та організаційної бази виробництва, матеріалознавчої бази, генерації і перетворення енергії та інформації, загального шляху розвитку.

В другому розділі розроблено ММ, яка використовує рівняння Ван-дер-Ваальса для розрахунку розподілу тиску газо-рідинної суміші на мембрану рідинного термоактюатора та бігармонійне рівняння, для визначення переміщень та напружень в конструкції пружного елемента, що дозволило підвищити ефеткивність проектування.

Конструкцію терморідинного актюатора зображено на рис. 1. Вона включає, як правило, кремнієву основу, в якій зроблено отвір. В отворі є рідина та нагрівальний елемент. Отвір закритий тонкою мембраною. Інші стіни термоатюатора вкриті термоізолюючим шаром. Через нагрівальний елемент (резистор) пропускається струм. Рідина нагрівається і починає розширятися, деформуючи при цьому тонку мембрану.

В

Рис. 1. Конструкція рідинного термоактюатора
дисертаційній роботі розроблено ММ для проектування гідравлічного мікроактюатора закритого типу функціонального рівня. Математична модель термо-актюатора передбачає визначення сили, з якою тисне рідина на тонку пластину під час її нагрівання від температури до та у визначенні напружень та переміщень в конструкції мембрани.

следующая страница >>