автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования электрических соединителей на основе формализации и типизации проектных процедур

00461

155

На правах рукописи

я у

САФОНОВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ФОРМАЛИЗАЦИИ И ТИПИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ ПРОЦЕДУР

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 ОКТ 2ою

Брянск 2010

004611155

Работа выполнена на кафедре «Управление качеством, стандартизация и метрология» Брянского государственного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Горленко Олег Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Никольский Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент Беспалов Виталий Александрович

Ведущая организация

ОАО "Завод Элекон" г. Казань

Защита состоится 2 ноября 2010 г. в 14 часов в учебном корпусе № 2 в ауд. 220 на заседании диссертационного совета Д 212.021.03 Брянского государственного технического университета по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1 октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В.А. Шкаберин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) представляет собой совокупность сложных многофункциональных изделий, которые содержат в своем составе большое число компонентов, в том числе электрических соединителей, обеспечивающих соединение и коммутацию различных ее электрических цепей и систем. Проблема межсоединений в аппаратуре обусловливает до 80% всех дефектов в РЭА. Она может быть решена только путем применения высококачественных электрических соединителей.

Необходимо отметить, что успешное решение задачи по изготовлению высокого качества соединителей должно закладываться уже на стадии их проектирования с учетом обеспечения таких потребительских свойств, как функциональность, надежность, технологичность, экономичность и др. Решение этой задачи на уровне современных требований с применением существующих методик и средств инструментального обеспечения становится крайне затруднительным и затратным. Так, на формирование технического задания (ТЗ), разработку технических условий (ТУ) и чертежей на соединитель среднего уровня сложности обычно требуется 2,5-3 месяца, на соединитель повышенной сложности - до 6 месяцев.

Для проектирования изделий машиностроения и радиоэлектронных компонентов в настоящее время широко используются интегрированные САПР (системы автоматизированного проектирования), однако подобные разработки для электрических соединителей отсутствуют. Это обстоятельство и обусловливает актуальность решаемых в данной диссертационной работе научных и технических задач, связанных с автоматизацией проектирования современных прямоугольных электрических соединителей. Сокращение сроков разработки таких соединителей, повышение эффективности затрат на их создание, освобождение конструкторов от выполнения рутинных проектных операций при анализе различных конструкторских решений возможно лишь на основе автоматизации процесса их проектирования.

Цель и задачи работы. Целью работы является формализация проектных процедур автоматизированного проектирования электрических соединителей и создание на их основе алгоритмов и программных комплексов.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ известных подходов к типизации, формализации и автоматизации проектирования электрических соединителей, разработка их классификации и методики автоматизированного проектирования.

2. Разработка структурной модели автоматизированного проектирования электрических соединителей.

3. Разработка математических моделей анализа решений при автоматизированном проектировании электрических соединителей.

4. Разработка информационного обеспечения САПР электрических соединителей (САПР ЭС), включающего базы данных типовых проектных решений.

5. Разработка программного обеспечения САПР ЭС, включающего комплекс взаимодействующих модулей.

6. Апробация функционирования САПР ЭС для конкретного производства с получением необходимой конструкторской документации.

Методы исследований. При выполнении научных исследований и реализации поставленных задач были использованы методы теории автоматизированного проектирования, системного анализа, вычислительной математики (метод конечных элементов, методы математического программирования). При разработке программных модулей использовалась объектно-ориентированная технология проектирования.

Научная новизна работы. Заключается в следующем:

1. Разработан комплекс алгоритмов на основе формализации процедур проектирования электрических соединителей.

2. Предложена структурная модель системы автоматизированного проектирования электрических соединителей, включающая, в частности, подсистемы ввода исходных данных, компоновки электрического соединителя, температурного анализа, проектирования и оптимизации контактных пар, формирования результатов проектирования, управления данными проектов.

3. Разработана модель анализа температурного состояния электрических соединителей на основе метода конечных элементов.

4. Разработан метод оптимизации конструкций контактных пар электрических соединителей, основанный на визуализации хода выполнения поиска оптимального решения.

Достоверность и обоснованность научных исследований. Подтверждается выбором математических моделей, удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных, полученных автором, применением эффективных численных методов расчетов. Результаты работы подтверждаются работоспособностью созданной САПР ЭС, используемой на практике при проектировании электрических соединителей.

На защиту выносятся:

1. Методология, структура и алгоритм автоматизированного проектирования электрических соединителей.

2. Методы автоматизации инженерного анализа при проектировании электрических соединителей.

3. Автоматизированная система проектирования электрических соединителей, основанная на твердотельном параметрическом проектировании.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные методы синтеза и анализа проектных решений при автоматизированном проектировании электрических соединителей, позволяющих осуществлять:

- автоматизированное проектирование электрических соединителей, включающее определение схематичного расположения компонентов электрических соединителей и их параметров и автоматическую генерацию твердотельных моделей деталей и сборочных единиц для последующего получения комплекта проектной документации;

- расчет теплового режима работы электрического соединителя;

- многопараметрическую оптимизацию контактных пар электрических соединителей с визуализацией результатов в среде основной САБ-системы.

2. Комплекс программных модулей, реализованных в виде системы автоматизированного проектирования электрических соединителей, интегрированной с системой КОМПАС-ЗО посредством программного интерфейса.

3. База данных компонентов электрических соединителей, для которой произведено тестовое заполнение.

Отличие проведенных исследований. Отечественные разработки в области автоматизированного проектирования электрических соединителей, позволяющих осуществить весь процесс проектирования, отсутствуют. Впервые разработана специализированная САПР прямоугольных электрических соединителей.

Результаты работы. Реализованы на ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» и могут быть использованы при проектировании электрических соединителей других типов.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 10-ти печатных работах, в том числе в 3-х журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК изданий. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на 58-к научной конференции профессорско-преподавательского состава Брянского государственного технического университета (2008 г.), на Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилев, 2008 г.). В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Управление качеством, стандартизация и сертификация» ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Элементы разработанной САПР ЭС используются в учебном процессе кафедры (дисциплины «Основы САПР», «САПР контрольно-измерительных технологий»),

САПР ЭС зарегистрирована в объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (свидетельство № 16142).

По теме диссертации выполнена работа «Автоматизация проектирования электрических соединителей повышенного качества», ставшая победителем смотра-конкурса «На лучшее изобретение и рационализаторское предложение в 2008 г.», учрежденного Брянской областной администрацией и Брянским областным советом Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы (105 наименований источников) и приложений, содержит 219 страниц печатного текста, 63 рисунков и 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследований, приводятся основные положения и результаты исследований, отмечается их новизна и практическая значимость.

В первой главе проводится общий обзор методов проектирования электрических соединителей, рассматриваются вопросы его автоматизации в условиях применения интегрированных САПР.

Проведен анализ работ по автоматизации проектирования и проектирования электрических соединителей, в частности. Вопросы автоматизации проектирования рассматривались в работах В.И. Аверченкова, Г. Н. Васильева, В.А. Камаева, Н.М. Капустина, Л. Кунву, С.Н. Никольского, И.П. Норенкова и др. В области проектирования электрических соединителей большое значение имеют труды А.К. Белоусова, А.Н Бредихина, A.C. Займовского, А.П. Левина,

В.Ф. Лярского, С.И. Мельникова, К. Мерла, P.C. Мрочковски, Н.К. Мышкина, Е.К. Реута, В.В. Усова, Р. Хольма и др. Большой вклад в исследование и проектирование контактных соединений внесли Б.Ф. Быков, P.E. Евсеев, М.М. Кае-танович, C.B. Крылов, Н.Ф. Масанов, Б.Н. Неклепаев, Т.Е. Хромченко, И.А. Якобсон и др. В основном все работы в этом направлении относятся к 70-80 гг. XX века.

Особенность работы рассматриваемых электрических соединителей состоит в том, что они должны одновременно выполнять две основные функции (электрическую и механическую), которые следует учитывать при их проектировании. Повышение качества проектирования электрических соединителей может быть достигнуто путем его автоматизации. Рассмотрены подходы к автоматизации проектирования электрических соединителей, с учетом особенностей которых решено использовать метод типового вариантного проектирования на базе инструментов параметризации при создании системы. При этом под параметризацией понимают возможность изменения характеристик объекта проектирования путем изменения ограниченного числа определяющих эти характеристики параметров.

В настоящее время в производстве широко используются интегрированные САПР, предназначенные для проектирования изделий машиностроения и радиоэлектроники, существуют системы для автоматизации разработки некоторых электромеханических устройств, но все они не могут быть использованы для полноценного проектирования электрических соединителей. Выявлено, что на отечественном рынке нет систем, позволяющих осуществить весь процесс проектирования электрических соединителей с выполнением необходимых расчетов и получением комплекта конструкторской документации.

Определены элементы, в разработке которых возможно применить автоматизированный подход, основные направления проводимых исследований. Сформулированы требования к САПР электрических соединителей.

В завершении главы сформулирована цель работы и поставлен комплекс взаимосвязанных задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена разработке методологии автоматизированного проектирования электрических соединителей. В ней рассматриваются формализация проектных процедур и методы решения прикладных задач.

Выявлены типовые конструкции, приведена классификация электрических соединителей по их функциональному назначению (соединители низкочастотные, радиочастотные, электроразрывные, силовые, высоковольтные и др.), по конструктивному исполнению (прямоугольные и цилиндрические), по способу коммутации (под объемный и печатный монтаж, под ленточные кабели, резьбовые, врубные, байонетные и т.п.). Описаны методологические задачи, общие для автоматизированного проектирования электрических соединителей, дается их решение на примере низкочастотных прямоугольных электрических соединителей.

В данной главе рассматриваются вопросы разработки математических моделей элементов электрических соединителей и методики, позволяющие формализовать процесс проектирования электрических соединителей.

В настоящее время при проектировании электрических соединителей (ЭС) наиболее узкими местами являются вопросы совершенствования контакт-

ных элементов (контактных пар) как основных функциональных единиц электрического соединителя, определяющих его рабочие характеристики и габаритные размеры, а также расчет температурного состояния нагруженного электрического соединителя.

Для проектирования контактных пар, основной функциональной единицы электрического соединителя, необходимо решать задачу расчета величины электрического сопротивления на этапе проектирования соединителя. Задача определения зависимости сопротивления от параметров контактов является первостепенной.

В практике для расчета сопротивления низкочастотных соединителей используют формулу, предложенную Р. Хольмом:

л = --(1)

2 (Рк-0,102)ь

где R - электрическое сопротивление контакта, Ом; с, b - эмпирические коэффициенты; pi, ¡>2 - удельные электрические сопротивления материалов покрытий, Ом-м; Н - твердость материала покрытия по Бринеллю, МПа, /', - контактное усилие, Н. Коэффициенты с и b необходимо определять для каждого типа контактных пар и интервалов контактного усилия.

В этой связи автором в ходе работы были проведены экспериментальные исследования для построения RP-характеристик покрытий контактных пар, широко применяемых на производстве (покрытия серебром, золотом и сплавом олово-висмут). RP-характеристики этих покрытий представлены в виде регрессионных кривых (рис. 1).

Рис. 1. ЯР-характеристики для контактов с различным покрытием: 1 - серебро, 2 - золото, 3 - олово-висмут; экспериментальные точки: ♦ - серебро, ° - золото, й - олово-

висмут

Для определения коэффициентов с и Ъ выражения (1) использовался метод наименьших квадратов, результат которого приведен в табл. 1. Также в работе найдена аналогичная зависимость на основе теории подобия.

Таблица 1

Эмпирические коэффициенты для различных материалов покрытий

Материал покрытия с ъ

Серебро 4.5 0,98

Золото 4,1 1,06

Олово-висмут 6.4 0,72

Зависимость (1) совместно с найденными значениями коэффициентов (табл. 1) позволяет для разрабатываемых конструкций контактных пар осуществить расчетное определение их электрического сопротивления. Полученные результаты используются в задаче оптимизации конструкций контактных пар.

Для проектирования контактных элементов электрических соединителей в работе решается задача многопараметрической оптимизации. Сформулирована задача оптимизации контактных пар в общем виде. В качестве объекта оптимизации была использована параметрическая модель контактного элемента электрического соединителя.

Вектор варьируемых параметров (факторов) формируется из параметров модели (геометрические размеры, свойства материала), для каждого из них следует определить диапазон изменения.

Определяющими свойствами контактного элемента являются габаритные размеры, его масса и электрическое сопротивление. С учетом этого автором предложено использовать аддитивный критерий в качестве целевой функции.

<2)

10 т0 к0

где X - вектор варьируемых параметров (размеры); У(Х) - функция, учитывающая габаритные размеры; т - масса контакта; Л - электрическое сопротивление; Уа то, Ио, - значения функции габаритов, масса и электрическое сопротивление базовой конструкции контакта; ку, к,„, к/( - весовые коэффициенты функций габаритов, массы и электрического сопротивления соответственно (значения данных коэффициентов устанавливаются согласно цели проектирования при помощи экспертных оценок важности этих свойств).

Оптимальные значения параметров согласно целевым функциям находятся совместно с выполнением ограничений:

1. Электрическое сопротивление не должно превышать допустимое значение

ЩХ)<ктах. (3)

Для определения сопротивления применяется формула (1).

2. Усилие сочленения-расчленения должно находиться в допустимом интервале значений

РШ„<Р(Х)<Ь^. (4)

3. Условия прочности элементов модели. Максимальные механические напряжения не должны превышать допускаемого значения (предела усталости материала модели)

о(Х)<[я]. (5)

4. Температура зоны контактирования не должна превышать температуру размягчения материала покрытия контакта

Тт<[Тра,„]. (6)

Для решения поставленной задачи оптимизации в работе применен комплексный метод Бокса, представляющий собой модификацию метода деформируемого многогранника и предназначенный для решения задачи нелинейного программирования с ограничениями-неравенствами. Результатом решения задачи оптимизации является новая конструкция контактного элемента в виде параметрической твердотельной модели, построенная на основе базовой конструкции.

Предложенная методика была использована для задачи оптимизации ро-зеточного контакта типа «Лира» (рис. 2). При решении задачи оптимизации важным этапом является построение математических моделей контактных элементов. Автором предложена математическая модель розеточного контакта типа «Лира», которая использовалась для оптимизации конструкции.

Жесткость упругого элемента К, Н/м:

4

К =

61!

Л12+ЗЛ22-4/11Л,-2/1221ПА)

А

(7)

А

где Е - модуль упругости материала контакта, Н/м2.

Контактная сила в контактной паре Рк, Н: Рк =К{с1,-с1)!2, (8)

где - толщина вилочного контакта, м.

Электрическое сопротивление контактной пары Я определяется согласно выражению (1).

Усилие сочленения-расчленения контактной пары Н:

Р = РхМ-2, (9)

где |1 - коэффициент трения материалов покрытий.

Перегрев зоны контактирования, К: 12Я2

(10)

№

в =

8 рЛ '

где 1 - сила тока, А; р - удельное электрическое сопротивление материала покрытия, Ом-м; ). -теплопроводность материала покрытия, Вт/(м-К).

X,

Рис. 2. Схема розеточного контакта типа «Лира»

Максимальное механическое напряжение, Па

- у основания упругого элемента:

PKL -6

где cto - коэффициент концентрации напряжений;

или

- по длине упругого элемента:

3 Pt-L

17тах2 , ч '

20«! (/ij - Л,)

Задача оптимизации (двухпараметрическая) для данного объекта определялась следующим образом.

