Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 1, 2003 г.

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БЛОКАХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ «ПРОЕКТИРОВЩИК – СИСТЕМА»

 

Ваченко А.С., Шалумов А.С.

(Ковровская государственная технологическая академия)

 

На сегодняшний день моделирование радиоэлектронных средств (РЭС) с учетом влияния механических воздействий наряду с постоянным повышением требований к надежности и качеству аппаратуры осложняется наличием тысяч электрорадиоизделий (ЭРИ) и многообразием их установки, постоянным ростом интенсивности механических воздействий, многообразием видов механических воздействий и одновременным приложением нескольких воздействий к аппаратуре.

Жесткие условия эксплуатации сильно влияют на работоспособность и надежность работы РЭС [1]. Отказы, связанные с потерей механической прочности РЭС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости проектирования. Применение компьютерного моделирования механических и тепловых процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкции и уменьшить себестоимость и время проектирования.

Использование компьютерного моделирования требует от разработчика РЭС провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель, произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным результатам.

Сбор входных данных включает в себя сбор информации о механических и тепловых свойствах материалов и ЭРИ и их допустимых предельных характеристиках, о массогабаритных характеристиках составляющих конструкции, о внешних воздействиях на исследуемый объект. Геометрические, массовые параметры конструкции и воздействие разработчик получает из технического задания и нормативно-технической документации (НТД). Допустимые параметры материалов и ЭРИ, некоторые свойства материалов даны в справочных материалах или уже содержатся в базах данных. Но некоторые применяемые в конструировании РЭС макромодели и материалы описаны с точки зрения механики не полностью. Следовательно, возникает необходимость идентификации механических параметров материалов и макромоделей. Необходимым условием проведения идентификации согласно известным методикам является постановка эксперимента. Учитывая нынешние условия, получение опытных данных затруднительно с точки зрения материальных затрат и оперативности расчета. Таким образом, возникает задача идентификации параметров макромоделей типовых элементов конструкции РЭС без проведения эксперимента. Данную проблему можно решить расчетным путем, строя микромодели, эквивалентные соответствующим макромоделям. В результате анализа микромодели можно получать выходные механические характеристики типовых конструкций РЭС, а затем на основе решения задачи идентификации с использованием макромоделирования получить неизвестные физико-механические параметры, например, вносимую цилиндрическую жесткость ЭРИ. То есть параметры макромоделей идентифицируются не из опыта, а из результатов расчета микромодели, на что уходит буквально несколько десятков секунд. Эффективность такого подхода особенно существенна в случае идентификации жесткости ЭРИ, так как количество разновидностей применяемых на данный момент ЭРИ достаточно велико, и идентификация опытным путем практически не осуществима. Идентифицированные один раз параметры макромоделей конструкций РЭС должны быть помещены в базу данных, чтобы в случае необходимости не проводить идентификацию заново.

Процедура ввода входных данных включает назначение допущений на модель, построение геометрии, присвоение элементам конструкции типа и параметров сечений, толщины, приложение воздействия и граничных условий, задание свойств материалов и параметров расчета. Назначение адекватных допущений на модель требует от конструктора достаточно глубоких знаний и опыта в области математики, теории прочности и теплопередачи. Необходимо затрачивать большой объем времени на обучение специалистов теории и прохождения ими практики пользования программного обеспечения, предназначенного для проведения прочностных и тепловых расчетов. В данной ситуации конструктор вынужден обращаться к расчетчику, что как показывает практика, нерационально в виду большого количества итераций по отработке конструкции на устойчивость или прочность. Т.е. возникает проблема построения адекватных моделей типовых конструкций РЭС, не привлекая к этому больших усилий конструктора, представить взаимодействие разработчика РЭС с моделями обычным инженерным языком.

Этап построения геометрии затруднен сложностью конструкций РЭС. Специализированные программы анализа механических процессов в конструкциях РЭС имеют в наличии ограниченный и не достаточный набор моделей типовых элементов для построения произвольных конструкций. Т.е. результат исследования средствами данных программ будет настолько соответствовать действительности, насколько виртуальная модель конструкции будет соответствовать реальной. Обычно на практике адекватное соответствие получить довольно трудно. Проводить расчет при помощи универсальных программ, позволяющих строить модели любой сложности, процесс очень трудоемкий, тем более что конструктору при моделировании необходимо выдерживать соотношение точность – время расчета оптимальным, что, вообще говоря, является прерогативой аналитика. Все действия, выполняемые при подготовке препроцессорных данных: назначение геометрии атрибутов и материалов, дискретизация модели и т.д. не специализированы применительно к моделированию РЭС.

Для принятия эффективного решения по полученным результатам конструктору необходимо знать степень влияния входного воздействия на выходные данные. Это также важно при дальнейшем проведении оптимизации конструкции, для чего необходимо знать целесообразность использования тех или иных входных данных в качестве варьируемых параметров при оптимизации. Поэтому для целенаправленного редактирования входных данных и рационального задания  условий оптимизации необходимо знать степень влияния номинальных значений параметров конструкции на результат. Возникает задача анализа чувствительности.

Для всех конструкционных материалов, особенно применяемых в конструкциях РЭС, присуще явление демпфирования. Анализ механических процессов протекающих в конструкциях РЭС без учета демпфирования даст сильно завышенные результаты по амплитудам перемещений, ускорений и напряжений. Поэтому учет внутренних потерь механической энергии имеет большое значение. Учет демпфирования в расчетах усугубляется нелинейным характером изменения параметров демпфирования в зависимости от напряженного состояния.

Любые входные параметры – геометрия, свойства материалов, величина воздействия, строго говоря, у разных объектов одинаковой конструкции точного значения не имеют, они подвержены случайному распределению в некоторых пределах. Варьирование входных данных вызывает изменение выходных параметров, поэтому конструктору необходимо знать величину данного изменения. Возникает задача решения допускового анализа применительно к моделированию РЭС.

В конструкциях РЭС различают две группы отказов. Первая группа отказов проявляются сразу при механическом воздействии. К этой группе отказов можно отнести отказы, связанные с пластическими деформациями, с разрушением элементов конструкции при превышении механических напряжений допустимых пределов и пр. Вторая группа отказов вызвана эффектами накопления. К этой группе отказов относится износ, самоотвинчивание, усталостная прочность и т.д. Исследования распределения отказов, характеризующих прочность элементов и приборов при вибрационных воздействиях, показали, что доминируют отказы второй группы, причем для приборов усталостные повреждения составляют 58,1 % [2]. В связи с постоянно увеличивающейся интенсивностью нагрузки на бортовые РЭС встает вопрос об анализе усталостной прочности составляющих конструкции РЭС. Данная проблема актуальна для всех видов длительных механических воздействий, при этом расчетное время работоспособности детали должно превышать суммарное время эксплуатации.

Существует множество проблем, сопровождающих анализ механических процессов в конструкциях РЭС, эффективно решить которые можно, имея в наличии специализированный инструментарий, который позволит конструктору привлекать к расчету все важные составляющие процедуры анализа: оптимизация, анализ чувствительности, допусковый анализ, идентификация, базы данных, а также расчеты на все виды воздействия и т.д. Кроме этого в распоряжении конструктора должна быть совокупность методик по совместному использованию всех вышеперечисленных типовых процедур анализа. На данный момент наиболее успешно используется автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА, разрабатываемая совместно в Московском государственном институте электроники и математики и Ковровской государственной технологической академии.

