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

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ЯЧЕЕК ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ВСТАВКАМИ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ИЮЛ 2011

Владимир 2011

4851890

Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств «Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Талицкий Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сысоев Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент Потехин Дмитрий Станиславович

Ведущая организация:

Конструкторское бюро «Арматура» (г. Ковров)

Защита диссертации состоится « 30 » сентября 2011 г. в 14 — часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан « 30 » июня 2011 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 Д 212.025.01.

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, в период эксплуатации подвергаются дестабилизирующим механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам.

Для аппаратуры ракетной и авиакосмической техники, а также некоторых видов наземных транспортных средств, характерно воздействие широкополосной вибрации. Максимальная частота воздействующей вибрации может достигать 2000 Гц, что приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек ЭА -электромонтажных плат с установленными на них электрорадиоэлементами (ЭРЭ). Это приводит к увеличению амплитуд колебаний в десятки раз и значительному увеличению интенсивности отказов ЭА за счет механических разрушений и искажений параметров электрических сигналов. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций ЭА или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании многих видов ЭА.

Исследования в области виброзащиты аппаратуры проводились в России В.Н. Челомеем, М.З. Коловским, B.C. Ильинским, E.H. Маквецовым, E.H. Талиц-ким, A.M. Тартаковским, H.H. Абжирко, Э.Б. Слободником, Ю.Н. Кофановым, А.Н. Чекановым, Ю.А. Суровцевым и другими авторами. В США, Германии, Японии и других странах наиболее известны работы J.E. Ruzichka, D.S. Steinberg, A.D. Nashif, E.M. Kerwin и других.

Обычно задачи уменьшения амплитуд резонансных колебаний (АРК) решаются частотной отстройкой или увеличением демпфирующих свойств ячеек. Однако полное устранение резонансных колебаний частотной отстройкой при воздействии вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц практически невозможно. Полная заливка ячеек ЭА полимерными компаундами, которая могла бы решить эту задачу, приводит к увеличению массы конструкции, ухудшению ремонтопригодности и тепловых режимов. Поэтому, все большее применение находит способ уменьшения амплитуд резонансных колебаний, основанный на применении полимерных демпферов из специальных, вибропоглощающих, материалов, которые могут выполняться в виде слоев, наносимых на конструкции, демпфирующих ребер, высокодемпфированных динамических гасителей колебаний и вставок. Перспективно применение демпфирующих вставок (ДВ), т.к. установка их между параллельно расположенными ячейками ЭА в блоке позволяет уменьшить АРК в 5-20 раз и практически не увеличивает массу и габариты изделия.

Расчет простейших конструкций прямоугольной формы с ДВ и с моделями крепления типа жесткого защемления, свободного опирания или свободного края на гармоническое и случайное вибрационное воздействие может проводиться на основе аналитических выражений. Эти методы рассмотрены в работах E.H. Талицкого и его учеников. Проектирование конструкций со сложной формой и типами креплений вызывает необходимость применения методов численного моделирования, среди которых наиболее эффективным является метод конечных элементов, требующий применения вычислительной техники. Поэтому при использовании метода конечных элементов применяют системы автоматизирован-

ного проектирования (САПР).

Эти САПР можно разделить на универсальные и специализированные. Среди универсальных САПР можно выделить систему конечно-элементного анализа (СКЭА) ANSYS, позволяющую проводить динамический анализ механических конструкций и обеспечивать импорт-экспорт проектов с большинством известных систем инженерного конструирования. Однако применение СКЭА ANSYS требует значительных затрат времени на подготовку данных для расчета, что затрудняет ее использование. Кроме того, существующие системы конечно-элементного анализа в явном виде не предназначены для расчета конструкций с полимерными демпферами. В них предусмотрена только возможность учета зависимости упругих и демпфирующих свойств вибропоглощающих полимеров от температуры, а зависимость свойств этих материалов от частоты вибрации не учитывается.

Среди специализированных САПР в настоящее время наиболее известна «АСОНИКА-ТМ». Достоинства этой системы заключаются в учете взаимного влияния тепловых и механических факторов, в наличии единого виртуального макета изделия, импорта его из САПР печатных плат (ПП) и в возможности использования ребер жесткости в качестве виброзащиты ячеек; доступны расчеты как на гармоническое, так и на случайное вибрационное воздействие. Однако в данной САПР не предусмотрена возможность расчета виброзащиты конструкций ЭА на основе полимерных демпферов (ПД). В качестве математического аппарата используется метод конечных разностей, что снижает возможности использования программы.

Эти вопросы решены в «Комплексе программ анализа механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру» (далее - Комплекс программ), разработанном во Владимирском государственном университете, в котором реализовано проектирование основных способов виброзащиты, в том числе и с применением ПД, и который использует систему конечно-элементного анализа ANSYS в качестве вычислителя.

Этот Комплекс программ, используемый в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров, позволяет определять собственные частоты колебаний (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. Однако в этой САПР не предусмотрен расчет ячеек ЭА с демпфирующими вставками, не представлены инструменты для расчета конструкции на случайное вибрационное воздействие, не реализован полный цикл анализа проектируемой ЭА от создания ячейки в САПР печатных плат (P-CAD, Altium Designer и др.) до анализа на виброзащищенность в САПР ANSYS.

Поэтому, расширение функциональных возможностей Комплекса программ для автоматизации проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры сложной формы демпфирующими вставками является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков проектирования ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие задачи:

- проанализировать методы расчета динамических характеристик ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях;

- разработать пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях;

- интегрировать разработанную пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками с САПР печатных плат Altium Designer и Комплексом программ анализа механических воздействий на РЭА;

- создать алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- разработать методику создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками.

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Altium Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANSYS;

- разработан алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- разработана методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек при гармонической и случайной вибрациях с применением системы конечно-элементного анализа ANSYS.

Практическая значимость:

1. Разработана САПР ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками, которая позволяет:

- определять собственные частоты и амплитуды резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- оптимизировать параметры демпфирующих вставок в ячейках электронной аппаратуры сложных форм и креплений.

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

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты использованы при выполнении госбюджетной НИР №427/08 «Исследование методов защиты электронных средств от механических воздействий» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета. Результаты диссертационной работы используются в НПП «Дельта» г. Москва в научно-исследовательских работа* предприятия и в НПФ «Адгезив» г. Владимир для определения требований к динамическим характеристикам вибропоглощающих полиуретанов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2008 и 2009), «Инновационные технологии в проектировании и производстве» (Пенза, 2011), «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир-Суздаль, 2011); на II Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» (Муром, 2009) и семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2010611652. (заявка №2009616668, дата поступления 24.11.2009г., зарегистрировано 01.03.2010г.) и №2010615876. (заявка №2010615876, дата поступления 27.09.2010г., зарегистрировано 18.11.2010г.).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 научных работах, в том числе 2 статьи по специальности 05.13.12 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 184 страницы, в том числе: 106 страниц основного текста, иллюстрированных 61 рисунком и 10 таблицами, 11 страниц списка литературы, а также 11 приложений.