Вектор варьируемых параметров (в качестве параметров использованы геометрические размеры, показанные на рис.2):

Х = (Х1,Х2), при Хх е [3;6], е [0,5;0,9].

Целевая функция:

F(X) = kXi + Ä! min ;

2 X20 R0

при kXi = 0,9, kR = 0,1.

Ограничения:

1. Электрическое сопротивление:

R(X) < 12 мОлп

2. Усилие сочленения-расчленения:

0,2 Н < F(X) < 0,5 Н;

3. Температура локального перегрева:

9 < 120 К;

4. Максимальные механические напряжения:

(JmJX) < 150 МПа.

В связи с необходимостью уменьшения размеров компонентов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и одновременного увеличения передаваемой мощности важным является задача обеспечение допустимых температур перегрева элементов электрического соединителя. При определении реального теплового режима электрического соединителя учтены следующие факторы: температура окружающей среды; количество тепла, выделяемого на каждой контактной паре соединителя; суммарное количество тепла, выделяемого на соединителе; количество тепла, которое может рассеять соединитель в окружающую среду; технические характеристики материалов, из которых изготовлен соединитель. Допустимая температура перегрева контактных электродов электрических соединителей ограничивается физико-механическими и электрическими свойствами применяемых материалов. Критичными в этом отношении являются материалы изоляторов и покрытий контактов.

Для определения температурных полей в изоляторе электрического соединителя в работе использован метод конечных элементов, основанный на минимизации функционала, математически эквивалентного дифференциальному уравнению, описывающему задачу теплопроводности. В данной работе применялись треугольный конечный элемент для двухмерной задачи (рис.3) и тетраэдрический конечный элемент для трехмерной.

В используемой методике нахождения температурных полей методом конечных элементов рассматривались два вида граничных условий:

1. Передача тепла электрическим соединителем в окружающую среду через боковые и торцовые грани изолятора соединителя (конвективный теплообмен с внешней средой). Тепловой поток, теряемый за счет конвекции единицей площадью поверхности, Вт/м2:

Я = КТ~Т„), (13)

где И - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С), зависит от большого числа факторов; при естественной конвекции на воздухе рекомендованное значение равняется 15Вт/(м2-°С); Т - температура точки боковой грани изолятора, °С; '/',. -температура окружающей среды, °С.

2. Поглощение электрическим соединителем тепла, выделяющегося в контакте при работе (точечный источник тепла в узлах, соответствующих контактам). Количество тепла, выделенного одной контактной парой электрического соединителя при прохождении через нее электрического тока, определяется выражением, Вт:

О^^Л. (14)

где I - сила тока, проходящего через контактную пару, А; Як - полное сопротивление контакта (сумма омического сопротивления контактных электродов и переходного сопротивления), Ом.

По результатам расчета температурного поля электрического соединителя и анализу графического изображения его распределения появляется возможность корректировки схемы токового нагружения. В областях с критическими температурами необходимо снижать токовые нагрузки на контакты, и, наоборот, в областях с пониженными температурами перегрева их увеличивать. Такая корректировка схемы нагружения с учетом конкретных условий позволяет обеспечить рациональную токовую нагрузку по всему соединителю.

При автоматизации проектирования электрических соединителей важным элементом является задача учета технологичности конструкций. Для ее количественной оценки предлагается использование следующих величин:

- Коэффициента межпроектной унификации. Определяется наличием в базе данных САПР ЭС, используемых в проектируемом соединителе деталей.

- Коэффициента применяемости материалов. Характеризует степень разнообразия материалов, применяемых для изготовления деталей.

- Значения масс, используемых для производства материалов.

На основе проделанных теоретических исследований предложен следующий алгоритм автоматизированного проектирования электрических соединителей:

1. Анализ технического задания, формирование исходных данных на проектирование электрического соединителя.

2. Выбор компонентов электрического соединителя из базы данных (типы контактных пар, исполнения изоляторов, корпуса, фиксирующие элементы).

3. Проектирование новых компонентов электрического соединителя, в том числе выполнение процедуры оптимизации контактных пар и добавление их в базу данных.

4. Определение схематического расположения элементов в соединителе.

5. Проведение необходимых расчетов и согласования конструктивных элементов.

6. Температурный анализ работы электрического соединителя.

7. Автоматический параметрический синтез твердотельных моделей деталей электрического соединителя в среде КОМПАС ЗБ на основе ее АР1-интерфейса.

8. Создание модели соединителя (модель-сборка) методом автоматической генерации сопряжений деталей в ней.

9. Разработка необходимой конструкторской документации.

10. Сохранение данных в архиве проектных решений.

Также в главе сформулированы основные требования к проектируемым электрическим соединителям.

Третья глава посвящена разработке общей модели и алгоритмов процесса автоматизированного проектирования электрических соединителей. Для получения более полного представления о предметной области была разработана ее концептуальная модель. В состав модели входят диаграммы, разработанные посредством языка иМЬ.

В соответствии с разработанной методикой автоматизированного проектирования электрических соединителей и согласно этапам проектирования разработана структурная схема автоматизированного проектирования, в которой определены функциональные блоки и связь их друг с другом (рис. 4).

САПР ЭС формирует данные о составе электрического соединителя (определение компонентов соединителя, параметров компонентов и их взаимного расположения), выполняет необходимый анализ конструкции ЭС (определение основных технических характеристик: электрического сопротивления контактов, допустимого электрического тока, силы сочленения-расчленения; температурный анализ работы; оптимизация элементов электрических соединителей; расчет материалов в изделии и др.), а также выполняет генерацию последовательности команд для автоматического создания твердотельных моделей деталей и сборок в среде основной САБ-системы. В автоматизированном режиме формируется необходимая конструкторская документация (чертежи, специфи-

кации) при помощи инструмента ассоциативных чертежей и развитого пользовательского интерфейса.

Техническое задание\

уйроьпещлти сшЬшепя ус/юйин жппуйтйции

Оптимизация

Система автоматизированного

проектирования электрических соединителей

Автоматический синтез _чертежей_

Автоматический синтез сборочной модели соединителя

Автоматический синтез трехмерных моделей дета/1ей соединителя

"Г

§ I

-и? 1 ^

1 1

СхякЯ

КСЖЩАУШ резу.1Ыпгъ1

ИЭТР

Конструкторская документация Тйердотечьныв модели Шкрыгшй формат донных]

1__ J

РОМ-сшпема

САРР-система

САЕ-системо \ _______i

Рис. 4. Структурная схема автоматизированного проектирования ЭС

Согласно модели автоматизированного проектирования электрических соединителей, разработана структурная схема САПР ЭС, содержащая функционально-зависимые программно-методические блоки. В главе приводится разработанное алгоритмическое обеспечение. Оно содержит общий укрупненный алгоритм работы системы, а также детально проработанные алгоритмы подсистем.

Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы проектирования.

Разработаны все виды обеспечения САПР (техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое, организационное), приведено их развернутое описание.

Программное обеспечение САПР ЭС представлено разработанным программным модулем САПР КОМПАС (прикладной библиотекой), взаимодействующим с ней при помощи АРЬинтерфейса и состоящим из функционально-зависимых программно-методических блоков, реализующих алгоритмы математического обеспечения и обеспечивающих выполнение специализированных задач. Программный код, реализующий разработанные алгоритмы, выполнен на языке программирования высокого уровня С++, основанном на объектно-ориентированном подходе. Существенной частью логической модели объектно-

ориентированной системы является диаграмма классов. Структурная схема классов, относящихся к проектируемому объекту (электрического соединителя), представлена на рис. 5.

САПР электрических соединителей содержит также разработанное информационное обеспечение (рис. 5), компоненты которого разделены на три вида:

1) БД справочных материалов, применяемых в процессе проектирования;

2) БД проектных решений и результатов расчетов;

3) графическая библиотека элементов электрических соединителей.

Деталь корпуса

Column Name [ Data Type [Lengt -

[Ю корпуса] int 4 n

[10 детали] Int 4

Название varchar 50

Тип int 4

[Файл модели] varchar 256

[10 материала] Int 4

Описание varchar 256 -

Корпус *

Column Name j Data Type jLength ж

s ID int 4 f (

Название varchar 256

Описание varchar 256

i [Сила разъединении float S

Материал

Column Name

Da

ID int

Название varch.

Тип int

Электропроводности float Теплопроводность float Плотность float

Теплостойкость float [Модуль упругости] float [Коэффициент Пуасс float [Условное обозначее varchar [Электрическая npoi float Твердость float

[Диэлектрическая П( float [Ударная вязкость] float [Предел прочности] float [Максимальная рабо1 float [Минимальная рабоч float

Изолятор

Column Name

Ог

int

varch

id

Название [Файл модели випоч* varchar [Файл модели розете varchar

Права на проект * Data Туре

Column Name f Lengt

S [ID проекта] int 4 j""~|

ï [Имя пользователя] varchar 50

[Тип прав] int

и ►

Тип

int

512 512 4

Связь ЭС и КП

Vj[ID электрического сое: [ID контактной пары]

Контактная пара

Column Name

|pata Type JLertc

ID int

Название varcha

¡с1_материала_вилоч1 int Id_Mатeриала_nокры int ¡¿_материапа_розет< int id _материала_покры int Сопротивление float Усилие .разъединен» float Файл_модели_вилоч varch. Фаил_модели_розет1 varch Файл__мод ели_вилоч varch. Файл_изображения varch; Название_переменнс varch; Название_переменнс varch. [Начало названия фк varch.

4

50

4

4

4

4

1

Проект

Column Name |)ata Typef Lengl

ID int 1 n

Название varch 50

Описание text 16

Автор varch 50

[ID прав по умолчани int 4

; i "1 »

Группа документов *

Column Name {Data Type ¡Length ,

[ID проекта] int

[Номер группы в про int name varch«

note varch*

4

50 1024

Сопряжение *

Column Name lata Tycl Leng *

9 ID Int 4 n

Название var 50

[ID контактной пары; int 4

Подсборка int 4

Тип Int 4

Значение floj 0 »

4 j >

Документ *

Column Name

[ID проекта] Название [ID группы] [сетевое имя] [локальное имя]

|Pata Type] Lenqtf ^

int

varch* int

varchs varchi

4

50 4

256 256

Параметры сервера

Column Name I

Data Type [ Leriç ■>

[локальный путь к р varchar 256 j

[сетевое название р> varchar 256

[сетевое название ю varchar 256

< !..

sysusers

Column Name [ Data Type

Vi'ilj smallint 2 Г

status smallint 2

name sysname 121

:_, sid varbinary 85

ч i f

Рис. 5. Схема базы данных САПР ЭС

БД справочных материалов содержит информацию о материалах (наименование, плотность, теплопроводность, электрическое сопротивление, модули упругости 1-го и 2-го рода, твердость, теплостойкость и др.) контактов, покрытий контактов, изоляторов и др. элементов. БД проектных решений и результатов расчета включает в себя варианты конфигураций уже спроектированных электрических соединителей, а также промежуточные и конечные расчеты работы модулей САПР. Графическая библиотека элементов электрических соединителей представляет собой структурированную совокупность параметрических твердотельных моделей деталей электрических соединителей, сборочных моделей и чертежей моделей, выполненных в формате САПР КОМПАС-ЗО.

Рассмотрены основные этапы проектирования электрических соединителей с применением разработанной автоматизированной системы. Система САПР ЭС предоставляет возможность работы с архивом проектов, расположенным на серверной части системы.

Основной модуль САПР ЭС предназначен для создания в интерактивном режиме 3-мерной модели электрического соединителя. Он позволяет создавать схему соединителя, выполнять необходимые проектные расчеты и в конечном итоге создавать твердотельные модели (рис. 6, 7).

ироек!и|1ои11нии прчмоушпьныхсаединн/ж.жй 1 НмВарсаш

Количество рядов §

Расстояние между коатактааш в ряду 1 5 Расстояние между рядаив 1

ш

■ш

йдвйЭ

Коатахтная пара ПЩ015

Сопротивление контакта - 4.239526 аОм Сила расчленения контака = 100 000000 гс Масса вот контакта - 0 20000® г Масса роз контакта - 0.300000 г Мае расход ыат покрыли — 0 001320 г

Изолятор Исполненн

Матерям

Фторопласт 4 *

Теплостойкость- 1 1С0&+002 градус С Теплопроводность-2.500е-001 Вт/(К*ц) Лкотвость = 2.150е+Ш кг/кА3 Электрическая прочность = 2 500е+001 кВлж

V! С корпусом Исполнение

Параметры среды эксплуатации [ Умеренный климат Мин. темп-ра, С -30 Макс, темп-ра, С 40

Параметры работы Сила тока нэ 1 контакт Напряжение между 2 контактами

Рис. 6. Синтез конструкции электрического соединителя

В САПР ЭС включен модуль, рассчитывающий стационарное температурное поле, устанавливающееся в теле изолятора при работе соединителя. Модуль интегрирован в модуль автоматизированного проектирования электрических соединителей. Данные о параметрах соединителя (размеры, материал, ха-

рактеристики контактные пары), а также величина токовой нагрузки передаются данному модулю. Таким образом, сформировав схему соединителя и его токового нагружения (а соответственно и теплового) в модуле автоматизированного проектирования, можно выполнить тепловой анализ работы данной модели. Модуль представляет реализацию плоской и объемной задачи теплопровод- 1 ности МКЭ. Графический результат работы модуля показан на рис. 8.

Для определения точности работы модуля в ходе выполнения работы проводилось сопоставление результатов натурных испытаний выпускаемых соединителей с результатами анализа данным модулем их моделей. Погрешность максимальных температур, определенных расчетным путем на стадии проектирования с использованием данного метода, не превышает 15% от натурных испытаний.

Результатом анализа конкретного соединителя в конечном счете является оценка его пригодности с точки зрения температурного режима эксплуатации к работе в заданных условиях. По результатам расчета температурного поля электрического соединителя и анализа графического изображения его распределения появляется возможность корректировки схемы токового нагружения.

Рис. 7. Созданная модель соединителя Рис. 8. Изображение температурного поля,

полученного при решении объемной задачи (торцовое и срединное сечения)

Для решения задачи оптимизации разработан и включен в САПР ЭС программный модуль, реализующий решение задачи оптимизации. В качестве параметров оптимизации выступают параметры (переменные) твердотельных моделей. В модуле предусмотрено создание двух видов ограничений. Первый представляет собой алгебраическое выражение, содержащее компоненты вектора оптимизации и константы. Каждое такое ограничение получает лимитирующие значения (максимум и минимум) или одно из них. Ограничения второго вида могут включать базовые алгоритмические структуры ветвления (условия) и цикла. Это позволяет решать сложные задачи оптимизации.

При поиске оптимального решения возможна визуализация результата -представление трехмерной модели КОМПАС-ЗЭ, что позволяет проектиров-

щику анализировать результат, делать необходимые поправки. Разработанный модуль - универсальный инструмент проектировщика. При его применении возможно решение широкого спектра задач.

Разработанная система является законченной программой, которая может быть использована в производственных условиях и в учебных целях.

В пятой главе приведены результаты работы при апробации САПР ЭС и оценка технико-экономической эффективности от ее применения.

Разработанная система автоматизированного проектирования электрических соединителей была применена в процессе проектирования электрических соединителей на ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь».

В процессе апробации системы выполнен анализ конструкции розеточно-го контакта типа «Лира», проведено решение задачи оптимизации (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение характеристик конструкций контактного элемента

Сравниваемые категории Значения характерных размеров Масса, 10"5 кг Электрическое сопротивление, мОм Сила расчленения, Н Максимальное механическое напряжение, МПа

Базовая модель [ № 0,9 4,25 2,4 0,61 146,5

Полученная модель | оя 3,36 4,9 0,2 144,2

В ходе апробации САПР ЭС была автоматизирована часть работ по проектированию электрических соединителей серии СНП 352.

При применении разработанной автоматизированной системы выявлено, что трудоемкость проектирования по сравнению с базовым вариантом сократилась на 30%. Для ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» определено, что при относительно небольших затратах на приобретение комплекта технических средств и пакета программного обеспечения (450 ООО руб.) за сравнительно ко-

роткий период времени (0,98 года) обеспечивается возврат дополнительных капитальных вложений. Величина годового экономического эффекта от внедрения системы САПР ЭС составляет 460 063 руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе решены задачи формализации проектных процедур автоматизированного проектирования электрических соединителей и создания на их основе математических и информационных моделей и алгоритмов, имеющие существенное значение для экономики и обеспечения обороноспособности страны. На основании исследования получены следующие основные результаты и выводы:

1. Разработана общая концепция процесса автоматизации проектирования электрических соединителей, которая позволяет комплексно решать задачи проектирования в условиях применения специализированных САПР.

2. Предложена методика оптимизации конструкций контактных пар электрических соединителей, основанная на визуализации хода выполнения поиска оптимального решения, позволяющая совершенствовать существующие контактные элементы электрических соединителей.

3. Предложена методика анализа температурного состояния электрических соединителей на основе решения задачи теплопроводности метода конечных элементов, которая обеспечивает создание новых электрических соединителей с рациональной схемой токового нагружения.

4. Спроектирована структурная модель автоматизированного проектирования электрических соединителей, компьютерная реализация которой позволяет повысить эффективность и уровень автоматизации проектных процедур путем сокращения доли рутинных работ в общем времени проектирования.

5. Разработан автоматизированный банк данных САПР электрических соединителей, который может быть использован в качестве информационного обеспечения автоматизированных систем, решающих широкий круг проектных задач.

6. Создана автоматизированная система проектирования электрических соединителей, интегрированная с системой КОМПАС-ЗО посредством программного интерфейса, позволяющая сократить сроки проектирования и повысить качество проектных решений.

7. САПР электрических соединителей внедрена в конструкторском бюро ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» и позволила получить экономический эффект от внедрения 460 063 руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сафонов, А.Л. Обеспечение качества электрических соединителей на этапе проектирования / A.JI. Сафонов // Материалы 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава / под ред. С.П. Сазонова, И.В. Говорова. - Брянск, 2008. - С. 210-211.

2. Сафонов, А.Л. Расчет тепловых режимов работы электрических соединителей / А.Л. Сафонов // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф.: В 3 ч. / под ред. И.С. Сазонова и др. - Могилев: Бел-Рос. унт, 2008. -Ч. 2 - С. 182-183.

3. Сафонов, J1.И. Прямоугольные электрические соединители. Анализ физических процессов, происходящих в контакте / JI. И. Сафонов, А. Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2007. 6. - С. 54-58.

4. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Системный подход и основные принципы управления качеством при разработке и производстве электрических соединителей / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности,- 2008,-№6.-С. 49-56.

5. Сафонов, А.Л. Оптимизация элементов конструкции электрических соединителей / А.Л. Сафонов // Программные продукты и системы. - 2009. - №4. - С. 114-117.

6. Сафонов, А.Л. Применение современных методов расчета тепловых режимов работы электрических соединителей / А.Л. Сафонов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2009. -№1 (21). - С. 50-57.

7. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Работа электрических соединителей в сетях с микротоками и микронапряжениями / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2009. - № 2. - С. 46-50.

8. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Современное состояние и перспективы развития отечественного производства прямоугольных электрических соединителей / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2009. -№ 4. - С. 40-45.

9. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Требования к изоляторам и материалам для их изготовления / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2009. 5. - С. 32-36.

10. Горленко O.A. Применение интерфейса прикладного программирования CAD-систем на примере модуля оптимизации САПР KOMITAC-3D / O.A. Горленко, А.Л. Сафонов // Вестник Брянского государственного технического университета. -2010. -№1 (25). - С. 64-70.

Сафонов Александр Леонидович АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ФОРМАЛИЗАЦИИ И ТИПИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ ПРОЦЕДУР

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.09.10. Формат 60x84 '/¡б. Бумага офсетная. Офсетная печать. Печ. л. 1. Усл. изд. л. 1. Тираж 100 зкз. Заказ 258. Бесплатно.

Брянский государственный технический университет 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, д. 7, Лаборатория оперативной типографии БГТУ, ул. Институтская, 16.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

1.1. Современные методы автоматизированного проектирования

1.2. Применение электрических соединителей в практике

1.3. Методы и средства автоматизированного проектирования электрических соединителей

1.3.1. Обзор средств автоматизированного проектирования электрических соединителей.

1.3.2. Требования к САПР электрических соединителей и выбор инструментария для ее разработки.

1.4. Постановка цели и задач исследований

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

2.1. Проектирование электрических соединителей

2.1.1. Объект проектирования.

2.1.2. Процесс автоматизации проектирования электрических соединителей

2.2. Математическое обеспечение процесса автоматизированного проектирования электрических соединителей

2.2.1. Математические зависимости для расчета контактных пар.

2.2.2. Определение оптимальных параметров контактных пар.

2.2.3. Математическая модель розеточного контакта типа «Лира».

2.2.4. Тепловой режим работы электрических соединителей.

2.2.5. Модель анализа стационарного температурного поля электрических соединителей методом конечных элементов.

2.2.6. Учет технологичности конструкции электрических соединителей при автоматизированном проектировании. 2.3. Структурная схема проведения исследований

Выводы к главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

3.1. Модель процесса автоматизированного проектирования электрических соединителей

3.2. Структура процесса автоматизированного проектирования электрических соединителей

3.3. Комплекс алгоритмов автоматизированного проектирования электрических соединителей

3.3.1. Управление данными проектирования электрических соединителей.

3.3.2. Ввод исходных данных.

3.3.3. Синтез конструкций электрических соединителей.

3.3.4. Создание твердотельных моделей электрических соединителей.

3.3.5. Оптимизация контактных пар.

3.3.6. Температурный анализ работы электрических соединителей.

Выводы к главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

4.1. Виды обеспечение САПР электрических соединителей

4.2. Информационное обеспечение САПР электрических соединителей

4.3. Программная реализация автоматизированной системы проектирования электрических соединителей

4.4. Установка и настройка САПР электрических соединителей

4.5. Тестирование работы САПР электрических соединителей

Выводы к главе

ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Организация автоматизированного проектирования электрических соединителей на практике

5.1.1. Проектирование электрических соединителей.

5.1.2. Проектирование контактной пары типа «Лира».

5.1.3. Температурный анализ работы электрического соединителя.

5.2. Оценка экономического эффекта от внедрения САПР электрических соединителей

Выводы к главе

Актуальность темы. Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) представляет собой совокупность сложных многофункциональных изделий, которые содержат в своем составе большое число компонентов, в том числе электрических соединителей, обеспечивающих соединение и коммутацию различных ее электрических цепей и систем. Проблема межсоединений в аппаратуре обусловливает до 80% всех дефектов в РЭА. Она может быть решена только путем применения высококачественных электрических соединителей.

Необходимо отметить, что успешное решение задачи по изготовлению соединителей высокого качества должно закладываться уже на стадии их проектирования с учетом обеспечения таких потребительских свойств, как функциональность, надежность, технологичность, экономичность и др. Решение этой задачи на уровне современных требований с применением существующих методик и средств инструментального обеспечения становится крайне затруднительным и затратным. Так, на формирование технического задания (ТЗ), разработку технических условий (ТУ) и чертежей на соединитель среднего уровня сложности обычно требуется 2,5-3 месяца, на соединитель повышенной сложности - до 6 месяцев.

Для проектирования изделий машиностроения и радиоэлектронных компонентов в настоящее время широко используются интегрированные САПР (системы автоматизированного проектирования), однако подобные разработки для электрических соединителей отсутствуют. Это обстоятельство и обусловливает актуальность решаемых в данной диссертационной работе научных и технических задач, связанных с автоматизацией проектирования современных прямоугольных электрических соединителей. Сокращение сроков разработки таких соединителей, повышение эффективности затрат на их создание, освобождение конструкторов от выполнения рутинных проектных операций при анализе различных конструкторских решений возможно лишь на основе автоматизации процесса их проектирования.

Цель и задачи работы. Целью работы является формализация проектных процедур автоматизированного проектирования электрических соединителей и создание на их основе алгоритмов и программных комплексов.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ известных подходов к типизации, формализации и автоматизации проектирования электрических соединителей, разработка их классификации и методики автоматизированного проектирования.

2. Разработка структурной модели автоматизированного проектирования электрических соединителей.

3. Разработка математических моделей анализа решений при автоматизированном проектировании электрических соединителей.

4. Разработка информационного обеспечения САПР электрических соединителей (САПР ЭС), включающего базы данных типовых проектных решений.

5. Разработка программного обеспечения САПР ЭС, включающего комплекс взаимодействующих модулей.

6. Апробация функционирования САПР ЭС для конкретного производства с получением необходимой конструкторской документации. к

Методы исследований. При выполнении научных исследований и реализации поставленных задач были использованы методы теории автоматизированного проектирования, системного анализа, вычислительной математики (метод конечных элементов, методы математического программирования). При разработке программных модулей использовалась объектно-ориентированная технология проектирования.

Научная новизна работы. Заключается в следующем:

1. Разработан комплекс алгоритмов на основе формализации процедур проектирования электрических соединителей.

2. Предложена структурная модель системы автоматизированного проектирования электрических соединителей, включающая, в частности, подсистемы ввода исходных данных, компоновки электрического соединителя, температурного анализа, проектирования и оптимизации контактных пар, формирования результатов проектирования, управления данными проектов.

3. Разработана модель анализа температурного состояния электрических соединителей на основе метода конечных элементов.

4. Разработан метод оптимизации конструкций контактных пар электрических соединителей, основанный на визуализации хода выполнения поиска оптимального решения.

Достоверность и обоснованность научных исследований. Подтверждается выбором математических моделей, удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных, полученных автором, применением эффективных численных методов расчетов. Результаты работы подтверждаются работоспособностью созданной САПР ЭС, используемой на практике при проектировании электрических соединителей.

На защиту выносятся:

1. Методология, структура и алгоритм автоматизированного проектирования электрических соединителей.

2. Методы автоматизации инженерного анализа при проектировании электрических соединителей.

3. Автоматизированная система проектирования электрических соединителей, основанная на твердотельном параметрическом проектировании.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные методы синтеза и анализа проектных решений при автоматизированном проектировании электрических соединителей, позволяющих осуществлять:

- автоматизированное проектирование электрических соединителей, включающее определение схематичного расположения компонентов электрических соединителей и их параметров и автоматическую генерацию твердотельных моделей деталей и сборочных единиц для последующего получения комплекта проектной документации;

- расчет теплового режима работы электрического соединителя;

- многопараметрическую оптимизацию контактных пар электрических соединителей с визуализацией результатов в среде основной С АО-системы.

2. Комплекс программных модулей, реализованных в виде системы автоматизированного проектирования электрических соединителей, интегрированной с системой КОМПАС-ЗЭ посредством программного интерфейса.

3. База данных компонентов электрических соединителей, для которой произведено тестовое заполнение.

Отличие проведенных исследований. Отечественные разработки в области автоматизированного проектирования электрических соединителей, позволяющих осуществить весь процесс проектирования, отсутствуют. Впервые разработана специализированная САПР прямоугольных электрических соединителей.

Результаты работы. Реализованы на ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» и могут быть использованы при проектировании электрических соединителей других типов.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 10-ти печатных работах, в том числе в 3-х журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК изданий. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава Брянского государственного технического университета (2008 г.), на Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилев, 2008 г.). В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Управление качеством, стандартизация и сертификация» ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Элементы разработанной САПР ЭС используются в учебном процессе кафедры (дисциплины «Основы САПР», «САПР контрольно-измерительных технологий»).

САПР ЭС зарегистрирована в объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (свидетельство № 16142).

По теме диссертации выполнена работа «Автоматизация проектирования электрических соединителей повышенного качества», ставшая победителем смотра-конкурса «На лучшее изобретение и рационализаторское предложение в 2008 г.», учрежденного Брянской областной администрацией и Брянским областным советом Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработан комплекс алгоритмов автоматизированного проектирования электрических соединителей на основе типового вариантного проектирования.

2. Разработана структурная модель САПР электрических соединителей.

3. Разработан комплекс программно-методических модулей САПР электрических соединителей.

4. Разработано информационное обеспечение САПР электрических соединителей.

5. Выполнена апробация работы САПР электрических соединителей в конструкторском бюро ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» при проектировании прямоугольных низкочастотных электрических соединителей. Годовой экономический эффект от внедрения системы САПР ЭС составил 460 063 руб. Результаты работы могут быть использованы при проектировании электрических соединителей других типов.

Общие выводы и результаты

В настоящей работе решены задачи формализации проектных процедур автоматизированного проектирования электрических соединителей и создание на их основе математических и информационных моделей и алгоритмов, имеющие существенное значение для экономики. На основании исследования получены следующие основные результаты и выводы:

1. Разработана общая концепция процесса автоматизации проектирования электрических соединителей, которая позволяет осуществить комплексное решение задач проектирования в условиях применения специализированных САПР.

2. Предложена методика оптимизации конструкций контактных пар электрических соединителей, основанная на визуализации хода выполнения поиска оптимального решения, позволяющая совершенствовать существующие контактные элементы электрических соединителей.

3. Предложена методика анализа температурного состояния электрических соединителей на основе решения задачи теплопроводности метода конечных элементов, которая обеспечивает создание новых электрических соединителей с рациональной схемой токового нагружения.

4. Спроектирована структурная модель автоматизированного проектирования электрических соединителей, компьютерная реализация которой позволяет повысить эффективность и уровень автоматизации проектных процедур за счет сокращения доли рутинных работ в общем времени проектирования.

5. Разработан автоматизированный банк данных САПР электрических соединителей, который может быть использован в качестве информационного обеспечения автоматизированных систем, решающих широкий круг проектных задач.

6. Создана автоматизированная система проектирования электрических соединителей, интегрированная с системой КОМПАС-ЗБ посредством программного интерфейса, позволяет сократить сроки проектирования и повысить качество проектных решений.

7. САПР электрических соединителей внедрена в конструкторском бюро ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» и позволила получить экономический эффект от внедрения 460 063 руб.

148

Заключение

В работе рассмотрены вопросы автоматизации проектирования прямоугольных низкочастотных электрических соединителей (рис.2.1). Разработанная САПР ЭС позволяет на этапе конструкторской подготовки производства на высоком техническом уровне реализовать требования технического задания, контролируемые при проведении приемо-сдаточных испытаний.

Разработанные программные модули и база данных компонентов САПР ЭС реализуют поддержку проектирования указанных электрических соединителей под объемный и печатный монтаж. Система содержит разработанную базу данных наиболее используемых типов и исполнений компонентов (контактные пары, изоляторы, корпусные элементы). Она является открытой для расширения. Для этого необходимо разработать параметрические модели добавляемых элементов и внести необходимые данные в реляционную базу данных. Эти задачи решает инженер-конструктор, проектирующий электрические соединители, владеющий знаниями работы с системой на уровне пользователя.

Для проектирования других видов электрических соединителей (цилиндрические, радиочастотных, разрывных, силовых, высоковольтных и др.) необходима разработка соответствующих алгоритмов для синтеза и анализа конструктивных решений и реализация их в дополнительных программных модулях САПР ЭС. Для решения этих задач необходимо участие инженера-исследователя, обладающего основами создания программных средств САПР. Так, для проектирования радиочастотных электрических соединителей необходимо проводить дополнительно исследования для определения электрического сопротивления по их параметрам на этапе проектирования. В работе реализова- • но решение задачи определения температурного режима работы бескорпусных электрических соединителей, для учета влияния корпусных элементов, необходимо проведение исследований (экспериментальных и вычислительных) и доработка программного модуля.

Созданная САПР ЭС не является узкоспециализированной системой проектирования, она позволяет решать и другие задачи. В перспективе актуальной является работа по определению показателей надежности ЭС на этапе проектирования, таких как:

- гамма-процентная наработка до отказа соединителей при у=99% в предельном режиме эксплуатации;

- гамма-процентная наработка соединителей в допустимом температурном режиме эксплуатации;

- гамма-процентный срок сохраняемости соединителей при у=95%.

В дальнейшей исследованиях будет проведен поиск решения актуальной задачи определения технического состояния соединителей после определенного срока их эксплуатации в реальных условиях, а также расчеты остаточного ресурса и прогнозирования сроков дальнейшей их эксплуатации с обеспечением заявленных технических параметров.

Решение этих и других задач также необходимо автоматизировать и расширить САПР ЭС соответствующими модулями.

1. Аверченков, В.И. Основы проектирования САПР / В.И. Аверченков, В .А. Камаев. - Волгоград: ВПИ, 1984. - 120 с.

2. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М: Наука, 1976. - 280с.

3. Акимов, Е.Г. Соединители электрические, зажимы контактные / Справочник 2008 на CD / Е.Г. Акимов. М.: Ай-Би-Тех, 2008.

4. Балаков, Н.Ю. Проектирование схем электроустановок / Н.Ю. Балаков, Ш.М. Мисриханов, В.А. Шунтов. М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 288 с.

5. Белоусов, А.К. Электрические разъемные контакты в радиоэлектронной аппаратуре / А.К. Белоусов, B.C. Савченко. -М.: Энергия, 1975. 320 с.

6. Бондаренко, И.Б. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие / И.Б. Бондаренко, Ю.А. Гатчин, Н.Ю. Иванова, Д.А. Шилкин. -СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.

7. Буч, Г. Язык UML. Руководство пользователя / Г. Буч, Д. Рамбо, А. Джекобсон. М., СПб.: «ДМК Пресс», «Питер», 2004. - 432 с.

8. Вендров, A.M. Практикум по проектированию программного обеспечения экономических информационных систем / A.M. Вендров. М.: «Финансы и статистика», 2006. - 192 с

9. Вендров, A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем / A.M. Вендров. М.: Финансы и статистика, 1998.-175 с.

10. Боуден, Ф.П. Трение и смазка твердых тел / Ф.П. Боуден, Д.Тейбор. -М.: Машиностроение, 1968. 503 с.

11. Бреженев В., Мороз А. Миниатюрные электрические соединители с высокой степенью надежности и долговечности // Электронные компоненты. 2003 г. № 3, С. 111-112.

12. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Г. Буч. М.: "Издательство Бином", 1998. -560 с.

13. Виейра, Р. Программирование баз данных Microsoft SQL Server 2005 для профессионалов / Р. Виейра. — 2008. 1072 с.

14. Гайсарян, С.С. Объектно-ориентированные технологии проетирования прикладных программных систем / С.С.Гайсарян. М.: Лори, 1996. - 220 с.

15. Галлагер, Р. Метод конечных элементов / Р. Галлагер. М.: Мир, 1984. - 428 с.

16. ГОСТ 14.201-83 Обеспечение технологичности конструкции изделий. Общие требования. -М.: Изд-во стандартов, 2003. 18 с.

17. ГОСТ 19104-88 Соединители низкочастотные на напряжение до 1500 В цилиндрические. Основные параметры и размеры. — М.: Изд-во стандартов, 1988.-62 с.

18. ГОСТ 2.103-68 Единая система конструкторской документации. Стадии разработки. М.: Стандартинформ, 2007. - 3 с.

19. ГОСТ 2.118-73 Единая система конструкторской документации. Техническое предложение. М.: Стандартинформ, 2007. - 5 с.

20. ГОСТ 2.119-73 Единая система конструкторской документации. Эскизный проект. М.: Стандартинформ, 2007. - 6 с.

21. ГОСТ 2.120-73 Единая система конструкторской документации. Технический проект. М.: Стандартинформ, 2007. - 5 с.

22. ГОСТ 21962-76 Соединители электрические. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 2009. 12 с.

23. ГОСТ 23784-98 Соединители низкочастотные низковольтные и комбинированные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2009. - 24 с.

24. ГОСТ 25360-82 Изделия электронной техники. Правила приемки. — М.: Изд-во стандартов, 2003. 14 с.

25. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Система менеджмента качества. Основные определения и словарь. — М.: Стандартинформ, 2009. — 26 с.

26. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования. -М.: Стандартинформ, 2009. 22 с.

27. Грейс, М. Проектирование баз данных на основе XML / М.Грейс. М.: Вильяме, 2002. - 640 с.

28. Григорьев В. Краткий обзор рынка электрических соединителей // Электронные компоненты. 2003. -№ 1, С. 14-16.

29. Долгополов, А. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры в SolidWorks / А. Долгополов // САПР и графика. 2008. - №9, С. 72-76.

30. Захаров Г. Некоторые проблемы производства, применения, и сбыта электрических соединителей в России / Г. Захаров // Компоненты и технологии. 2003. - № 1.

31. Захаров Г. Российские производители разъемов после перехода к рынку: инстинкты и интеграция // Электронные компоненты. 2003 г. № 1, С. 32-33.

32. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О.Зенкевич — М.: Мир, 1975.-543 с.

33. Зуева, Е. П. Автоматизация проектирования консольных стационарных кранов: дисс. канд. тех. наук. Брянск: БГТУ, 2007. - 242 с.

34. Каталог программных средств // http://allsoft.ru.

35. Кидрук, М. KOMTTAC-3D V10 на 100 % / М. Кидрук. СПб.: Питер, 2009. - 560 с.

36. Козлов, С.Ю. Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки машиностроительного производства на основе использования параметрического геометрического ядра системы проектирования: дисс. канд. тех. наук. — М.: МГТУ, 1997. 97 с.

37. Крагельский, И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский. М.: Машгиз, 1961.-510с.

38. Кудрявцев, Е. М. KOMTIAC-3D V10. Максимально полное руководство / Е.М. Кудрявцев. М.: ДМК Пресс, 2008. - 1184 с.

39. Кузьмин, Б. SprutCAD: Особенности национальной параметризации / Б.Кузьмин, В. Хараджиев // САПР и графика. 2001. - №9. - С. 21-26.

40. Лариков, H.H. Теплотехника / H.H. Лариков: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1985, - 432 с.

41. Ларман, К. Применение UML и шаблонов проектирования / К. Ларман. -М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. 624 с.

42. Левин, А.П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры (расчет и конструирование) / А.П. Левин. М.: Советское радио, 1972.-216 с.

43. Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) / К. Ли. СПб.: Питер, 2004. -560 с.

44. Липаев В.В. Проектирование программных средств. Методы и стандарты / В.В.Липаев. М.:СИНТЕГ, 2001. - 228 с.

45. Луканин, В.Н. Теплотехника / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др. — М.: Высш. шк., 2000.-671 с.

46. Лярский, В.Ф. Электрические соединители / В.Ф. Лярский, О.Б. Мура-дян. -М.: Радио и связь, 1988. 272 с.

47. Мельников, С.И. Технология производства электрических соединителей / С.И. Мельников. -М.: Энергия, 1979. 110 с.

48. Мерл К. Электрический контакт / К. Мерл. — М.: Госэнергоиздат, 1962. — 80 с.

49. Мингалиев, Р. К. Методология анализа и планирования организации производства электрических соединителей / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Р.К. Мингалиев. Казань, 2004. - 159 с.

50. Мышкин, Н.К. Электрические контакты / Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. 560 с.

51. Нильсен, П. SQL Server 2005. Библия пользователя / П. Нильсен. М.: Диалектика, 2008. - 1232 с.

52. Норенков, М.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов / М.П. Норенков. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 360 с.

53. Об утверждении стратеги развития электронной промышленности России на период до 2025 года // http://www.businesspravo.ru/Docum/DocumShowDocumID132449.html

54. ОСТ 11-0869-92. Соединители низкочастотные на напряжение до 1500 В и комбинированные. Общие технические условия

55. ОСТ 869-92. Прямоугольные соединители. Общие технические условия.

56. Официальный сайт АО «ТопСистемы» // www.topsystems.ru.

57. Официальный сайт ЗАО «Системы комплексных решений» // www.sikor.ru.

58. Официальный сайт компании «АСКОН» // www.ascon.ru.

59. Персональные компьютеры Formoza // http://www.fonnoza.ru/products/computersformoza/pcformoza.

60. Пивоваров, В. Анализ мировых тенденций развития и проблем производства электрических соединителей / В. Пивоваров, JI. Сафонов, И. Хохлов // Компоненты и технологии. 2007. - № 2, С. 94-97.

61. Преимущества использования UML при сборе требований // http ://www.pmtoday .ru/proj ect-management/requirements/uml-using.html.

62. Покровский И., Воронина Е. Поставщики соединителей о российском рынке // Электронные компоненты. 2003. № 1, С. 22-24.

63. РД 50-34.698-90. Методические указания. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Требования к содержанию документов.

64. Реут, Е. К. Электрические контакты / Е.К. Реут, И.Н. Саксонов. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1971. — 160 с.

65. Рыбаков, A.B. Обзор существующих CAD/CAM/CAE систем для решения задач компьютерной подготовки производства / A.B. Рыбаков // Информационные технологии. 1997. - №3. - С. 2-8.

66. Садченко Д. Государство коннекторов в мире электроники и электротехники // Компоненты и технологии. 2003. — № 1.

67. Сайт компании «Киберлэнд» // http://cyberland.fingate.ru.

68. Сафонов, A.JI. Оптимизация элементов конструкции электрических соединителей / A.JI. Сафонов // Программные продукты и системы. 2009. - №4. -С. 114-117.

69. Сафонов, A.JI. Применение современных методов расчета тепловых режимов работы электрических соединителей / A.JI. Сафонов // Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. - №1 (21) . — С. 50-57.

70. Сафонов, A.JI. Прямоугольные электрические соединители. Изготовление пластмассовых изоляторов повышенной точности / A.JI. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2009. - № 6. - С. 28-33.

71. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Основные виды механической обработки, применяемые при изготовлении изоляторов / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. — 2009.-№8.-С. 46-50.

72. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Основные вопросы теории и практики механической обработки пластмасс / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2009. - № 7. -С. 44-50.

73. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Работа электрических соединителей в сетях с микротоками и микронапряжениями /

74. А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. — 2009.-№2.-С. 46-50.

75. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Статистические методы испытания электрических соединителей на надежность / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2009. — № 1.-С. 22-29.

76. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Требования к изоляторам и материалам для их изготовления / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. — 2009. — № 5. — С. 32-36.

77. Сафонов, А.Л. Прямоугольные электрические соединители. Фреттинг-коррозия в электрических контактах / А.Л. Сафонов, Л.И. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2009. - № 3. - С. 48-54.

78. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Анализ физических процессов, происходящих в контакте / Л. И. Сафонов, А. Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2007. — № 6, С. 54-58.

79. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Обеспечение эффективности экранирования за счет применения металлизированных пластмассовых корпусов / Л. И. Сафонов, А. Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2007. -№ 8, С. 54-58.

80. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Общие принципы организации и технологии испытаний электрических соединителей / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. -2008.-№7, С. 44-51.

81. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Оптимизация тепловых режимов работы электрических соединителей / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2008. - № 2, С. 80-85.

82. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Основные аспекты теории неподвижного электрического контакта / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2008. - № 4, С. 5862.

83. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Основные принципы системы менеджмента качества предприятия, выпускающего радиоэлектронные компоненты / Л. И. Сафонов, А. Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2008. -№ 1, С. 68-71.

84. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Пленки на электрических контактах / Л.И. Сафонов, АЛ. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2008. - № 5, С. 58-62.

85. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Расчет контактов электрических соединителей на износ / Л.И. Сафонов, АЛ. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. — 2008. — № 8, С. 35-42.

86. Сафонов, Л. Электрические прямоугольные соединители. Рекомендации по практическому применению в РЭА / Л. Сафонов, А.Сафонов // Технологии в электронной промышленности // Компоненты и технологии. — 2007г. — №5, С. 58-63.

87. Сафонов, Л.И. Прямоугольные электрические соединители. Трение и износ в контактных парах электрических соединителей / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. 2008. - №3, С.34-39.

88. Сафонов, Л.И. Электрические прямоугольные соединители. Электролитическое получение серебряных и золотых покрытий повышенной твердости и износоустойчивости / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности 2007. - №7, С. 54-59.

89. Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд. -М.: Мир, 1979.-393 с.

90. Система трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-ЗБ http://machinery.ascon.ru/software/tasks/items/?prcid=6&pфid=7.

91. Страуструп, Б. Язык программирования С++: пер. с англ. / Б. Страуст-руп. СПб: Невский диалект, 1999. - 991 с.

92. Трифонов, А.Г. Постановка задачи оптимизации и численные методы ее решения / А.Г.Трифонов. http://matlab.exponenta.ru/optimiz/book2/index.php.

93. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник / X. Уонг. М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

94. Фаулер, М. UML. Основы / М. Фаулер, К. Скотт. СПб.: Символ-Плюс,2002. -192 с.

95. Фокин, В.М. Основы технической теплофизики / В.М. Фокин, Г.П. Бойков, Ю.В. Видин. -М.: Машиностроение-1, 2004. 172 с.

96. Хиук, В. Самоучитель Visual С++ в примерах / В. Хиук. — М.: ДиаСофт,2003.-496 с.

97. ЮО.Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм. М.: Издательство иностранной литературы, 1961.- 464 с.

98. Чикало О. CASE-методология разработки программного обеспечения / О.Чикало // PC WEEK. 1996. -№21. - С. 21-24.

99. Шаманов, Н. Прямоугольные соединители ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» / Н. Шаманов, И. Носов, В. Пивоваров // Электронные компоненты. -2003. №1, С. 44-47.

100. ЮЗ.Шилд Г. Самоучитель С++, 3-е издание: пер. с англ. СПб.: BHV -Санкт-Петербург, 1998. - 688 с.

101. Liu, W. 1С component sockets / W. Liu, M. Pecht. -NJ: Wiley, 2004.

102. Mroczkowski, R.S. Electronic Connector Handbook: Theory and Applications. -New York: McGraw-Hill, 1998.