Подсистема АСОНИКА-М предназначена для получения механических характеристик (резонансные частоты, ускорения, напряжения) блоков кассетного и этажерочного типов, печатных узлов, РЭ при вибрационных и ударных воздействиях, однако применительно к анализу конструкций РЭС включающих уровни иерархии блок печатных узлов (ПУ) и выше программа развита довольно слабо. В АСОНИКА-М при анализе конструкций РЭС действует принцип иерархичности моделирования РЭС. Т.е. поэтапно и отдельно  рассчитываются различные уровни иерархии, с начала внешнее воздействие передается на верхний уровень, где при этом все остальные нижние представлены как абсолютно жесткие сосредоточенные массы, затем с текущего уровня полученное воздействие передается на следующий уровень и т.д. Данный подход не применим в случае, когда присутствует взаимное влияние деформаций соседних уровней. Учитывая современный уровень развития конечно-элементных программ, например, ANSYS, математические модели типовых конструкций РЭС могут быть представлены более адекватно, т.е. как трехмерные и может быть учтена жесткость соединения соседних уровней. Также конструктивные уровни иерархии выше ПУ рассматриваются как совокупность двумерных моделей. Такой подход рассматривает составляющие модели по отдельности, и не учитывает совместной деформации всех элементов реальной трехмерной конструкции. Данное обстоятельство вызывает погрешность расчетов, и тем более большая погрешность накапливается при переходе нескольких уровней от верхнего до последнего.

АСОНИКА-М располагает несколькими типовыми элементами конструкции РЭС, хотя в промышленности зачастую встречаются конструкции более сложные, чем совокупность имеющихся в данных работах. При необходимости в АСОНИКА-М оперативно изменить или добавить новый типовой элемент конструкции РЭС невозможно. Учитывая современные темпы развития радиоэлектроники, такое программное обеспечение  почти лишено универсальности и возможности развития и расширения. АСОНИКА-М написана на универсальных языках программирования, и любое изменение или дополнение повлечет за собой большие временные затраты. Нынешнее состояние общеизвестных конечно-элементных программ позволяет на базе математического ядра последних разрабатывать специализированные интерфейсы для расчета на механические и тепловые воздействия, используя предметно-ориентированные языки программирования высокого уровня. При этом программист-разработчик не будет тратить время на составление алгоритмов и отладку математических процедур, процедур ввода-вывода и т.д., так как они уже готовы, его будет интересовать только правильность ввода конструкции и задание нагрузок. Таким образом, минуя недостатки универсальных языков программирования в данной конкретной области, есть возможность при соответствующих навыках расширять возможности интерфейса, разрабатывая дополнительные модели типовых конструкций РЭС.

Сбор информации по применяемым материалам затруднен отсутствием базы данных и модуля идентификации. Свойства материалов: модуль упругости, плотность, коэффициент Пуассона, параметр демпфирования, величина рассеяния вышеуказанных свойств – является информацией справочной, и ее поиск требует определенного времени. Некоторых характеристик материалов в справочной литературе может быть не указано. Особенно это касается параметра демпфирования, например, если не дано его значение, то погрешность расчетных величин амплитуд механических характеристик будет неприемлема. Это лишний раз подчеркивает актуальность проблемы идентификации параметров материалов и макромоделей.

Анализ применяемого универсального и специализированного программного обеспечения позволяет сделать несколько выводов. Специализированное программное обеспечение имеет ограниченный набор типовых элементов конструкций РЭС, и не располагают оперативными средствами создания новых типовых элементов. При этом ввод конструкции на универсальной программе, требует больших временных затрат, которые не позволяют завершить моделирование в требуемые сроки. В дополнение к большим временным затратам универсальные программные комплексы требуют от конструктора РЭС знаний в области моделирования механических процессов, каковыми он в подавляющем большинстве случаев может не располагать. Проведение анализа в обоих случаях затрудняется либо отсутствием баз данных с необходимыми физико-механическими параметрами материалов и макромоделей или отсутствием эффективных средств пополнения баз данных. Для использования универсальной программы требуется провести обучение специалистов, что требует значительных временных затрат.

 

 

Рис.1. Существующая схема моделирования механических процессов
в несущих конструкциях РЭС

 

С учетом нынешних условий моделирования механических процессов в РЭС схема процесса анализа выглядит, как показано на рис.1. данная схема сочетает в себе все недостатки использования универсальных и специализированных программ. Отрицательный момент в использовании универсальной программе заключается в сложности и излишестве предоставляемых функций, специализированная программа не имеет гибкости использования. Взаимодействие конструктора с системой моделирования осуществляется с посредничеством аналитика-расчетчика. Все используемые процедуры анализа предоставляются конструктору или без учета специализации, в случае универсальной программы, или в виду сложности реализации, некоторых процедур нет, что нарушает полноценность анализа, в случае специализированных программ.

Таким образом, на основе вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности разработки метода взаимодействия «проектировщик-система» для моделирования блоков РЭС на базе ПУ с учетом механических воздействий, в силу следующих причин:

-    отсутствуют расчетные модели блоков РЭС на базе ПУ;

-    отсутствует методика синтеза произвольной конструкции РЭС из типовых элементов;

-    отсутствует методика синтеза типовых элементов, предназначенных для синтеза произвольной, нетиповой конструкции РЭС;

-    отсутствует методика идентификации специализированная на уровне блоков РЭС на базе ПУ;

-    отсутствует методика анализа усталостной прочности деталей конструкций блоков РЭС на базе ПУ при различных видах механических воздействий;

-    отсутствует метод взаимодействия «проектировщик-система» для моделирования механических процессов в блоках РЭС на базе ПУ.

 

 

Рис.2. Схема процесса моделирования блоков РЭС на базе ПУ с использованием
специализированного интерфейса взаимодействия

 

Предлагается схема процесса моделирования, представленная на рис. 2. На схеме присутствуют все необходимые типовые проектные процедуры: оптимизация, разработка новых типовых моделей, идентификация и т.д. Взаимодействие конструктора РЭС с математическим аппаратом проектирования осуществляется через специализированный интерфейс на языке, доступном для разработчика аппаратуры. Участие в анализе расчетчика косвенное и сведено к минимуму, расчетчик только создает новые типовые элементы конструкций РЭС.

В качестве математического аппарата моделирования более всего подходит универсальная программа как математическое ядро. В качестве решателя в данной работе выбрана тяжелая конечно-элементная программа ANSYS.

Важным и базовым моментом в реализации метода взаимодействия «проектировщик – система» для моделирования механических процессов первую очередь является разработка методики синтеза нетиповых конструкций на базе типовых элементов. На основе этого решаются все остальные задачи, последней из которых является разработка метода взаимодействия «проектировщик – система»  для моделирования механических процессов в блоках радиоэлектронных средств на базе печатных узлов. Для воплощения данного метода необходимо разработать структуру интегрированной автоматизированной подсистемы анализа и синтеза ПУ, ЭРИ и блоков РЭС на базе ПУ, при механических воздействиях.

Основой метода взаимодействия является синтез анализируемой модели. Синтез модели конструкции на базе типовых элементов в логико-аналитическом виде выражен следующим образом:

,

где  - модель конструкции;  - модель креплений;  - модель механических воздействий.

Модель конструкции представлена следующим выражением:

,

где  - количество моделей типовых элементов, образующих модель конструкции;  - модель типового элемента;  - локальная система координат типового элемента;  - линейные и угловые смещения локальной системы координат типового элемента относительно глобальной системы координат.

Укрупненная последовательность действий пользователя при создании  модели конструкции представлена на рис.3.

 

 

Рис.3. Блок схема синтеза модели конструкции не базе типовых элементов

 

1.  В начале работы построения модели пользователь располагает локальную систему координат типового элемента. В данной системе будет проводиться построение типового элемента. Построение следует начинать с самого высшего уровня иерархии, присутствующего в конструкции.

2.  Вызывается интерфейс типового элемента. На данном этапе задается геометрия модели типового элемента: количественно определяется структура модели, назначаются толщины пластинам, сечения балкам и т.д.

3.  После выгрузки интерфейса формируется макрос модели типового элемента и с соответствующими ссылками записывается на жесткий диск. По окончании записи происходит отображение модели типового элемента вместе со всей конструкцией на экране монитора.

4.  Выполняется объединение введенного типового элемента со всей конструкцией. Объединение выполняется на уровне макросов и выражается в виде записи дополнительных макросов объединения на жесткий диск.

5.  Проверка на завершенность построения конструкции. Если построение завершено то выполняется п.6 иначе п. 7.

6.  Задаются граничные условия и воздействие на конструкцию. На данном этапе,  возможно, необходимо будет задавать условия взаимодействия с другими внешними программами анализа  на предмет передачи воздействия или граничных условий.

7.  Формируется макрос граничных условий и воздействия.

8.  Формируется итоговый макрос анализа конструкций путем объединения макроса для построения геометрии итоговой модели и макроса граничных условий и воздействия. Формируется структура общего макроса готового для запуска в ANSYS.

Для осуществления вышеприведенной схемы синтеза всей конструкции необходимо, чтобы выполнялся ряд условий и требований для процедуры синтеза типового элемента. Синтез типового элемента в логико-аналитическом виде представлен выражением:

,

где  - множество, образующее геометрию модели; *        - множество материалов модели.

Графическая интерпретация схемы синтеза изображена на рис.4.

 

Рис.4. Структурная схема синтеза типового элемента

 

В создании типового элемента конструкции РЭС непосредственно участвуют две структуры: интерфейс – графическая оболочка, в которой происходит ввод входных данных и макроса, по которому ядро ANSYS формирует модель конструкции типового элемента. Графическая оболочка отделяет пользователя от ANSYS, обеспечивая доступ к универсальной программе на языке конструктора. Непосредственный контакт с ANSYS осуществляется на уровне макроса, который формируется соответствующим интерфейсом типового элемента.

Первоначально построение типового элемента осуществляется в интерфейсе типового элемента. Для каждого типового элемента из библиотеки интерфейсов типовых элементов из монитора вызывается свой интерфейс ввода. Интерфейс предназначен для отображения входных данных, задания материалов, осуществления параметрической и структурной параметризации модели и формирования макроса.

Синтез геометрии типового элемента идет согласно выражению:

,

где - множество элементов геометрии образующее единицу структурной параметризации модели типового элемента. Под единицей структурной параметризации модели типового элемента в данной случае понимается совокупность элементов геометрии образующих характерную повторяющуюся часть конструкции типового элемента в пределах одного типового элемента. Например, для блока печатных узлов типа этажерочная конструкция единицей структурной параметризации является этаж с входящими в него печатным узлом и шпильками, на которых данный печатный узел крепиться. Заданием количества этажей и шпилек в пределах каждого этажа можно определить этажерочную конструкцию.

Смысл структурной параметризации заключается в том, что в процессе построения количество единиц структурной параметризации модели типового элемента является величиной переменной. Например, у блока печатных узлов кассетного типа можно задавать произвольное количество печатных узлов.

Далее структурно параметризованная геометрия разлагается на составляющие согласно следующему выражению:

,

где - множество параметризованных единиц структурной параметризации модели типового элемента;  - множество не параметризованных элементов структуры модели типового элемента.

Для ввода материалов используется база данных по свойствам конструкционных материалов применяемых при проектировании РЭС. Свойства материалов модели представлены следующим образом:

,

где  - количество материалов в модели типового элемента; *- множество номинальных значений параметров свойств материала; - множество значений разброса параметров свойств материала.

,

где  - модуль упругости первого рода;  - плотность;  - коэффициент Пуассона;  - параметр демпфирования;

,

где  - величина разброса модуля упругости первого рода;  - величина разброса плотности;  - величина разброса коэффициента Пуассона;  - величина разброса параметра демпфирования.

По окончанию ввода входных данных интерфейс формирует макрос модели. Формирование макроса складывается из двух этапов: построение инициализирующей части и присоединение к ней постоянной части макроса. Постоянная часть макроса берется из базы данных макросов типовых элементов, затем происходит запись сформированного макроса в общую структуру макроса построения всех конструкции.

Использование созданных методик и программных средств автоматизированного синтеза и анализа моделей механических процессов нетиповых конструкций блоков РЭС на базе ПУ позволяет в значительной степени повысить эффективность моделирования и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по механическим характеристикам.

 

Список литературы

 

1.        Маквецов Е.Н., Тартаковский А.М. механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. М.: Радио и связь.1993. 200с.

2.        Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов/ Остроменский П.И.– Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та. 1992. 173 с.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 1, 2003 г.