На защиту выносятся:

- структура САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Altium Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANSYS;

- алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, с формулированы 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, заключающиеся в широком диапазоне частот воздействующих вибраций (от 10 до 2000 Гц и выше), которые часто носят случайный характер, 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. Показывается, что для уменьшения амплитуд резонансных колебаний ячеек ЭА, работающих в широком диапазоне частот (до 2000 Гц), увеличение демпфирующих свойств является практически единственным способом обеспечения виброзащищенности.

Суть метода заключается в использование специальных элементов, выполненных из материалов с большим внутренним трением. Введение подобных элементов значительно увеличивает потери энергии колебаний ячеек, снижая амплитуды колебаний в области резонанса.

В качестве демпфирующего устройства могут применяться элементы, выполненные из различных вибропоглощающих материалов. Наиболее перспективными с учетом всех требований (технологических, эксплуатационных и т.д.), предъявляемым к материалам ЭА, являются полимерные материалы.

Полимерные демпферы могут исполняться в виде внешних и внутренних демпфирующих слоев, демпфирующих ребер, вставок и динамических гасителей колебаний с демпфированием.

Одним из наиболее эффективных способов уменьшения резонансных колебаний ячеек ЭА в широком диапазоне частот является применение полимерных

демпфирующих вставок (рис. 1). Они позволяют снизить амплитуды резонансных колебаний до приемлемого уровня часто без изменения конструкции и существенного увеличения массы, не ухудшая при

Рис. 1. Конструкция ячейки ЭА с ДВ: этом ремонтопригодность и

! - ГШ- 2 - ДВ' - ЭРЭ тепловые режимы ЭА. Не-

обходимым условием для установки ДВ является наличие параллельно расположенных элементов конструкций ячеек, стенок корпуса и т.д., - обладающих различными собственными частотами колебаний.

Принцип работы ДВ заключается в том, что при резонансах плоских элементов конструкции ДВ деформируется, что приводит к поглощению энергии колебаний, и, как следствие, к уменьшению амплитуд колебаний.

Для эффективного подавления резонансных колебаний необходимо применять не только полимеры с высокими демпфирующими свойствами, но и конструктивно обеспечивать оптимальные соотношения жесткостей ДВ и ячеек, что требует длительной экспериментальной отработки.

Преодолению этого препятствия способствует использование специализированных или универсальных САПР. В настоящее время применяются специализированные САПР виброзащищенных конструкций АСОНИКА, VibroDefence (Комплекс программ). Достоинства подсистемы «АСОНИКА-ТМ» 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 в качестве виброзащиты ячеек; доступны расчеты как на гармоническое, так и на случайное вибрационное воздействие.

К ограничениям данной подпрограммы можно отнести отсутствие обратной связи с САПР печатных плат для визуального отображения принятых конструкторских решений для повышения виброзащищенности ячейки ЭА. Также в данной САПР не представлены способы виброзащиты на основе ПД. В качестве математического аппарата используется метод конечных разностей, что снижает возможности использования подпрограммы «АСОНИКА-ТМ».

Частично эти вопросы решены в Комплексе программ, в котором возможно применение основных способов виброзащиты: частотная отстройка, применение ПД в виде ребер, внутренних и внешних слоев и виброизоляция.

К ограничениям Комплекса программ можно отнести отсутствие возможности расчета ячеек ЭА с демпфирующими вставками. Не представлены инструменты для расчета конструкции на случайное вибрационное воздействие, не реализован полный цикл анализа проектируемой ЭА от создания ячейки в САПР печатных плат (P-CAD, Altium Designer и др.) до анализа на виброзащищенность в САПР ANSYS.

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

Во второй главе выполняется математическое моделирование ячеек ЭА с демпфирующими вставками.

Исследуются особенности моделирования конструкций ЭА с демпфирующими вставками в системе КЭА ANSYS. Делается вывод, что для расчета конструкций ЭА с ДВ необходимо применять конечные элементы типа SOLID92, а демпфирование при гармонической вибрации вводить командой MP, DAMP для каждого элемента конструкции. Вводимые значения демпфирования должны рассчитываться по формуле (1)

где г| - коэффициент механических потерь (КМП) конструкции, (0 - циклическая частота, на которой проводится гармонический анализ.

Также разрабатывается алгоритм проектирования и оптимизации виброзащиты конструкций электронной аппаратуры демпфирующими вставками, блок-схема которого показана на рис. 2.

Основной задачей при применении ДВ является снижение АРК ячеек до допустимого уровня. Добиться этого, не изменяя массогабаритные характеристики ячеек, можно только изменяя жесткость демпфирующей вставки

к

*д я •

где £ - динамический модуль упругости (ДМУ) вибропоглощающего материала, 5 и Я - площадь и высота ДВ.

Часто необходимо добиться того, чтобы максимальный коэффициент передачи (КП) обеих ячеек снизился до одного уровня, т.е. необходимо найти такую жесткость вставки, при которой коэффициенты передачи jXj = р2 ■ Тогда в общем виде целевая функция примет вид: Гц, = /fcS, min \ц2 = /(ß, S, Я)-» min При этом должны выполняться ограничения:

V, =м2;

^min - Е - Ещах > "^rnin S 5 < ;

тах'

Поиск оптимального значения перечисленных факторов может быть произведен простым приращением величины или любым методом одномерной оптимизации: дихотомического деления, золотого сечения, чисел Фибоначчи, полиномиальной аппроксимации, Гаусса-Зейделя и т.д...

Следует отметить, что характеристики полимеров удается экспериментально определить в частотном и температурном диапазонах с определенной степенью дискретизация. Из-за этого расчет параметров ДВ, носит рекуррентный характер и обычно осуществляется методом последовательного приближения на основе аналитических выражений или численного моделирования.

Согласно алгоритму, процесс проектирования начинается с задания геометрии и материалов всех элементов конструкции (блок 1 здесь и далее на рис. 2).

Здесь ЕуЛ[/,Т), г|у,(/,'/) - частотно- и температурно-зависимые ДМУ и КМП

материала ДВ № / соответственно (к - индекс ближайшего нижнего значения частоты относительно д, п - номер приближения).

Далее, исходя из сложности конструкции, выбирается способ ее расчета: аналитическими или численными методами. Прямоугольные ПП с типовыми способами крепления рассчитываются с помощью аналитических выражений, более сложные конструкции - в системе КЭА (2).

Расчет численным методом начинается с модального анализа (определения СЧК) всех ПП, входящих в конструкцию (4), с последующим нахождением минимального значения из них - СЧК конструкции в первом приближении $.

Начало

Ввод геометрии и материала плат, ввод геометрии и материала ДВ

Модальный анализ ПГ1

Расчет ДМУ

" А7* + (

(д..,

Модальный анализ

конструкции (/"')

Расчет КМП

х

Расчет ДМУ

(/,■.»„-д.)

Нахождение СЧК

Расчет КМП

Задание входного воздействия

Рис. 2. Блок-схема алгоритма проектирования и оптимизации виброзащиты конструкций электронной аппаратуры демпфирующими вставками

При вычислении по аналитическим формулам возможно произвольное задание СЧК первого приближения, т.к. время расчета практически не изменится, а конечная СЧК при любой базовой будет той же. Блоки 5-8 и 16-19 реализуют рекуррентное вычисление СЧК конструкции с последующей корректировкой динамического модуля упругости до тех пор, пока расхождение между двумя соседними значениями частот не станет меньше требуемой точности. Найденные значения СЧК также необходимы для учета частотно-зависимых демпфирующих свойств конструкции (9 и 20).

В блоках 10 и 21 происходит выбор внешнего вибрационного воздействия: гармоническое и случайное. При широкополосной случайной вибрации необходимо задать форму вибрационного воздействия (блоки 11 и 22).

Гармонический анализ и анализ на случайную вибрацию конструкции ЭА предполагает нахождение коэффициентов передачи виброускорения всех ПП (Ц)-2 в блоках 12 и 23). Окончательно ЭА считается виброзащищенной, когда действующее виброускорение всех точек и элементов конструкции не превышает допустимое значение, определяемое ТУ ЭРЭ и используемых материалов.

Данный алгоритм реализует анализ конструкций с ДВ во всем заданном температурном диапазоне с шагом ДГ(3 и 14). После превышения конечной температуры Тк, если нет необходимости в оптимизации параметров ДВ (25), происходит вывод амплитудно-частотных характеристик каждой ПП (34).

В случае недопустимо высокого отклика конструкции на внешнее вибрационное воздействие алгоритмом предусматривается возможность оптимизации параметров ДВ (26-33), которая сводится к нахождению оптимальных значений £оР1. ¿'„р. и Н0р, (27-33). После каждого шага итерации (27, 29, 31) выполняются блоки 5-13 или 16-24 в зависимости от сложности конструкции. В случае нахождения оптимальных параметров ДВ происходит их вывод (33), в противном случае необходимо изменить функциональные и/или прямые ограничения оптимизации или параметры конструкции.

Представленный алгоритм позволяет быстро и эффективно применять ДВ для повышения виброзащищенности ячеек ЭА, что значительно сокращает время разработки новых изделий и уменьшает объем их экспериментальной отработки.

В данной главе также разрабатывается методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками. Аналитические выражения позволяют проводить расчет конструкций ЭА практически мгновенно, поэтому возможно задействовать оптимизационные механизмы при проектировании конструкций ЭА с минимальными временными затратами. Однако существующие математические модели в полной мере не могут адекватно описать современные конструкции ячеек сложной формы и типами креплений, для которых трудно определить граничные условия.

Методика создания регрессионных моделей конструкций ЭА сложных форм и креплений с ДВ для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек с применением СКЭА АК8У5 заключается в следующем:

1. Разработка макроса расчета проведения полного факторного эксперимента в СКЭА ЛЫБУБ;

2. Запуск макроса с помощью разработанного приложения на расчет;

3. Заполнение матрицы планирования эксперимента и построение регрес-

сионной модели;

4. Обработка полученной модели одним из методов регрессионного анализа.

Выполнение первого этапа требует написания на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language) макроса расчета, структура которого приведена на рис. 4. Один из блоков структурной схемы - блок анализа конструкции. В представленном ранее алгоритме проектирования конструкций ЭА сложной формы с ДВ (блоки 1-13) подробно описаны шаги анализа как при гармоническом, так и при случайном вибрационном воздействии.

Второй этап - запуск разработанного макроса на расчет с помощью разработанной программы. Возможен запуск макроса напрямую, вводом его в командную строку САПР ANSYS. Однако это увеличит время расчета примерно на 1520 %. Применение разработанной программы позволяет получать доступ непосредственно к математическому ядру СКЭА ANSYS, при этом не задействуй ее графическую составляющую.

Третий и четвертый этапы являются стандартными. В качестве примера нахождения регрессионных моделей по данной методике рассматривается двух-платная конструкция с демпфирующей вставкой в центре ПП с четырехточечным креплением по углам. В центре каждой ПП установлен вибродатчик, необходимый для проверки адекватности полученных по предлагаемой методике математических моделей. Матрица планирования полного факторного эксперимента составила З2-22'44.

Ниже представлены математические модели расчета СЧК ПП с ДВ (формулы 2, 3), а также коэффициента передачи в центре ПП (формулы 4, 5):

• СЧК первой платы

/01 = К, (а)К2 (,Ь)К, (адв )КЛ {San )KS {е дв/> (2)

где /Г, (й) = 15,056 а2 -9,507 а + 1,7905, К2 (Ь) = 10,041 Ъ2 -8,1026 ¿> + 1,5613 , К3 (лда) = 40747 И*№ + 2595,6 h2№ -48,449 /гдв +1,2718, {•5'дв)= 2 10" в -4-Ю7 S2№ +4680,95дв +0,8467, ^5(яда)=6-10-21 Е3т-3-Ю-'4 Е2№ +8-10"8 £да +0,893.

• СЧК второй платы

/02 = К, {а)Кг (iЬ)Кг (Ада )КЛ (5ДВ )къ [Е дв) > (3)

где ^(а) = 25,446а2 -16,068а + 3,0261 ,

К2 (b) = 15,909 Ь2 -9,822 b +1,6759 ,

ЛГ3(ЛДВ) = -54564hym +3767,1 h^ -76,312h№ +1,463,

АГ4(5дв)=3-10и Slm -8-Ю7 +7811,9^ +0,7483,

^5(£,дв)=-3-Ю-21 £дВ +М0"14 £дВ +610-8 £дв +0,9322 .

- и -

• КП в центре первой платы на резонансной частоте /01

ц, = К,(Лдв К2 {S№Кз{Е№ У,(пдв К5(П, Кб(<Ъ) . (4)

где Кх(Ада) =791854 йдВ +22083 + 253,42 йдв +0,1893, K2(s№)=i-\0i2 5дВ -2-Ю8 S^ -1472.5 5да+1,6448 , Кз(Ядв) = -7-Ю-" £дВ +3-10-" £дВ - 5-Ю"6 £дв +3,6378 , К4(чдв)= -0,6181 г)дВ +2,0398ПдВ -2,7367 г|дв + 2,1578 А:5(гц)=-10,398 п,+1,7658 ,AT6(ti2)= 0,197 ц2 +0,9901.

• КП в центре второй платы на резонансной частоте /02

р2 = к, (адв )к2 (sm (£дц )к4(пдц ]к5(щ (г,,), (5)

где А:, (йда) = - 264578 Адв +12643 -194,79 йдв +1,9617 , К2(5дв)=Ы0" 5дВ -2107 5дВ +404,19 5'дв +0,9964 , А:3{£дв) = -110"19 £дВ +6 Ю-'3 £дВ -710"7 £дв +1,2781 , ^4(т1дв)= -0,4121 пда+1,4287 пда-2,0551 пда+1.9053 , /С5(п,)= -1,6684 п, +1,0132 , К6(п2) = -8,2617 ц2 + 1,413.

Погрешность расчета по данным моделям в сравнении с экспериментом не превышает 15% при следующих ограничениях: длина первой и второй ячейки а от 0,1 до 0,2 м, ширина первой и второй ячейки b от 0,1 до 0,2 м, модуль упругости ДВ Яда от 510s до 1610s Па,высотаДВ Адв от 10 до 20 мм, площадь ДВ 5дв от 25 до 121 мм2, коэффициент механических потерь первой ячейки Hi и второй ячейки г|2 от 0,03 до 0,07, коэффициент механических потерь ДВ Пдв от

0,6 до 0,9. Крепление обеих ячеек - четырехточечное по углам.

Третья глава посвящена исследованию и разработке программных модулей для автоматизации проектирования виброзащищенных ячеек ЭА.

Исследованы особенности моделирования конструкций ЭА с ДВ при случайном вибрационном воздействии в СКЭА ANSYS. Результаты исследования показали, что демпфирующие свойства необходимо задавать командой MDAMP, где в качестве вводимого параметра используется коэффициент модального демпфирования. Данный коэффициент находится по ширине резонансной кривой (для каждой моды) на уровне 0,707 после проведения гармонического анализа.

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

Для обеспечения такого процесса проектирования была исследована

структура выходных файлов САПР Altium Designer и P-CAD. На основании этого исследования был разработан алгоритм считывания и перезаписи выходных файлов САПР ПП, который был реализован программно и внедрен в Комплекс программ (рис. 3).

Основой модернизированной программы являются: макрос расчета на алгоритмическом языке APDL и пре- и постпроцессорная среда, состоящая из препроцессора, графического интерфейса и постпроцессора. Препроцессор организует ввод данных о конструкции как непосредственно синтезом модели, используя функциональные возможности графического интерфейса, так и считыванием выходного файла САПР печатных плат Altium Designer (файл формата *.pcb в ASCII коде). Если в качестве виброзащиты ячеек применяются ДВ, то имеется возможность ввода второй ячейки из САПР Altium Designer. Материал каждого элемента конструкции выбирается из пополняемой базы данных материалов.

Рис. 3. Структурная схема САПР виброзащиты ячеек ЭА

После построения модели расчета и задания материалов файл-макрос расчета при помощи препроцессора получает доступ к математическому ядру СКЭА АШУБ. Структура макроса приведена на рис. 4.

В первом макро-блоке происходит ввод начальных данных, а именно: выбирается тип КЭ (блок 1 здесь и далее), для которого создаются модели материалов (2), вводятся габаритные размеры каждого элемента конструкции и координаты местонахождения данного элемента (3), вводятся модели крепления ячейки (4). Модель может соответствовать жесткому защемлению, свободному опира-нию, свободному краю или точечному креплению (в данном случае вводятся координаты отверстий и их диаметр). Если конструкция двухъячеечная с ДВ, то для второй ячейки также вводятся модели креплений (4).

Построение 31) модели

л

-ч 6-

Построение 30 Построение ЗО

модели 1-ой модели 2-ой

ячейки ячейки

Построение

всей модели демпфирую-

щих вставок

Задание материалов и креплений

Присвоение соответствующей модели материалов

каждому структурному элементу

Разбиение модели на КЭ

. 11 -

Присвоение моделей крепления ячейке (ячейкам)

Рис. 4. Структурная схема макроса расчета

Во втором макро-блоке происходит построение 31) модели конструкции, которая может состоять из одной ячейки (5), либо из двух ячеек с ДВ (5-7). Для учета взаимного влияния деформаций структурных элементов конструкции необходимо выполнить операцию склеивания всей конструкции (8). При наложении одного элемента на другой происходит взаимное вычитание объемов с учетом установленных приоритетов. Наивысший приоритет имеют ЭРЭ. Затем идут ребра жесткости и ДВ.

Третий макро-блок отвечает за задание материалов и креплений элементов конструкции. Элементы делятся на 4 типа: печатная плата, ЭРЭ, ребра жесткости и демпфирующие вставки. Каждому элементу присваивается модель из блока 2 (9). Модели материалов для первой и второй ячейки могут быть заданы разные. После это происходит разбиение модели на конечные элементы (10), размеры которых задаются в графическом интерфейсе. В блоке 11 модели крепления (из блока 4) совмещаются с ячейкой с последующим ограничением степеней свободы сторон ячеек (в случае крепления по сторонам), либо точек в плоскости соответствующей ячейки (в случае точечного крепления).

Затем, 30 модель, разбитая на конечные элементы, с заданными материалами и креплением подвергается модальному анализу (12). Полученные данные используются при гармоническом (13) или спектральном (14) анализе. Вид анализа выбирается в графическом интерфейсе. Для каждого типа анализа необходимо задать демпфирующие свойства каждого структурного элемента. Полученные после анализа данные сохраняются в текстовых файлах. Постпроцессор считывает эти файлы и отображает их в графическом интерфейсе в виде полей рас-

пределения амплитуд виброперемещений для каждой собственной частоты для каждой ячейки. При наличии демпфирующих вставок для удобства представления формы колебаний приводятся изометрические схемы конструкции в виде снимка из САПР ANSYS для каждой собственной частоты.

После расчета конструкции на вибрационное воздействие и анализа полученных данных можно добавить, удалить или переместить элементы виброзащиты и ЭРЭ. Если ячейки были считаны из САПР Altium Designer (или P-CAD), то можно сохранить внесенные изменения в новом файле. После этого можно начинать новый цикл расчетов.

В результате модернизированный Комплекс программ позволяет проводить полный цикл анализа проектируемой ЭА от создания ячейки в САПР печатных плат (P-CAD, Altium Designer и др.) до анализа на виброзащищенность в СКЭА ANSYS. Программная реализация графической оболочки произведена на языке Delphi с использованием среды разработки программного обеспечения Borland Development Studio 2006, макрос расчета составлен на функциональном языке APDL (ANSYS версий 8.0, 8.1,10.0,11.0).

В четвертой главе рассматриваются примеры проектирования виброза-щищенных ячеек ЭА с помощью разработанных модулей для Комплекса программ. Оценивается адекватность полученных математических выражений. С помощью разработанного алгоритма проектирования и оптимизации анализируются двухъячеечные конструкции, для которых предлагаются оптимальные при гармонической и случайной вибрации параметры демпфирующих вставок.

Динамические характеристики (СЧК и АРК) исследуемых конструкций определяются методом резонансных колебаний при воздействии гармонической и случайной вибраций на экспериментальной установке, состоящей из вибростенда IMV VS-600/SA1M (стойка управления, электродинамический вибратор и компрессор), испытываемой конструкции в приспособлении на вибростоле, пье-зодатчиков контроля и системы управления.

Анализ полученных результатов показал, что разработанные математические модели по предложенной во второй главе методике создания регрессионных моделей адекватны с доверительной вероятностью 95 %, а результаты опытов воспроизводимы. Адекватность оценивалась по F-критерию Фишера, воспроизводимость - по G-критерию Кохрена,

Тестирование алгоритма проектирования и оптимизации конструкций ЭА с ДВ производилось на двухъячеечной конструкции с демпфирующей вставкой, эксплуатирующейся в диапазоне гармонических и случайных вибраций с верхней границей 1000 Гц. Амплитуда виброускорения при гармонической вибрации составляла 1 g; спектральная плотность ускорения при случайной вибрации - 0,001 g2/Tu во всем частотном диапазоне. Параметры демпфирующего материала определялись методом резонансных колебаний.

По результатам моделирования согласно разработанному алгоритму (рис. 2) были определены оптимальные параметры ДВ при гармонической и случайной вибрациях. Установкой оптимальной демпфирующей вставки размером 20x20x20 мм при гармонической вибрации в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц удалось добиться снижения коэффициента передачи ячейки толщиной 0,8 мм до 7,5, а 1,5 мм - до 5,8.

При случайной вибрации в диапазоне частот от 50 до 1 ООО Гц после установки оптимальной ДВ размером 25x25x15 мм максимальный коэффициент передачи ячейки толщиной 0,8 мм снизился до 6,2, а 1,5 мм - до 8,3 (рис. 5, 6).

Рис. 5. Экспериментальная спектрограмма конструкции в центре ячейки толщиной 0,8 мм: 1 - без ДВ; 2-е оптимальной ДВ

Рис. 6. Экспериментальная спектрограмма конструкции в центре ячейки толщиной 1,5 мм: 1 - без ДВ; 2-е оптимальной ДВ

До установки ДВ коэффициент передачи ячеек при гармонической вибрации составлял 43 и 75 для первой и второй ячейки соответственно, а при случайной - 46 и 67. Тестирование разработанных модулей для Комплекса программ показало, что ошибка расчета СЧК лежит в пределах 5-15% относительно эксперимента в зависимости от сложности конструкции, АРК - в пределах 5-20% в зависимости от точности нахождения и задания демпфирующих свойств всех элементов конструкции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Altium Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANSYS. На основе данной структурной схемы была программно реализована пре- и постпроцессорная среда для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях, которая позволяет:

- определять собственные частоты и амплитуды резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- оптимизировать параметры демпфирующих вставок в ячейках электронной аппаратуры сложных форм и креплений.

2. Разработан алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях. Алгоритм позволяет проанализировать и максимально уменьшить амплитуды резонансных колебаний, не увеличивая массу и габариты конструкций, и сократить сроки проектирования виброзащиты за счет автоматизации подготовки данных для расчета.

3. Разработана методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек при гармонической и случайной вибрациях с применением системы конечно-элементного анализа ANSYS.

Результаты диссертационной работы используются в НПФ «Адгезив» г. Владимир для определения требований к динамическим характеристикам виб-ропоглощающих полиуретанов, в НПП «Дельта» г. Москва в научно-исследовательских работах предприятия, а также учебном процессе кафедры КТРЭС Владимирского государственного университета.

В общем, использование разработанных программных модулей, интегрированных с Комплексом программ анализа механических воздействий на РЭА, позволяет сократить сроки проектирования виброзащищенных ячеек ЭА примерно в 2-3 раза по сравнению с проектированием в универсальной САПР за счет применения специализированного интерфейса и автоматизации части вычислений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Инструментальная среда ANSYS для проектирования ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология электронных средств». - 2009. - №4. - 4с. (соискатель - 50%).

2. Кузнецов Е.С. Особенности расчета ячеек электронной аппаратуры в САПР ANSYS при случайном вибрационном воздействии // Всероссийский НТЖ

«Проектирование и технология электронных средств». - 2010. - №2. - Зс.

Публикации в остальных изданиях:

3. Кузнецов Е.С., Шумарин C.B. Интеграция P-CAD с программой проектирования виброзащиты // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Международная научно-практическая конференция. - Новочеркасск, 2008. (соискатель - 50%).

4. Кузнецов Е.С. Интеграция программы САПР P-CAD с V1BRODEF И Материалы студенческой научной конференции. - Владимир, 2008.

5. Кузнецов Е.С. Разработка программного модуля для автоматического считывания данных о печатной плате из САПР P-CAD и Altium Designer// Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Международная научно-практическая конференция. - Новочеркасск, 2009.

6. Кузнецов Е.С., Шумарин C.B. Расчет виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России: Л Всероссийская межвузовая научная конференция. - Муром, 2009. (соискатель -50%).

7. Кузнецов Е.С. Алгоритм проектирования и оптимизации виброзащиты электронной аппаратуры демпфирующими вставками // Инновационные технологии в проектировании и производстве: Международная заочная конференция молодых ученых, специалистов и студентов. - Пенза, 2011.

8. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H. Оценка эффективности виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими вставками при случайном вибрационном воздействии // Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ-2011: IX Международная научная конференция. - Владимир-Суздаль, 2011. (соискатель - 50%).

Зарегистрированные программы для ЭВМ:

9. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программа проведения модального и гармонического анализов печатных плат произвольных форм и креплений // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010611652,01.03.2010. (соискатель - 30%).

10. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программа проектирования виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими вставками // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010615876, 18.11.2010. (соискатель - 30%).

Подписано в печать 23.06.11 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 126-2011 г. Издательство Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Введение.

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

1.1. Способы защиты ЭА от воздействия вибрации.

1.1.1. Воздействие вибрации на конструкции ЭА.

1.1.2. Способы виброзащиты ЭА.

1.1.3. Вибрационный анализ ячеек ЭА.

1.2. Анализ методов расчета колебаний ячеек с демпфирующими вставками.

1.3. Системы автоматизированного проектирования виброзащиты электронной аппаратуры.

1.3.1. Универсальные САПР.

1.3.2. Специализированные САПР.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Математическое моделирование ячеек ЭА с демпфирующими вставками (ДВ).

2.1 Исследование особенностей моделирования конструкций ЭА с ДВ в системе конечно-элементного анализа (СКЭА) ANS YS.

2.2 Разработка алгоритма проектирования и оптимизации конструкций ЭА с ДВ.

2.2.1 Применение ДВ.

2.2.2 Критерии оптимальности конструкций ЭА с ДВ

2.2.3 Алгоритм проектирования и оптимизации.

2.3 Методика создания регрессионных моделей конструкций ЭА с ДВ для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек с применением СКЭА ANS YS

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование и разработка программных модулей для автоматизации проектирования виброзащищенных ячеек ЭА.

3.1. Интеграция Комплекса программ анализа механических воздействий на радиоэлектронную аппаратуру и программы проектирования печатных плат Altium Designer.

3.1.1 Структура выходного файла САПР Altium Designer.

3.1.2 Разработка алгоритма считывания и перезаписи выходного фала САПР Altium Designer.

3.2 Разработка макроса расчета сложных конструкций ЭА с

ДВ при гармонической и случайной вибрациях.

3.2.1 Разработка структуры макроса.

3.2.2 Особенности разработанного макроса при расчете конструкций ЭА в САПР ANS YS на случайное вибрационное воздействие.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

4.1 Методика экспериментальных исследований.

4.2 Проверка адекватности математических моделей.

4.3 Тестирование разработанных модулей для Комплекса программ.

4.3.1 При гармонической вибрации.

4.3.2 При случайной вибрации.

Выводы к главе 4.

Многие виды электронной аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах, в период эксплуатации подвергаются дестабилизирующим механическим воздействиям - ударам, вибрациям, линейным перегрузкам, акустическим шумам.

Для аппаратуры ракетной и авиакосмической техники, а также некоторых видов наземных транспортных средств, характерно воздействие широкополосной вибрации. Максимальная частота воздействующей вибрации может достигать 2000 Гц, что приводит к возникновению резонансных колебаний ячеек ЭА - электромонтажных плат с установленными на них электрорадиоэлементами (ЭРЭ). Это приводит к увеличению амплитуд колебаний в десятки раз и значительному увеличению интенсивности отказов ЭА за счет механических разрушений и искажений параметров электрических сигналов [26, 28, 29]. Поэтому устранение резонансных колебаний ячеек и других элементов конструкций ЭА или снижение их до допустимого уровня составляют одну из важнейших задач при проектировании многих видов ЭА [6, 8, 26, 41].

Исследования в области виброзащиты аппаратуры проводились в России В.Н. Челомеем, М.З. Коловским, B.C. Ильинским, E.H. Маквецовым, E.H. Талицким, A.M. Тартаковским, H.H. Абжирко, Э.Б. Слободником, Ю.Н. Кофановым, А.Н. Чекановым, Ю.А. Суровцевым и другими авторами. В США, Германии, Японии и других странах наиболее известны работы J.E. Ruzichka, D.S. Steinberg, A.D. Nashif, E.M. Kerwin и других.

Обычно задачи уменьшения амплитуд резонансных колебаний (АРК) решаются частотной отстройкой или увеличением демпфирующих свойств ячеек [7, 8, 11, 25]. Однако полное устранение резонансных колебаний частотной отстройкой при воздействии вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц практически невозможно. Полная заливка ячеек ЭА полимерными компаундами, которая могла бы решить эту задачу, приводит к увеличению массы свойств вибропоглощающих полимеров от температуры, а зависимость свойств этих материалов от частоты вибрации не учитывается.

Среди специализированных САПР в настоящее время наиболее известна «АСОНИКА-ТМ» [13]. Достоинства этой системы заключаются в учете взаимного влияния тепловых и механических факторов [50], в наличии единого виртуального макета изделия, импорта его из САПР печатных плат и в возможности использования ребер жесткости в качестве виброзащиты ячеек; доступны расчеты как на гармоническое, так и на случайное вибрационное воздействие [13, 49, 50]. Однако в данной САПР не предусмотрена возможность расчета виброзащиты конструкций ЭА на основе полимерных демпферов (ПД). В качестве математического аппарата используется метод конечных разностей, что снижает возможности использования программы.

Эти вопросы решены в «Комплексе программ анализа механических воздействий на РЭА» (далее - Комплекс программ), разработанном во Владимирском государственном университете, в котором реализовано проектирование основных способов виброзащиты, в том числе и с применением ПД, и который использует СКЭА ANS YS в качестве вычислителя [19-23].

Этот Комплекс программ, используемый в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров (Приложение 3), позволяет определять собственные частоты колебаний (СЧК) и амплитуды резонансных колебаний, разрабатывать конструкции с ребрами жесткости [47] и полимерными демпферами в виде внутренних и внешних слоев и демпфирующих ребер, оптимизировать конструкции методом частотной отстройки. Однако в этом Комплексе не предусмотрен расчет ячеек ЭА с демпфирующими вставками, не представлены инструменты для расчета конструкции на случайное вибрационное воздействие, не реализован полный цикл анализа проектируемой ЭА от создания ячейки в САПР печатных плат (P-CAD, Altium Designer и др.) до анализа на виброзащищенность в САПР ANSYS.

Поэтому расширение функциональных возможностей Комплекса программ для автоматизации проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры сложной формы демпфирующими вставками является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является сокращение сроков проектирования ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие задачи:

1. Проанализировать методы расчета динамических характеристик ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях (п. 1.2, с.22-28);

2. Разработать пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях (п.3.2, с.70-83);

3. Интегрировать разработанную пре- и постпроцессорную среду для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками с САПР печатных плат Altium Designer и Комплексом программ анализа механических воздействий на РЭА (п.3.1, с.57-70);

4. Создать алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях (п.2.2, с.45-52);

5. Разработать методику создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками (п.2.3, с.52-56).

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Althirn Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANS YS;

- разработан алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- разработана методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек при гармонической и случайной вибрациях с применением системы конечно-элементного анализа ANSYS.

Практическая значимость:

1. Разработана САПР ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками, которая позволяет:

- определять собственные частоты и амплитуды резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях;

- оптимизировать параметры демпфирующих вставок в ячейках электронной аппаратуры сложных форм и креплений.

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

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты использованы при выполнении госбюджетной НИР №427/08 «Исследование методов защиты электронных средств от механических воздействий» и применяются в учебном процессе кафедры «Конструи9 рование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета. Результаты диссертационной работы используются в НПП «Дельта» г. Москва в научно-исследовательских работах предприятия и в НПФ «Адгезив» г. Владимир для определения требований к динамическим характеристикам вибропоглощающих полиуретанов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на международных научных конференциях: «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2008 и 2009), «Инновационные технологии в проектировании и производстве» (Пенза, 2011), «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир-Суздаль, 2011); на II Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» (Муром, 2009) и семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2010611652. (заявка №2009616668, дата поступления 24.11.2009г., зарегистрировано 01.03.2010г.) и №2010615876. (заявка №2010615876, дата поступления 27.09.2010г., зарегистрировано 18.11.2010г.).

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи по специальности 05.13.12 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 184 страницы, в том числе: 106 страниц основного текста, иллюстрированных 61 рисунком и 10 таблицами, 11 страниц списка литературы, а также 11 приложений.

Выводы к главе 4

1. Обработка экспериментальных исследований с помощью критерия Фишера подтвердили гипотезы об адекватности разработанных моделей расчета собственных частот колебаний и амплитуд резонансных колебаний конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками с четырехточечным креплением по углам ячеек, т.е. предложенную в главе 2 п. 2.3 методику создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек с применением системы конечно-элементного анализа можно считать приемлемой.

2. Разработанные модули для Комплекса программ с высокой степенью достоверности позволяют определять динамические характеристики ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях. Расхождение результатов расчета с экспериментальными значениями не превышает 15%.

3. Использование алгоритма проектирования и оптимизации конструкций с демпфирующими вставками позволило рационально уменьшить амплитуды резонансных колебаний рассматриваемых опытных ячеек электронной аппаратуры, при этом, используя разработанный алгоритм в интерактивном режиме с Комплексом программ, удалось сократить затраченное время на проектирование в среднем в 2-3 раза по сравнению с использованием системы конечно-элементного анализа А^УБ в чистом виде за счет автоматизации подготовки данных для расчета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы:

1. Разработана структурная схема САПР виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками на основе интеграции программы проектирования печатных плат Altium Designer, Комплекса программ анализа механических воздействий на РЭА и системы конечно-элементного анализа ANSYS. На основе данной структурной схемы была программно реализована и протестирована пре- и постпроцессорная среда для расчета ячеек электронной аппаратуры сложной формы с демпфирующими вставками при гармонической и случайной вибрациях, которая на основе интеграции с Комплексом программ позволяет:

- определять собственные частоты колебаний и амплитуды резонансных колебаний конструкций при гармонической и случайной вибрациях;

- автоматически считывать выходные файлы САПР печатных плат Altium Designer и P-CAD;

- разрабатывать конструкции с демпфирующими вставками на основе считанных ячеек из САПР Altium Designer и P-CAD;

- оптимизировать параметры демпфирующих вставок.

Программная реализация графической оболочки произведена на языке

Delphi с использованием среды разработки программного обеспечения Borland Development Studio 2006, макрос расчета составлен на функциональном языке APDL (ANSYS версий 8.0, 8.1, 10.0, 11.0).

2. Разработан алгоритм оптимизации параметров демпфирующих вставок, обеспечивающий максимальное уменьшение резонансных колебаний при гармонической и случайной вибрациях. Алгоритм позволяет проанализировать и максимально уменьшить амплитуды резонансных колебаний, не увеличивая массу и габариты конструкций, и сократить сроки проектирования виброзащиты за счет автоматизации подготовки данных для расчета.

3. Разработана методика создания регрессионных моделей конструкций электронной аппаратуры с демпфирующими вставками для расчета собственных частот и амплитуд резонансных колебаний ячеек при гармонической и случайной вибрациях с применением системы конечно-элементного анализа ANS YS.

Комплекс программ анализа механических воздействий на РЭА внедрен в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров, а также в учебный процесс кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета (Приложение 4). Результаты диссертационной работы используются в НПП «Дельта» г. Москва в научно-исследовательских работах предприятия (Приложение 5) и в НПФ «Адгезив» г. Владимир для определения требований к динамическим характеристикам вибропоглощающих полиуретанов (Приложение 6).

На основании нескольких десятков спроектированных виброзащищен-ных ячеек, представленных в диссертации и используемых при выполнении г/б НИР, а также при подготовке материалов научных работ, сделан общий вывод, что использование внедренных в Комплекс программ разработанных модулей позволяет сократить сроки проектирования виброзащищенных ячеек электронной аппаратуры 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. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний: Пер с англ. М: Мир, 1988. - 488 с.

3. Jones D.I.G. Damping of structures by viscoelastic links // Shock vib. Bull. 1967. - vol. 36. - № 25. - p. 9-24.

4. Виброзащита электронной аппаратуры полимерными компаундами / Ю.В.Зеленев, A.A. Кирилин, Э.Б.Слободник, Е.Н.Талицкий; под. Ред. Ю.В.Зеленева. М.: Радио и связь, 1984. 120с.

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

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

7. Токарев М. Ф., Талицкий Е. Н., Фролов В. А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: учеб. пособие для вузов, под ред. В. А. Фролова. М.: Радио и связь, 1984. 224 с.

8. Талицкий Е. Н. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры : учеб. пособие в 3 ч., изд. ВлГУ, 2004-2006.

9. ГОСТ PB 20.39.304-98 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.

10. ГОСТ PB 20.57.305-98 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие механических факторов.

11. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: учеб. пособие для вузов / Н. И. Каленкович, Е. П. Фастовец, Ю. В. Шамгин.

12. Мн.: Выш. Шк., 1989,- 224 с.

13. Ильинский В. С. Защита РЭА и прецензионного оборудования от динамический воздействий. М.: Радио и связь, 1982-296с.

14. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных электронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1 /

15. A.C. Шалумов, Н.В. Малютин, Ю.Н. Кофанов, Д.А. Способ, В.В. Жданов,

16. B.Н. Носков, A.C. Вяченко; под ред. Ю.Н. Кофанова, A.C. Шалумова, Н.В. Малютина. М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.

17. Кунву Ли. Основы САПР / Ли Кунву.-С.-П. Литер, 2004,- 560 с.

18. Талицкий E.H. Виброзащита РЭС полимерными демпферами: Учеб. пособие. Владимир: Влад. Политех. Институт, 1993. - 86с.

19. Талицкий E.H. Моделирование виброустойчивых конструкции РЭА с полимерным демпфером. Вопросы радиоэлектроники, сер. ТПО, 1988, вып.2, С. 34-37.

20. Варакин A.A. Исследование и разработка радиотехнических устройств с демпфирующими вставками : дис. . канд. техн. наук. Владимир, 2005.

21. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Инструментальная среда ANSYS для проектирования ячеек электронной аппаратуры с демпфирующими вставками // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология электронных средств». 2009. - №4. - 4с.

22. Шумарин C.B., Кузнецов Е.С. Интеграция P-CAD с программой проектирования виброзащиты // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Международная научно-практическая конференция. Новочеркасск, 2008.

23. Копылов И.А., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программный комплекс проектирования виброустойчивых электронных модулей // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611814, 25.07.2005.

24. Ухин В.А., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программа оптимизации виброзащиты ЭА методом частотной отстройки // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007610745, 25.05.2007.

25. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программа проведения модального и гармонического анализов печатных плат произвольных форм и креплений // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010611652, 01.03.2010.

26. Кузнецов Е.С., Талицкий E.H., Шумарин C.B. Программа проектирования виброзащиты ячеек радиотехнических устройств демпфирующими вставками // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010615876, 18.11.2010.

27. Фролов В. А. Механические воздействия и защита электронной аппаратуры. Киев: Высшая школа, 1979. - 128с.

28. Steinberg D.S. Vibrations analysis for electronic equipment — New York, 2000,-43 lp.

29. David Jones. Handbook of viscoelastic vibration damping. John Wiley and Sons Ltd. UK., 2001. -41 Op.

30. Бабаков И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. M. Наука, 1969.

31. Прочность, устойчивость, колебания: справ.: в 3 т. под ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968.

32. Басов К. A. ANS YS в примерах и задачах, под общ. ред. Д.Г. Крас-ковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

33. Resonant Beam/Tuned Damper: Patent № 731340 US, F16Î7/08/ Nashif,1091. A. D. (US). 1971-7c.

34. Jones D.I.G., Nashif A.D., 1/LT Brims, G.H. Development of a tuned damper to reduce vibration damage in an aircraft radar antenna / Technical report № AFML-TR-67-307, Ohio, 1967 70p.

35. Ruzicka J.E., Derby T.F., Schubert D.W. Damping of structural composites with viscoelastic shear-damping mechanisms / NASA Contractor report CR-742, Washington, 1967 183p.

36. Derby T.F., Ruzicka J.E. Loss factor and resonant frequency of viscoelastic shear-damped structural composites / NASA Contractor report CR-1269, Washington, 1969-222p.

37. Syring R. P. Optimum tuned dampers for randomly excited dynamic systems / Technical report № AFML-TR-67-217, Ohio, 1967 57p.

38. Cai C., Zheng H., Khan M. S., Hung К. C. Modeling of Material Damping Properties in ANSYS / Defense Systems Division, Institute of High Performance Computing 89C Science Park Drive, Singapore Science Park I, Singapore 118261,2002.

39. Шумарин С.В. Автоматизация проектирования виброзащиты ячеек электронной аппаратуры : дис. . канд. техн. наук. Владимир, 2009.

40. Кузнецов Е.С. Особенности расчета ячеек электронной аппаратуры в САПР ANSYS при случайном вибрационном воздействии // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология электронных средств». 2010. - №2. -Зс.

41. Разработка и исследование методов повышения вибропрочности конструкций приборов РЭА: Отчет о НИР (заключительный) / Владим. политехи. ин-т. N ГР 01890037469; Инв. N 02910017471.-Владимир, 1990. - 115с.

42. Исследование высоко демпфированных полимеров и конструкций для повышения вибро- и удароустойчивости изделий. Отчет о НИР (заключительный) / Владимирский политехнический институт. № ГР 01850044208; Инв. № 02860008919. - Владимир, 1985. - 64 с.

43. Маквецов E.H., Тартаковский A.M. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры: учеб. для вузов. М.: Радио и связь, 1993.-200 с.

44. Варакин A.A., Талицкий E.H. Исследование конструкций ячеек радиотехнических устройств демпфирующими вставками // Всероссийский НТЖ «Проектирование и технология электронных средств». 2002. - №4. -Зс.

45. Способ определения приведенных параметров механических систем: Патент №2006717 РФ, F16F15/22/ Долгов Г.Ф., Талицкий E.H. (РФ). -4с.

46. Ухин В.А. Автоматизация проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки : дис. . канд. техн. наук. Владимир, 2007.

47. 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.

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

49. Woodrow Т. A. Modeling of the JCAA/JG-PP Lead-Free Solder Project Vibration Test Data / Global Conference on Lead Free Reliability & Reliability Testing, Boston, MA, 2007 24p.

50. Ruzicka J.E., Derby. Loss factor and resonant frequency of viscoelastic shear-damped structural composites / NASA Contractor report CR-1269, Washington, 1969-222p.

51. Ross D., Ungar E.E., Kerwin E. M. Damping of Plate Flexural Vibrations by Means of Viscoelastic Laminaes / Structural Damping, edited by J.E. Ruzicka, ASME- 1959.

52. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

53. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования / Ю.Х. Вермишев. М.: Радио и связь. - 1988.

54. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука. 1979.-336с.

55. Случайные колебания: Пер. с англ. / Под Ред. А.А. Первозванцева. -М.: Мир, 1967.-356с.

56. Радиоэлектронное оборудование / В.А. Болдин, Г.И. Горгонов, В.Д. Коновалов и др.; (Боевая авиационная техника) М.: Воениздат, 1990. - 288с.

57. Технические основы эффективности ракетных систем / Е.Б. Волков и др.. [под ред. Е.Б. Волкова]. М.: Машиностроение, 1989. 256 с.

58. Метод конечных элементов / М. Секулович. под ред. В.Ш. Барба-кидзе.; пер. с серб. Ю.Н. Зуева. М.: Стройиздат, 1993 - 664с.

59. Lu Y.P., Everstine G.C. More on Finite Element. Modeling of Damped Composite Systems / Journal of Sound and Vibration, 69(2): 199-205 1980.

60. Alberts Т.Е., Chen Y., Xia H. On the Effectiveness of Section Length Optimization for Constrained Viscoelastic Layer Damping Treatments / Advances in Optical Structure Systems, SPIE Vol. 1303: 274-285 1990.

61. Barrett D.J. An Anisotropic Laminated Damped Plate Theory / Journal of Sound and Vibration, 154 (3): 453-465 1992.

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

63. Бенлат Дж. Прикладной анализ случайных данных / Дж. Бенлат, А. Пирсол. М.: Мир, 1989 - 540с.

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

65. Sun С. