автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры

На правах рукописи

003465750

ШУМАРИН СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ЯЧЕЕК ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о г 1 л Р 7^3

Владимир - 2009

003465750

Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств Владимирского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Тапицкий Евгений Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Халатов Евгений Михайлович

кандидат технических наук, доцент Меркутов Александр Сергеевич

Ведущее предприятие: ФГУП «НПП Дельта» (г. Москва)

Защита состоится « 22 » апреля 2009 г. в 16°° часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан « 1И1 » 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу совета университета: 600000, Россия, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ученому секретарю диссертационного совета Д212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Р.И. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многие виды электронной аппаратуры (ЭА), устанавливаемой на подвижных объектах, подвергаются воздействию ударов, вибраций, линейных ускорений, акустических шумов. Надежность ЭА при эксплуатации в подобных режимах может снижаться во много раз по сравнению со стационарными условиями, что вызывает необходимость принимать специальные меры по ее защите.

Исследованиям в этой области посвящены работы в России, США, Германии, Японии и иных странах мира. Наиболее известны труды J.E. Ruzichka, D.S. Steinberg, A.D. Nashif, B.C. Ильинского, В.Б. Карпушина, Э.Б. Слободни-ка, А.Н. Чеканова, H.H. Абжирко и других авторов.

Для самолетной, ракетной и возимой ЭА характерно воздействие широкополосной вибрации, которая приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек ЭА - электромонтажных плат с установленными на них электрорадиоэлементами (ЭРЭ). Резонансы вызывают возрастание амплитуд колебаний в десятки раз, при этом значительно увеличивается интенсивность отказов ЭА за счет механических разрушений и искажений параметров электрических сигналов. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании ЭА.

Проектирование виброзащшценных конструкций требует значительного времени, сократить которое можно использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). В РФ среди известных ученых, занимающихся разработкой САПР ЭА, устойчивой к механическим воздействиям, можно выделить Ю.Н. Кофанова, A.B. Сарафанова, A.C. Шалумова и других. Во Владимирском государственном университете под руководством доктора технических наук, профессора E.H. Талицкого проводится разработка способов виброзащиты ЭА и создание программ на их основе.

При проектировании виброзащиты ячеек могут применяться как специализированные САПР, так и универсальные. Среди специализированных наиболее известка АСОНИКА-ТМ, обладающая хорошим интерфейсом и продуманной структурой. Однако расчет в ней ведется методом конечных разностей, что сужает ее возможности. Также не представлены эффективные способы виброзащиты, связанные с применением полимерных демпферов.

САПР VibroDefence частично исключает эти недостатки и позволяет проектировать конструкции с использованием всех основных способов виброзащиты: частотная отстройка, применение полимерных демпферов и виброизоляция. Она основана на аналитических методах, которые обеспечивают высокое быстродействие, но применимы лишь для простейших конструкций; математическое обеспечение для расчета сложных конструкций не разработано.

Этого ограничения практически лишены универсальные системы конечно-элементного анализа (КЭА), такие как ANSYS, NASTRAN, LS-DYNA, COSMOS и т.д., однако их использование требует специальной подготовки и

относительно больших затрат машинного времени, что затрудняет оптимизацию и увеличивает сроки проектирования. К тому же, перечисленные системы КЭА также в явном виде не предназначены для расчета конструкций с полимерными демпферами.

Поэтому задача разработки САПР виброзащиты ячеек ЭА, позволяющая рассчитывать сложные конструкции с любыми способами крепления при небольших затратах времени разработчиком, не обладающего специальной подготовкой, является актуальной. Возможным вариантом решения этой задачи является интеграция специализированных САПР с системами конечно-элементного анализа путем создания препостпроцессорных сред с радиоконструкторской терминологией, сочетающих достоинства как аналитических, так и численных методов расчета.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков проектирования и расширение возможностей расчета и оптимизации виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры сложных конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать методы расчета динамических характеристик ячеек ЭА и САПР на их. основе;

- разработать препостпроцессорную среду проектирования виброзащищенных ячеек ЭА сложных конструкций, использующую систему КЭА в качестве вычислителя;

- создать математическую модель ячеек ЭА для расчета собственных частот колебаний (СЧК), учитывающую особенности крепления ЭРЭ;

- разработать алгоритм оптимизации частотной отстройки ячеек ЭА сложных конструкций;

- создать программное обеспечение, реализующее поставленные задачи.

Методы исследования основываются на методах теории алгоритмов,

теории САПР, методах вычислительной математики, прикладной механики, теории колебаний, теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек ЭА на основе интеграции системы конечно-элементного анализа А^УЭ и программы Уйл-оБеГепсе;

- разработан алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки ячеек ЭА сложных конструкций;

- создана математическая модель для расчета СЧК прямоугольных ячеек ЭА, учитывающая жесткое крепление ЭРЭ.

Практическая значимость:

1. Разработана САПР виброзащищенных ячеек ЭА сложных конструкций с практически любыми способами крепления, которая позволяет:

- определять СЧК и амплитуды резонансных колебаний;

- разрабатывать конструкции с ребрами жесткости и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер;

- оптимизировать конструкции методом частотной отстройки.

-32. САПР может применяться в проектных организациях, занимающихся разработкой ЭА, устанавливаемой на подвижных объектах и эксплуатируемой в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне частот.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении хоздоговорной НИР № 3227/05 «Разработка комплекса программ анализа механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру» по договору с ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров и госбюджетной НИР №400/04-08 «Моделирование конструкций электронных средств при механических воздействиях» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006); «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006); «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2007); «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2008). А также на международном симпозиуме «Надежность и качество 2008» (Пенза, 2008), всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2007) и семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ: № 2005611814 (заявка № 2005611215, дата поступления 31 мая 2005г., зарегистрировано 25 июля 2005г.) и № 2007612188 (заявка № 2007610745, дата поступления 5 марта 2007г., зарегистрировано 25 мая 2007г.).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованным ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций, из них 1 статья по специальности 05.13.12.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации 156 страниц, в том числе: 116 страниц основного текста, иллюстрированных 55 рисунками и 7 таблицами, список литературы из 105 наименований, а также 4 приложения.

На защиту выносятся:

- структура САПР виброзащищенных ячеек ЭА на основе интеграции системы конечно-элементного анализа ANSYS с программой VibroDefence;

- алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки ячеек ЭА сложных конструкций;

- математическая модель для расчета ячеек электронной аппаратуры, учитывающая жесткое крепление ЭРЭ к плате.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость результатов диссертации.

В первой главе рассматриваются способы виброзащиты ЭА и методы их автоматизированного проектирования.

Отмечаются причины возникновения резонансных колебаний ячеек ЭА (рис. 1), заключающиеся в широком диапазоне частот воздействующих вибраций (от 10 до 500 Гц и выше) и низком значении собственных частот колебаний (СЧК) (< 200-300 Гц) электромонтажных плат из стеклотекстолита малой толщины (1-3 мм).

Анализируются основные способы виброзащиты ячеек ЭА, к которым относятся частотная отстройка (ЧО) и увеличение демпфирующих свойств

конструкций. ЧО заключается в смещении спектра колебаний конструкций за верхнюю границу диапазона воздействующей вибрации, а увеличение демпфирующих свойств - в снижении амплитуд колебаний с помощью применения полимерных демпферов.

Отмечается, что если верхняя граница диапазона воздействующей вибрации не превышает 500 Гц, что характерно для многих видов ЭА, используемой в составе высокоскоростных транспортных средств на гусеничном ходу, то предпочтительнее устранять резонансные колебания с помощью ЧО, так как это конструктивно и технологически проще. ЧО обеспечивается повышением жесткости конструкции за счет увеличения толщины плат, применения ребер жесткости и т.д., при этом масса ячеек может существенно увеличиваться и часто превосходит допустимые нормы, что требует длительной экспериментальной отработки.

Преодолению этого препятствия способствует использование специализированных или универсальных САПР. В настоящее время применяются специализированные САПР виброзащищенных конструкций АСОНИКА, VI-ЬгоОеГепсе и т.д. Достоинства АСОНИКА заключаются в учете взаимного влияния тепловых, механических и других факторов, в наличии единого виртуального макета изделия, импорта его из САПР печатных плат и в возможности использования ребер жесткости. Однако проведенный анализ показал, что с увеличением сложности конструкций погрешность расчетов в подсистеме

Рис. 1. Пример ячейки ЭА с элементами виброзащиты: 1 - электромонтажная плата; 2 - ЭРЭ; 3 - точки крепления; 4 - ребро жесткости; 5 - демпфирующий слой

проектирования ячеек ЭА АСОНИКА-ТМ существенно возрастает. Также невозможен расчет конструкций с полимерными демпферами.

В САПР УЛгоОеГепсе предусмотрены возможности проектирования всех трех основных методов виброзащиты: 40, увеличение демпфирования и виброизоляция. Блок-схема алгоритма проектирования виброзащиты ячеек ЭА этой САПР показана на рис. 2.

Да о-'- Синтез

СВИ

Уменьшение демпфирующих свойств

Выбор ВПМ

15—1-

Синтез конструкций с ПД

-К Конец >«-

Рис. 2. Блок-схема алгоритма проектирования виброзащиты

Для расчетов собственных частот и амплитуд колебаний конструкций (блоки 2, 4, 16) использованы только аналитические методы. Они обладают очень высоким быстродействием, но ограничивают применение УШгоБеГепсе простейшими конструкциями. В частности, используемое выражение для расчета СЧК ячеек:

/,=(а,./2яа2)^эрэ, Гц,

(1)

где а - коэффициент, зависящий от крепления платы, а - длина, т - масса единицы площади; применимо лишь для прямоугольных плат и не учитывает увеличение жесткости конструкций за счет жесткого, например, клеевого соединения ЭРЭ с платой.

Цилиндрическая жесткость рассчитывается по формуле: D =-j-, а ко-

эффициент, учитывающий массу ЭРЭ: ЛТЭРЭ = l/.jl + ^ЭЕЭ.

V т

В этих формулах: Н— толщина, Е - модуль упругости, и - коэффициент Пуассона материала платы, тЭрЭ - суммарная масса электрорадиоэлементов.

К тому же, ячейки ЭА часто представляют собой сложные конструкции, под которыми подразумеваются ячейки с конфигурацией отличной от прямоугольной, имеющие вырезы и крепление в площади платы, а также элементы виброзащиты. Расчет их аналитическими методами практически невозможен. Кроме того, отсутствие необходимого математического обеспечения в Vi-broDefence затрудняет оптимизацию.

Недостатки, присущие специализированным САПР, отсутствуют у универсальных САПР, которые в основном основаны на методе конечных элементов. Однако использование систем, типа LS-DYNA, ANSYS, COSMOS, MSC.NASTRAN, PATRAN, требует относительно больших затрат машинного времени и затруднено для радиоконструктора, как минимум, двумя моментами. Во-первых, эти системы нуждаются в большой однотипной подготовительной работе перед началом расчета, например, при экспорте модели ячейки из конструкторской САПР, или между итерациями расчета, например, при моделировании конструкций с полимерными демпферами методом последовательного приближения. Во-вторых, комплексность программной системы неизбежно приводит к сложности ее освоения, длительному обучению. Все это значительно увеличивает время проектирования.

Возможным вариантом устранения отмеченных недостатков, присущих рассмотренным САПР, является интеграция САПР VibroDefence и универсальной системы КЭА. Проведенный анализ показал, что наиболее применимой для задач проектирования виброзащищенных конструкций ЭА является система ANSYS. Создание такой препостпроцессорной среды с радиоконст-рукгорской терминологией позволит без специальных навыков рассчитывать сложные конструкции численными методами, а простейшие - аналитическими, тем самым, увеличивая функциональные возможности и уменьшая сроки проектирования ЭА. Расширить область применения аналитических методов возможно за счет создания новых или уточнения существующих математических моделей для расчета ячеек типовых конструкций с ЭРЭ.

На основании результатов анализа обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, а также определяются основные задачи исследования.

Во второй главе уточняется и дополняется математическое обеспечение функционального модуля частотной отстройки САПР VibroDefence.

Было исследовано влияние жесткозакрепленных ЭРЭ на значения СЧК ячеек. Результаты использованы для разработки математических моделей расчета ячеек с ЭРЭ и для упрощения геометрических моделей ЭРЭ в системе КЭА. Последнее позволяет существенно сократить время моделирования.

Определено, что при расчетах ячеек с ЭРЭ, установленными на выводах (рис. За), может быть учтена только масса ЭРЭ, например, коэффициентом /¿эрэ в формуле (1). В системе КЭА рекомендуется исключить из модели такие ЭРЭ и увеличить плотность материала модели электромонтажной платы пропорционально их массе. Это относится и к жесткозакрепленным ЭРЭ с размерами, не превышающими 15% полезной площади ячейки. Расчет ячеек с остальными ЭРЭ (рис. 36) (микросхемами, разъемами, ЭРЭ с клеевым креплением, элементами поверхностного монтажа и т.д.) необходимо производить с помощью трехмерной модели КЭА или по специальным формулам.

Для вывода математических выражений, учиты-

Л

а)

6)

Рис. 3. Типы крепления ЭРЭ: а - на выводах; 6 - жесткое

вающих влияние жесткости ЭРЭ, использован регрессионный анализ. Так как разработка универсальной математической модели требует очень большого объема вычислений, то был создан универсальный макрос АЫБУЗ для расчета типовых конструкций ячеек, учитывающий зависимость СЧК ячейки от жесткости крепления ЭРЭ. Пользователем задаются ограничения исследуемой конструкции, что и определяет время выполнения макроса. В процессе работы он генерирует модели конструкций в зависимости от значений варьируемых факторов, рассчитывает их СЧК и выдает результаты в текстовый файл.

В качестве примера создана математическая модель расчета СЧК прямоугольной ячейки с различным креплением по контуру. Для этого был использован план полного факторного эксперимента 53-32-41. Необходимые расчеты выполнены с помощью системы АЫБУЗ в соответствии со специально сформированным макросом. Обработка полученных данных производилась по методу Брандона, который позволяет представить зависимость функции от нескольких факторов в виде произведения отдельных функций.

В результате разработана формула, которая является уточнением выражения Релея-Ритца (1), где вместо необходимо применять следующий коэффициент, учитывающий влияние жесткозакрепленных ЭРЭ:

К = К,

(2)

где К,

= 1,31-5,4

+ 35,34

-66,78

•^Ч +42,38

= 1,351+ 0,0871п(5„) , К4(йэ)= 0,801 + 66,42/ц,

Л"5(п,) = 0,7 + 0,027п, - 0,0005п/ + 2,6 • Ю-6)!,3.

Она позволяет рассчитать СЧК ячеек, способ крепления которых соответствует любому сочетанию моделей жесткого защемления и свободного

опирания для каждой стороны платы. Погрешность расчета не превышает 15% в диапазоне площадей плат от 70 до 500 см3, отношением сторон от 1 до 2,5 и высотой ЭРЭ до 4 мм.

Также разрабатывается алгоритм оптимизации ячеек ЭА сложных конструкций методом частотной отстройки (ЧО), блок-схема которого показана на рис. 4.

Основной задачей при ЧО является обеспечение условия:

/(>1,3/,, (3)

где /у - первая СЧК ячейки, /, - верхняя граница диапазона воздействующей вибрации.

^ .Да

-К Конеч X-

Рис. 4. Блок-схема алгоритма оптимизации частотной отстройки

При этом необходимо, чтобы масса конструкции увеличивалась минимально и не превышала величину, которая может быть указана в ТЗ на устрой-

ство (тяап). Поэтому в качестве целевой функции выбран минимум массы при обеспечении основного условия эффективности 40 в виде (3). В массу ячейки (от) входит суммарная масса ребер жесткости, которая зависит от их количества и, плотности (рр), высоты (Яр), длины (0 и ширины (зр), а также суммарная масса точек крепления (ТК) (тмассогабаритные параметры электромонтажной платы (5, Я„, р) и слоя жестаости из пенопласта (Яс, рс). Кроме того, высота ячейки тоже должна быть ограничена и не превышать величину (Ялоп), определяемую конструкцией блоков ЭА.

В общем виде, целевая функция имеет вид:

т -> шт(5,Я^р.от^,,л,рр,Яр,/,../„,5р,Яс,рс),

при условии, что: /, > 1,3 /в; т < тдо„; Я < Ядоп.

Разработанный алгоритм может быть встроен в общий алгоритм проектирования виброзащиты вместо соответствующего этапа (блоки 10 и 11 на рис. 2) или применяться автономно. В нем выполняется структурный синтез конструкции на основе пяти основных способов 40 с последующей их параметрической оптимизацией с целью поиска минимальной массы конструкции при обеспечении основного условия 40 (3).

Согласно этому алгоритму, на первом этапе находятся частоты и собственные формы колебаний (СФК) ячейки. Их анализ определяет расположение ребер жесткости и дополнительных ТК, с применения которых рекомендуется начинать 40. Данный метод 40 основывается на модификации ячейки таким образом, чтобы СФК исходной конструкции, частота которой выше максимальной частоты вибрации, примерно равнялась первой СФК для модифицируемой конструкции. Первоначально рекомендуется рассматривать те СФК, которые могут быть обеспечены только установкой ребер жесткости вдоль узловых линий через места крепления ячейки. Если СЧК таких конструкций ниже требуемых значений, то необходимо применять дополнительные ТК. Сочетание ТК и ребер позволяет создать конструкции практически с любыми первыми СФК.

В качестве примера в таблице 1 приведены возможные конструктивные решения 40 для ячейки ЭА сложной конфигурации, на которую действует вибрация в диапазоне до 500 Гц («¿¿» означает крепление стороны платы соответствующее модели жесткого защемления).

В данном случае при обеспечении третьей СФК только вариант с дополнительными ТК удовлетворяет условию 40 (3): 681 Гц > 1,3-500 Гц. Кроме того, подходят обе предложенные конструкции на основе четвертой СФК (863 и 854 Гц). Окончательный выбор определяется разработчиком с учетом возможных массогабаритных показателей, конструкций блока ЭА и других факторов. Количество, длина ребер жесткости и число дополнительных ТК обусловливаются конструкцией ячейки. При этом высота ребер должна быть достаточна для образования узловых линий. Поиск оптимальной высоты может быть произведен любым методом одномерной оптимизации, в алгоритме это изображено в виде последовательного приращения величины.

-10-

Таблица 1 - Собственные формы и частоты колебаний

Исходной конструкции, Гц

Только при установке ребер

Только при установке доп.

№ СФК

не применимы, так как ребра не будут проходить через места крепления

При установке ребер жесткости

Если эти меры не приводят к необходимому повышению СЧК, то требуется рассмотреть варианты увеличения толщины и уменьшения площади ячейки. Заключительной мерой может быть нанесение слоя из жесткого пенопласта. В этом случае определяется материал слоя и его высота.

Для компенсации увеличения массы конструкции рекомендуется применять стеклотекстолит меньшей толщины. Например, вместо толщины 1,5 мм применить стеклотекстолит 0,5 мм (рис. 6). Максимально допустимую толщину слоя, наносимого по всей поверхности ячейки, можно найти из выражения:

Р2

где N - допустимый коэффициент увеличения начальной массы конструкции, Н1и и Я,к - начальная и конечная толщина электромонтажной платы, р) и р2 - плотности материала платы и слоя соответственно.

Таким образом, представленный алгоритм позволяет разработчику быстро и эффективно применять способы 40 ячеек ЭА, что значительно сокращает время разработки новых изделий и уменьшает объем их экспериментальной отработки.

Третья глава посвящена разработке САПР виброзащиты ячеек ЭА сложных конструкций.

Проектирование виброзащиты ячеек ЭА проводится между этапами размещения ЭРЭ и трассировки в САПР печатных плат. Обычно исходная конструкция ячеек не содержит элементов виброзащиты, применение которых, в

' \1 1-1 1 - ' > Т

4 2 а) , М Т

1-1 1-11-1|.

Н, :Я,к

С>)

Рис. 6. Пример нанесения слоя пенопласта: а - до нанесения; б - после нанесения; 1 - плата; 2 - ЭРЭ; 3 - слой пенопласта

случае необходимости, осуществляется впоследствии. Этот процесс часто цикличен: каждый последующий вариант конструкции корректируется на основе предыдущего (рис. 7). Достижение виброзащищенности может сопровождаться оптимизацией. Окончательная конструкция ячейки ЭА переносится в САПР печатных плат.

<?о^аииСММОДСЛИрОВаН1'е)< -^Т-

Анализ результатов

зг

>

Рис. 7. Процесс проектирования виброзащиты ячеек

Для обеспечения такого процесса проектирования была модернизирована САПР виброзащшценных ячеек ЭА У^ЬгоБеГепсе, первоначально использующая для их расчета только собственное вычислительное ядро, что ограничивало конструкции простейшими конфигурациями. Рассмотрены три возможных варианта преодоления этого ограничения. В результате их сравнения разработана и интегрирована в САПР УШгоБеГепсе инструментальная (препо-стпроцессорная) среда системы КЭА АШУБ (рис. 8).

I материалов

Ж

УПэгоОсГепсс

'Констоукция4 у1---

''Конструкция1,

' Препоетпроцессорная среда^ ( Препроцессор ) ( Графический интерфейс ^ ( Постпроцессор )

тщт^яж

Ь{ Модель Л Уу расчета у

С

>

макрос расчета "

Л

Рис. 8. Структурная схема САПР У&гоОеГепсе

Она позволяет проектировать сложные конструкции практически произвольных конфигураций с креплением как по сторонам, так и точечным. В общем, функции препостпроцессорной среды заключается в формализации описания конструкции, передачи ее для моделирования в систему КЭА и выводе полученных результатов. Возможности аналитических расчетов расширены базами данных некоторых типовых конструкций с отличными от прямоугольной конфигурациями и соответствующими регрессионными моделями.

Ввод компонентов ячеек в САПР УПэгоОеГепсе производится в ручном режиме. Выбор необходимых при этом параметров конструкционных и вибро-

поглощающих материалов осуществляется из базы данных. Кроме того, открытость системы обеспечивает возможность дальнейшей реализации двустороннего обмена данных с проектами САПР печатных плат.

Проектируемая ячейка ЭА кроме электромонтажной платы, ЭРЭ и элементов крепления может содержать ребра жесткости и полимерные демпферы в виде слоев (внутренних или внешних) и демпфирующих ребер (рис. 9). Ячейки могут иметь одностороннее или двустороннее исполнение. Пользователю предоставлены возможности гибкого внесения изменений в модель конструкции на каждом этапе проектирования.

Динамические характеристики конструкций находятся только при воздействии гармонической вибрации. Необходимые вычисления производятся запуском АЫБУБ в пакетном режиме, что позволяет освободить экран пользователя от элементов встроенного интерфейса и сообщений о возможных предупреждениях.

Программа УЛгоБеГепсе отслеживает окончание работы АИ-БУБ и производит постпроцессорную обработку данных сразу после моделирования. Она заключается в выводе полученных результатов АЫБУБ с учетом инженерной терминологии. Результатами расчета являются спектр СЧК и СФК и поля распределения амплитуд резонансных колебаний (АРК). Объединение функций препроцессора и постпроцессора позволяет модифицировать конструкцию на основе СФК предыдущего варианта, что облегчает применение ребер жесткости и дополнительных ТК.

Разработка архитектуры препостпроцессорной среды АИБУЗ произведена с помощью шаблона программного обеспечения Мос1е1-у1е\у-соп1го11ег, что позволило отделить модель расчета от оболочки УйжЮеГепсе, в которой также разделено отображение данных и их обработка. Функции графической оболочки заключаются в предоставлении пользователю средств проектирования ячеек ЭА, сборе введенной информации, ее проверки и трансляции в макрос. Он представляет собой файл-сценарий, содержащий варьируемые характеристики исследуемой конструкции и независимую от параметров модель вычислений, включающую математические операции обработки исходных данных, а также функциональные команды системы КЭА. Итогом работы макроса А^УБ являются специально сформированные файлы результатов для вывода их в САПР УЛгоБеГепсе (рис. 10).

На первом этапе выполняется генерация трехмерной модели. Затем устраняются возможные пересечения элементов конструкции, в зависимости от их сложности. После этого производится сцепление всех отдельных составных

/Комаи\

Препроцессо)

| крепле I 1виЬроза

-ния у " у^цить;/,

Процессор

Уртрока/

И

■V

Запуск АЫЯУ.Я

Постпроцессор 4

Рис. 9. Итерация процесса проектирования

частей и присваиваются им параметры материалов. Далее создается сетка конечных элементов - это основная характеристика, определяющая длительность и точность расчета. Операции крепления конструкции объединены с приложением внешнего воздействия, что позволяет найти АРК сразу после определения СЧК.

Вычитание пересекающихся объемов разных топоа

Объединение

объемов одного типа

г!8-

£

Полный модальный анализ

.19-1-

Вывод СЧК

Модальный анализ, нахождение

1-ой СЧК +

Расчет динамического модуля упругости

20-1-

/ Вывод Г СФК I

■21 I

Расчет демпфирования

г22

I

Гармонический анализ

Рис. 10. Блок-схема алгоритма макроса расчета в АШУБ

Характеристики полимерных демпферов определяются методом последовательного приближения. Динамический модуль упругости находится по формуле:

С/СЧК ~ fn Х4.+1 ~ Еп )

/л+1 — /л

где / Е - табличные значения частоты и модуля упругости соответственно; /ечк ~ найденная СЧК конструкции; п - индекс ближайшего нижнего значения частоты относительно/ечк-

После этого определяется СЧК следующего приближения, вычисления повторяются и так далее до тех пор, пока точность определения СЧК составит не менее 15%. КМП рассчитывается аналогично.

На заключительном этапе работы алгоритма проводится полный модальный анализ конструкции и гармонический анализ на первой СЧК. АРК на

гармониках выше первой определяются, в случае необходимости, отдельным макросом расчета, в котором загружается сохраненный проект ANSYS.

В результате разработанная САПР VibroDefence позволяет проектировать сложные конструкции ячеек ЭА. Программная реализация графической оболочки произведена на языке Free Pascal с использованием среды разработки программного обеспечения Lazarus, макрос расчета составлен на функциональном языке ANSYS и приведен в приложении к диссертации.

В четвертой главе рассматриваются примеры проектирования виброза-щищенных ячеек ЭА с помощью разработанной САПР VibroDefence, оценивается адекватность используемых в ней математических моделей и проводится тестирование на основе экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования ячеек ЭА проводились методом резонансных колебаний на специальной установке, состоящей из вибростенда, испытываемой ячейки в приспособлении на вибростоле, пьезодатчиков контроля вибрации и регистрирующей аппаратуры. Анализ полученных результатов показал, что разработанная формула (2) адекватна с доверительной вероятностью 95 %, а результаты опытов воспроизводимы. Адекватность оценивалась по критерию Фишера, воспроизводимость - по критерию Кохрена.

Тестирование алгоритма оптимизации 40 производилось на ячейках, эксплуатирующихся в диапазоне вибраций с верхней границей 500 Гц; некоторые из них показаны на рис. 11.

120

,48,

■f +

ft >П гч

__i__ \_ы СТЭФ

г 55 .

\ЙПУ-303А

Г) д) е)

Рис. 11. Схемы конструкций ячеек ЭА: а, б, в-исходные (СЧК равны 182,167 и 315 Гц соответственно); г, д, с - виброзащи-щенные (667, 657 и 654 Гц, масса увеличилась на 64%, 24% и 5% соответственно); - ребро жесткости; 4" - ТК; — - модель крепления «свободное опирание»

Тестирование САПР показало, что погрешность расчетов САПР VI-ЬгоОеГепсе лежит в пределах 5-30% относительно эксперимента в зависимости от сложности конструкции. Наименьшую точность дают расчеты ячеек с полимерными демпферами. Для ее повышения требуется проведение дальнейших исследований моделирования материалов с динамическими константами. Соответствующая корректировка макроса не потребует перекомпиляции графической части программы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены основные методы расчета динамических характеристик ячеек ЭА и САПР на их основе. Показана необходимость разработки современной САПР виброзащиты ячеек, обеспечивающей решение поставленных задач.

2. Разработана, программно реализована и протестирована САПР вибро-защшценных ячеек ЭА сложных конструкций VibroDefence, которая на основе интеграции с системой конечно-элементного анализа ANSYS позволяет:

- определять СЧК и амплитуды резонансных колебаний;

- разрабатывать конструкции с ребрами жесткости и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер;

- оптимизировать конструкции методом частотной отстройки.

3. Создана математическая модель для расчета СЧК прямоугольных ячеек ЭА, способ крепления которых соответствует любому сочетанию моделей жесткого защемления или свободного опирания каждой стороны платы. Использованные универсальный макрос вычислительного эксперимента и приведенный способ обработки позволяют получать подобные модели практически для любых типовых конструкций ячеек.

4. Разработан алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки ячеек ЭА любой конфигурации и способов крепления. Алгоритм позволяет обеспечить отстройку, не превышая требуемые массу и габариты конструкций и сократить сроки проектирования виброзалдаты.

САПР VibroDefence внедрена в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров, а также в учебный процесс кафедры КТРЭС Владимирского гос. университета.

В общем, использование САПР VibroDefence позволяет сократить сроки проектирования виброзащищенных ячеек ЭА примерно в 2-3 раза, по сравнению с проектированием в универсальной САПР.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1. Талицкий, E.H. Программный комплекс проектирования виброза-щищиты ячеек электронной аппаратуры / E.H. Талицкий, C.B. Шумарин II Программные продукты и системы. - Тверь. - 2008. — №3. — С. 103-104.

Публикации в остальных изданиях:

2. Евграфов, В.В. Применение программного комплекса ANSYS для оптимизации конструкций электронных средств I В.В. Евграфов, C.B. Шумарин, A.B. Ярмоленко // Проектирование и технология электронных средств. Всероссийский журнал. - Владимир. - 2005. - №4.

3. Шумарин, C.B. Программный комплекс расчета вибрационных характеристик ячеек электронной аппаратуры / C.B. Шумарин, E.H. Талицкий // Математические методы в технике и технологиях: Сборник трудов XIX международной научной конференции. - Воронеж. - 2006.

-164. Евграфов, B.B. Применение пользовательского препостпроцессора программы Ansys для моделирования конструкций / В.В. Евграфов, E.H. Та-лицкий, C.B. Шумарин // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VI международной научно-практической конференции. - Новочеркасск. -2006.

5. Шумарин, C.B. К вопросу об оптимизации ячеек электронных средств в СКЭА Ansys // Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании: Материалы ХП всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. - Рязань.-2007.

6. Шумарин, C.B. О расчете сложных конструкций ячеек электронных средств с использованием системы конечно-элементного анализа / C.B. Шумарин, E.H. Талицкий // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Материалы VIII международной научно-практической конференции. - Новочеркасск. - 2007.

7. Белов, Д.И. Моделирование воздействия импульса ускорения в системах конечно-элементного анализа / Д.И. Белов, В.В. Евграфов, C.B. Шумарин II Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Материалы VIII международной научно-практической конференции. - Новочеркасск. - 2007.

8. Шумарин, C.B. Интеграция P-CAD с программой проектирования виброзащиты / C.B. Шумарин, Е.С. Кузнецов // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы VIII международной научно-практической конференции. - Новочеркасск. - 2008.

9. Кутровский, П.В. К расчету собственных частот колебаний ячеек радиотехнических устройств / П.В. Кутровский, E.H. Талицкий, C.B. Шумарин // Проектирование и технология электронных средств. Всероссийский журнал. -Владимир. — 2008.

10. Шумарин, C.B. Автоматизация проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры // Надежность и качество 2008. Международный симпозиум. - Пенза. - 2008.

11. Кутровский, П.В. Методика виброзащиты радиотехнических устройств частотной отстройкой / П.В. Кутровский, E.H. Талицкий, C.B. Шумарин // Известия института технической физики. - Серпухов. - 2008 - №4.

Зарегистрированные программы для ЭВМ:

12. Программный комплекс проектирования виброустойчивых электронных модулей: зарегистрированная программа для ЭВМ - № 2005611814; правообладатели и авторы: И.А. Копылов, Е.Н, Талицкий, C.B. Шумарин; за-явл. 31.05.2005, зарегест. 25.07.2005. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ.

13. Программа оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки: зарегистрированная программа для ЭВМ - № 2007610745; правообладатели и авторы: В.А. Ухин, Е.Н, Талицкий, C.B. Шумарин; заявл. 5.03.2007, зарсгсст. 25.05.2007. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ.

Подписано в печать 12.03.09 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ Г

Издательство Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Введение.

Глава 1. Способы виброзащиты электронной аппаратуры и методы их . автоматизированного проектирования.

1.1 Способы защиты ЭА от воздействия вибрации.10.

1.1.1 Воздействие вибрации на конструкции ЭА.

1.1.2 Способы виброзащиты ЭА.

1.1.3 Вибрационный анализ ячеек ЭА.

1.2 Математические модели, применяемые при проектировании виброзащиты ЭА.

1.2.1 Аналитические модели.

1.2.2 Регрессионные модели.

1.2.3 Модели, применяемые при расчетах численными методами.

1.3 Системы автоматизированного проектирования виброзащиты электронной аппаратуры.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Уточнение и дополнение математического обеспечения функционального модуля частотной отстройки САПР VibroDefence.

2.1 Исследование влияния электрорадиоэлементов на собственные частоты колебаний конструкций типа пластин.

2.1.1 Постановка задач исследования.

2.1.2 Исследование особенностей моделирования ячеек ЭА в системе КЭА.

2.1.3 Исследование влияния ЭРЭ на жесткость ячеек ЭА.

2.2 Разработка алгоритма оптимизации частотной отстройки.

2.2.1 Особенности применения способов частотной отстройки.

2.2.2 Метод применения ребер жесткости и дополнительных точек крепления.

2.2.3 Применение слоев жесткости.

2.2.4 Критерии оптимальности ячеек.

2.2.5 Алгоритм оптимизации.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Разработка системы автоматизированного проектирования виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры.

3.1 Разработка структуры САПР.

3.1.1 Модель ячеек ЭА в САПР виброзащиты.

3.1.2 Разработка структуры процесса проектирования виброзащищенных несущих конструкций ЭА.

3.1.3 Выбор структуры САПР виброзащищенных ячеек ЭА.

3.2 Модернизация САПР VibroDefence.

3.2.1 Структура VibroDefence.

3.2.2 Процесс проектирования сложных конструкций в САПР VibroDefence.

3.2.3 Организация препроцессора.

3.2.4 Организация макроса расчета.

3.2.5 Структура входных и выходных данных.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

4.1. Методика экспериментальных исследований.

4.2 Проверка адекватности математической модели.

4.3 Тестирование САПР проектирования виброзащищенных ячеек.

4.3.1 Прямоугольные конструкции.

4.3.2 Сложные конструкции.

Выводы к главе 4.

Многие виды электронной аппаратуры (ЭА), устанавливаемой на подвижных объектах, подвергаются воздействию ударов, вибраций, линейных ускорений, акустических шумов [9; 10]. Надежность ЭА при эксплуатации в подобных режимах может снижаться во много раз по сравнению со стационарными условиями, что вызывает необходимость принимать специальные меры по ее защите.

Исследованиям в этой области посвящены работы в России, США, Германии, Японии и иных странах мира. Наиболее известны труды J.E. Ruzichka, D.S. Steinberg, A.D. Nashif, B.C. Ильинского, В.Б. Карпушина, Э.Б. Слобод-ника, А.Н. Чеканова, Н.Н. Абжирко и других авторов.

Для самолетной, ракетной и возимой ЭА характерно воздействие широкополосной вибрации, которая приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек ЭА - электромонтажных плат с установленными на них электрорадиоэлементами (ЭРЭ) [3;12]. Резонансы вызывают возрастание амплитуд колебаний в десятки раз, при этом значительно увеличивается интенсивность отказов ЭА за счет механических разрушений и искажений параметров электрических сигналов [29;31]. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании ЭА [11;24;32].

Проектирование виброзащищенных конструкций требует значительного времени, сократить которое можно использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). Они решают весь комплекс задач создания ЭА и позволяют задействовать в проектных работах, в идеале, только одного человека - конструктора [1;2]. Но для этого необходима САПР с интерфейсом, использующим радиоконструкторскую терминологию, то есть задача формализации представления ЭА ложится на разработчиков-программистов.

В РФ среди известных ученых, занимающихся разработкой САПР ЭА, устойчивой к механическим воздействиям, можно выделить Ю.Н. Кофанова,

А.В. Сарафанова, А.С. Шалумова и других. Во Владимирском государственном университете под руководством доктора технических наук, профессора Е.Н. Талицкого проводится разработка способов виброзащиты ЭА и создание программ на их основе.

При проектировании виброзащиты ячеек могут применяться как специа \ лизированные САПР, так и универсальные. Среди специализированных наиболее известна АСОНИКА, разработанная под руководством доктора технических наук, профессора Ю.Н. Кофанова [8]. Достоинства этой системы заключаются в учете взаимного влияния тепловых, механических и других факторов [56], в наличии единого виртуального макета изделия, импорта его из САПР печатных плат и в возможности использования ребер жесткости в качестве виброзащиты ячеек [54]. Система обладает развитыми инструментальными средствами на разных стадиях проектирования и вывода результатов.

Однако при проектировании ячеек ЭА в подсистеме АСОНИКА-ТМ расчет проводится методом конечных разностей [43;44], что сужает возможности этой системы. Также не представлены эффективные способы виброзащиты, связанные с применением полимерных демпферов [3]. Предпринимались попытки преодоления этих ограничений, но в настоящее время программной реализации они не получили [26].

САПР VibroDefence [18; 19] частично исключает эти недостатки и позволяет проектировать конструкции с использованием всех основных способов виброзащиты: частотная отстройка (40), применение полимерных демпферов и виброизоляция [3;7;33]. В ней также возможна оптимизация конструкций с применением ребер жесткости [27]. Высокое быстродействие при поиске оптимального решения обеспечивается аналитическими методами, которые целесообразно использовать при расчете типовых конструкций ячеек ЭА, получивших широкое распространение.

Тем не менее, применение VibroDefence имеет некоторые ограничения в математических моделях. Так, влияние электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на ди5 намические характеристики ячеек учтено неполностью. Не учитывается, в частности, увеличение жесткости конструкций за счет жесткого, например, клеевого соединения ЭРЭ с платой. К тому же, ячейки ЭА часто представляют собой сложные конструкции, расчет которых аналитическими методами практически невозможен; математическое обеспечение для проектирования и оптимизации сложных конструкций не разработано.

Этого ограничения практически лишены универсальные системы конечно-элементного анализа (КЭА) [15; 16], такие как ANSYS, MSC.NASTRAN, PATRAN, LS-DYNA, COSMOS и т.д., однако их использование требует специальной подготовки и относительно больших затрат машинного времени, что затрудняет оптимизацию и увеличивает сроки проектирования. Их интерфейс рассчитан на обобщенное применение во многих областях различных сфер деятельности, поэтому для специализированных задач, таких как анализ и проектирование ЭА, использование этих систем в базовом виде для радиоконструктора затруднено, как минимум, двумя моментами. Во-первых, эти системы нуждаются в большой однотипной подготовительной работе перед началом расчета, например, при экспорте модели из конструкторской САПР. Во-вторых, комплексность программной системы неизбежно приводит к сложности ее освоения, длительному обучению. Кроме того, перечисленные системы КЭА также в явном виде не предназначены для расчета конструкций с полимерными демпферами.

Поэтому задача разработки САПР виброзащиты ячеек ЭА, позволяющая рассчитывать сложные конструкции с любыми способами крепления при небольших затратах времени разработчиком, не обладающего специальной подготовкой, является актуальной. Возможным вариантом решения этой задачи является интеграция специализированных САПР с системами конечно-элементного анализа путем создания препостпроцессорных сред с радиоконструкторской терминологией [1;46;54], сочетающих достоинства как аналитических, так и численных методов расчета.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков проектирования и расширение возможностей расчета и оптимизации виброзащищен-ных ячеек электронной аппаратуры сложных конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать методы расчета динамических характеристик ячеек ЭА и САПР на их основе;

- разработать препостпроцессорную среду проектирования виброзащи-щенных ячеек ЭА сложных конструкций, использующую систему КЭА в качестве вычислителя;

- создать математическую модель ячеек ЭА для расчета собственных частот колебаний (СЧК), учитывающую особенности крепления ЭРЭ;

- разработать алгоритм оптимизации частотной отстройки ячеек ЭА сложных конструкций;

- создать программное обеспечение, реализующее поставленные задачи.

Методы исследования основываются на методах теории алгоритмов, теории САПР, методах вычислительной математики, прикладной механики, теории колебаний, теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек ЭА на основе интеграции системы конечно-элементного анализа ANSYS и программы VibroDefence;

- разработан алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки ячеек ЭА сложных конструкций;

- создана математическая модель для расчета СЧК прямоугольных ячеек ЭА, учитывающая жесткое крепление ЭРЭ.

Практическая значимость:

1. Разработана САПР виброзащищенных ячеек ЭА сложных конструкций с практически любыми способами крепления, которая позволяет:

- определять СЧК и амплитуды резонансных колебаний;

- разрабатывать конструкции с ребрами жесткости и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер;

- оптимизировать конструкции методом частотной отстройки.

2. САПР может применяться в проектных организациях, занимающихся разработкой ЭА, устанавливаемой на подвижных объектах и эксплуатируемой в условиях воздействия вибраций в широком диапазоне частот.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении хоздоговорной НИР № 3227/05 «Разработка комплекса программ анализа механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру» по договору с ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г.Саров и госбюджетной НИР №400/04-08 «Моделирование конструкций электронных средств при механических воздействиях» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006); «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006); «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2007); «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2008). А также на международном симпозиуме «Надежность и качество 2008» (Пенза, 2008), всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2007) и семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ: № 2005611814 (заявка № 2005611215, дата поступления 31 мая 2005г., зарегистрировано 25 июля 2005г.) и № 2007612188 (заявка № 2007610745, дата поступления 5 марта 2007г., зарегистрировано 25 мая 2007г.).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций, из них 1 статья по специальности 05.13.12.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации 156 страниц, в том числе: 116 страниц основного текста, иллюстрированных 55 рисунками и 7 таблицами, 10 страниц списка литературы, а также 4 приложения.

Выводы к главе 4

1. Проведенные экспериментальные исследования с помощью критерия Фишера подтвердили гипотезу об адекватности разработанной модели определения СЧК ячейки ЭА с жесткозакрепленными ЭРЭ.

2. Разработанная САПР VibroDefence с высокой степенью достоверности позволяет определить динамические характеристики ячеек ЭА без вибро-поглощающих материалов. Расхождение результатов расчета с эксперимен-тальми значениями для конструкций без элементов виброзащиты не превышает 5%, конструкций с ребрами жесткости - от 2 до 10% в зависимости от применяемого метода расчета. Отклик ячеек с полимерными демпферами в VibroDefence производится с ошибкой не более 30%.

3. Подтверждено, что расчет простейших конструкций целесообразно производить аналитическими методами, так как их быстродействие на порядки превышает вычисления в системе КЭА.

4. Использование алгоритма оптимизации конструкций методом ЧО позволило рационально устранить резонансные колебания всех опытных ячеек ЭА.

5. Проектирование конструкций в системе VibroDefence может быть осуществлено в среднем в 2-3 раза быстрее, чем в комплексе универсальных САПР SolidWorks и ANSYS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы:

1. Рассмотрены основные методы расчета динамических характеристик ячеек ЭА и САПР на их основе. Показана необходимость разработки современной САПР виброзащиты ячеек, обеспечивающей решение поставленных задач.

2. Разработана, программно реализована и протестирована САПР виброзащищенных ячеек ЭА сложных конструкций VibroDefence, которая на основе интеграции с системой конечно-элементного анализа ANSYS позволяет:

- определять СЧК и амплитуды резонансных колебаний;

- разрабатывать конструкции с ребрами жесткости и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер;

- оптимизировать конструкции методом частотной отстройки.

3. Создана математическая модель для расчета СЧК прямоугольных ячеек ЭА, способ крепления которых соответствует любому сочетанию моделей жесткого защемления или свободного опирания каждой стороны платы. Использованные универсальный макрос вычислительного эксперимента и приведенный способ обработки позволяют получать подобные модели практически для любых типовых конструкций ячеек.

4. Разработан алгоритм оптимизации виброзащиты методом частотной отстройки ячеек ЭА любой конфигурации и способов крепления. Алгоритм позволяет обеспечить отстройку, не превышая требуемые массу и габариты конструкций и сократить сроки проектирования виброзащиты.

САПР VibroDefence внедрена в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров, а также в учебный процесс кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

На основании нескольких десятков спроектированных виброзащищенных ячеек, представленных в диссертации и используемых при выполнении х/д и г/б НИР, а таюке при подготовке материалов научных работ, сделан

115 общий вывод, что использование разработанной САПР VibroDefence позволяет сократить сроки проектирования виброзащищенных ячеек ЭА примерно в 2-3 раза, по сравнению с проектированием в универсальных САПР, за счет применения специализированного интерфейса и автоматизации части вычислений.

1. Норенков, И.П. Основы автоматизированного проектирования / И.П, Норенков. М.: МГТУ им. Баумана, 2002 -336 с.

2. Кунву, Ли. Основы САПР / Ли Кунву. С.-П.: Питер, 2004. - 560 с.

3. Талицкий, Е.Н. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры: учеб. пособие, в 3 ч. / Е.Н. Талицкий, изд. ВлГУ, 2005

4. Басов, К.A. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красков-ского. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.

5. Талицкий, Е.Н. Алгоритм проектирования виброзащиты ЭС. // Всероссийский научно-технический журнал. 2001. - №1.

6. Ухин, В.А., Талицкий, Е.Н. Алгоритм проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки // Проектирование и технология электронных средств. 2006. - №3.

7. Harris, С.М. Harris shock and vibration handbook, 5th ed. / C.M. Harris, A.G. Piersol. McGraw Hill, 2002.

8. ГОСТ РВ 20.39.304-98 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам, 1998.

9. ГОСТ РДВ 319.01.05-94, ред 2-2000. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения., 2000.

10. Ильинский, B.C. Защита РЭА и прецензионного оборудования от динамический воздействий / B.C. Ильинский. М.: Радио и связь, 1982 -296 с.

11. Вибрация в технике: Справ, в 6 т. / Ред. Совет: В.Н. Челомей (пред.), -М.: Машиностроение, 1978-1981.

12. Ахназарова, C.JI. Оптимизация эксперимента в химии и химической промышленности: учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов, 2-е изд., перераб. и доп. / C.JI. Ахназарова, В.В Кафаров. М.: Высшая школа, 1985.-327 с.

13. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений, 2 изд. / Ю.В. Линник. -М., 1962.

14. Сегерлинг, Л. Применение метода конечных элементов: пер. с англ. / Под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979.-393 с.

15. Секулович, М. Метод конечных элементов: пер. с серб. / Под ред. В.Ш. Барбакадзе. -М.: Стройиздат, 1993.

16. Адлер, Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.В. Адлер. М.: Наука. 1976.

17. Евграфов, В.В, Шумарин, С.В., Ярмоленко А.В. Применение программного комплекса ANSYS для оптимизации конструкций электронныхсредств // Проектирование и технология электронных средств, Владимир. 2005. - №4.

18. Шумарин, С.В., Талицкий, Е.Н. Программный комплекс расчета вибрационных характеристик ячеек электронной аппаратуры. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-19). Воронеж. -2006.

19. Шумарин, С.В., Кузнецов, Е.С. Интеграция P-CAD с программой проектирования виброзащиты // Международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике». Новочеркасск. - 2008.

20. Фадеев, О.А. Метод взаимодействия «проектировщик система» для моделирования механических процессов в несущих конструкциях радиоэлектронных средств / О.А. Фадеев. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Ковров. - 2003.

21. Ухин, В.А. Автоматизация проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки / В.А. Ухин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владимир. -2007.

22. Кузьмин, Э.Н. Обеспечение виброударостойкости: Монография / Э.Н. Кузьмин. Снежинок: изд. РФЯЦ-ВНИИТФ, 2003 - 320 с.

23. Бабаков, И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. М. Наука, 1968.

24. Кофанов, Ю.Н. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях / Ю.Н. Кофанов, А.С. Шалумов, В.Г. Журавский, В.В. Гольдин. М.: Радио и Связь. - 2000 - 226 с.

25. Прочность, устойчивость, колебания: справ: в 3 т. / под ред. И.А. Бирге-ра, Я.Г. Пановко. -М.: Машиностроение, 1968.

26. Зеленев, Ю.В. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В. Зеленев, А.А. Кирилин, Э.Б. Слободник, Е.Н. Талицкий; под ред. Ю.В. Зеленева. М.: Радио и связь, 1984.

27. Нашиф, А. Демпфирование колебаний: пер. с англ. / А. Нашиф, Д. Джо-унс, Дж. Хендерсон. М.: Мир, 1988.

28. Случайные колебания: пер. с англ. / под ред. А. А. Первозванцева. М.: Мир, 1967.

29. Карпушин, В.Б. Виброшумы радиоаппаратуры / В.Б. Капушин. М.: Сов. радио, 1977.

30. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980.

31. Филиппов, А.П. Колебания деформируемых систем / А.П. Филлипов -М.: Машиностроение, 1970.

32. Никифоров, А.С. Вибропоглощение на судах / А.С. Никифоров. JL: Судостроение, 1979.

33. Перепечко, И.И. Акустические методы исследования полимеров / И.И. Перепечко. -М.: Химия, 1973.

34. OCT 4 ГО.010.009-84. Модули электронные первого и второго уровней радиоэлектронных средств. Конструирование.

35. Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В Матвеев. Киев.: Наук. Думка, 1988.

36. Вермишев, Ю.Х. Основы автоматизации проектирования / Ю.Х. Верми-шев. М.: Радио и связь. - 1988.

37. Маквецов, Е.Н. Модели из кубиков / Е.Н. Маквецов. М.: Советское радио. - 1978.

38. Маквецов, Е.Н. Цифровое моделирование вибраций в радиоконструкциях / Е.Н. Маквецов. М.: Советское радио. - 1976.

39. Назаров, С.В. Компьютерные технологии обработки информации / С.В. Назаров, В.И. Першиков, В.А. Тафинцев. М.: Финансы и статистика. -1995.

40. Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П. Норенков. М.: Высшая школа. - 1980.

41. Норенков, И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования /И.П. Норенков. -М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1994.

42. Основы научных исследований. / Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. -М.: Высшая школа. 1989.

43. Андреев, А.И. Методы обеспечения и оценки надежности радиоэлектронных средств: учеб. пособие / А.И. Андреев. М.: МИРЭА, 2000.

44. Киселев, А.Г. САПР-К. Программные продукты. Обзор систем моделирования электронных схем / А.Г. Киселев. 1999.

45. Бронин, Е.И. Принципы создания интегрированных автоматизированных систем / Е.И. Бронин, Ю.Х. Вермишев, В.В. Машков, М.С. Суровев. -М.: Радио и Связь, 1987.

46. Андреев, А.И. Виды и причины отказов радиоэлектронных средств: учеб. пособие / А.И. Андреев, В.В. Жаднов, Ю.Н. Кофанов. М.: МГИ-ЭМ, 1995.

47. Кофанов, Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств / Ю.Н. Кофанов. М.: Радио и связь, 1991.

48. Кофанов, Ю.Н. и др. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры / Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов и др. М.: Радио и связь, 2000.

49. Тумковский, С.Р. Автоматизация схемотехнического проектирования функциональных узлов РЭС: учеб. пособие / С.Р. Тумковский. М.: МГИЭМ, 1995.

50. Кофанов, Ю.Н. Комплексное моделирование взаимосвязанных физических процессов радиоэлектронных конструкций: учеб. пособие / Ю.Н. Кофанов, С.В. Засыпкин. М.: МГИЭМ, 1996.

51. Конев, Ю.И. Микроэлектронные электросистемы. Применение в радиоэлектронике / Ю.Н. Конев, Г.Н. Гулякович, К.Н. Полянин. М.: Радио и связь, 1987.

52. Песнухин, JI.H. Конструирование электронных вычислительных машин и систем / JI.H. Песнухин, В.Я. Шахнов, В.Я. -М.: Высш. шк., 1986.

53. Сысоев В.В. Структурные и алгоритмические модели автоматизированного проектирования производства изделий электронной техники / В.В. Сысоев. Воронеж: Воронеж, технол. ин-т, 1993.

54. Трахтенгерц, Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений в САПР // Автоматизация проектирования. 1997. - №5.

55. Жеков, К.Н. Современные системы автоматизации инженерных расчетов // Автоматизация проектирования. 1999. - №1.

56. Ненашев, А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. Вузов / А.П. Ненашев. -М.: Высш. шк., 1990

57. Остроменский, П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов / П.И. Остроменский. Новосибирск: изд. Новосиб. ун-та, 1992.- 173с.

58. A note on transverse vibrations of rectangular plates with edges elastically restrained against rotation. PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1981 V78 N1. p. 139-144.

59. Transverse vibrations of rectangular plates witch edges elastically restrained against translation & rotation. PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1981 V78 N1. p. 101-107.

60. A method for the determination of the fundamental frequency PAA Laura & R. H. Gutierrez. Journal of sound & vibration 1980 V70 N1. p. 77-84.

61. Free vibration of rectangular plates of arbitrary thickness with one or more edges clamped. К. T. Sundra raja Iyengar. & P. V. Raman. Journal of sound & vibration 1980 V71 N4. p. 463-472.

62. Vibration analyzing of a rectangular plate. M. Cengiz Dokmeci & Bruno A. Boley. J. of the Franklin Institute V296 N5 1973 p.305-321.

63. Simplified method for solvig problems of vibrating plates of doubly connected arbitrary shape. Part II: Aplications & experiments K. Nagava. Journal of sound & vibration 1981 V74 N4. p. 553-564.

64. Vibration of a rectangular plate supported at an arbitrary number of points. G. M. Kerstens. Journal of sound & vibration 1979 V65 N4. p. 493-504.

65. Bounds for frequensys of rib reinforced plates. D. W. Fox & V. G. Sigilito. Journal of sound & vibration 1980 V69 N4. p. 497-507.

66. Vibrationanalysis of plates of arbitrary shape a new approach D. Bucco & J. Mazumdar. Journal of sound & vibration 1979 V67 N2. p. 253-262.

67. Саати, Т. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы / Т. Саати Пер. с англ. В. Н. Веселова./ Под ред. И. А. Ушакова. -М.: Мир, 1973. - 302с.

68. Талицкий, Е.Н. Алгоритм проектирования виброзащиты электронной аппаратуры // Информационные технологии. №1 - 2009.76. http://ru.wikipedia.org/wiki/Model-view-controller.77. http://www.lazarus.freepascal.org.

69. ГОСТ 16962-71 Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний

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

71. Талицкий, Е.Н., Шумарин, С.В. Программный комплекс проектирования виброзащищиты ячеек электронной аппаратуры // Программные продукты и системы. Тверь, 2008. - №3. - с. 103-104.

72. Талицкий, Е.Н. Оценка эффективности антирезонансных покрытий субблоков микроэлектронной аппаратуры // НТС «Техника средств связи», М., 1982, вып. 1. — с. 43-52.

73. Кутровский, П.В, Талицкий, Е.Н., Шумарин, С.В. К расчету собственных частот колебаний ячеек радиотехнических устройств // Всероссийский научно-технический журнал «Проектирование и технология электронных средств». Владимир. - 2008. - №4.

74. Шумарин, С.В. Автоматизация проектирования виброзащиты ячеек эле-тронной аппаратуры // Международный симпозиум «Надежность и качество 2008». Пенза. - 2008.

75. Кутровский, П.В, Талицкий, Е.Н., Шумарин, С.В. Методика виброзащиты радиотехнических устройств частотной отстройкой // «Известия института технической физики». Серпухов. - 2008 - №4.

76. Вибрация. Термины и определения: ГОСТ 24346-80. М.: Изд-во стандартов, 1980. -31с.

77. Фролов, К.В. Прикладная теория виброзащищенных систем / К.В. Фролов, Ф.Л. Фурман. -М.: Машиностроение, 1980. -276с.

78. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей. / Е.С. Вентцель. М.: Высшая школа, 1999.-576с.

79. Ланцов, В.Н. Моделирование: учеб. пособие в 2 частях / В.Н. Ланцов. -Владимир: Изд. ВлГУ. 2001.

80. Владимиров, B.C. Уравнения математической физики / B.C. Владимиров. М.:Наука, 1988. -512с.

81. Болдин, В.А. Радиоэлектронное обородование / В.А Болдин, Г.И Горго-нов, В.Д. Коновалов и др. (Боевая авиационная техника) М.: Воениз-дат, 1990.-288с.

82. Волков, Е.Б. Технические основы эффективности ракетных систем / Е.Б. Волков, В.З. Дворкин, А.И. Прокудин и др. / Под ред. Е.Б. Волкова. М.: Машиностроение, 1989. - 256с.

83. Урецкий, Я.С. Испытания аппаратуры радиосистем и испытательное оборудование / Я.С. Урецкий. Казань.: КАИ, 1991. - 78с.

84. Бенлат, Дж. Прикладной анализ случайных данных / Дж. Бенлат, А. Пир-сол. М.: Мир, 1989 - 540с.

85. Жигалов, И.Е. Компьютерная графика: курс лекций / И.Е. Жигалов -Владимир: Изд. ВлГУ. 2004. - 121с.

86. Крутов, В.И. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. / Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. М.:Высш. Шк., 1989 - 400с.

87. Шмидт, Г. Параметрические колебания / Г. Шмидт / Перевод с нем. -М.: Мир, 1978.-336с.

88. Бидерман, В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов / В.Л. Бидерман. М.: Высш. школа, 1980. - 408с.

89. Наянзин, Н.Г. Структурный синтез быстрозажимных многоместных приспособлений: учеб. пособие / Н.Г. Наянзин Владимир: Изд. ВлГУ. -1995.-51с.

90. Каханер, Д. Численные методы и программное обеспечение / Д. Каха-нер, К. Моулер, С. Нэш / Пер. с англ. Изд. второе, стереотип. - М.: Мир, 2001.-575с.

91. Руфицкий, М.В. Проектирование электронных средств наоснове программируемых интергальных схем: Классификация, теории, изготовление, маршрут проектирования: учеб. пособие для ВУЗов / М.В. Руфицкий, А.Н. Волков Владимир: Изд. ВлГУ. - 2002 - 112с.

92. Курейчик, В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технического проектирования с применением САПР: Учебник для вузов / В.М. Курейчик. М.: Радио и связь, 1990. - 352с.

93. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows / Д.Г. Шимкович. М.: ДМК Пресс, 2001. - 448с.

94. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Д.: Энергоатомиздат, 1991. - 304с.

95. Сысоев, С.Н. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: учеб. пособие для ВУЗов / С.Н. Сысоев Владимир: Изд. ВлГУ. -2001-90с.

96. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов/ Под ред. А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова. М.: Радио и связь, 1989. - 624с.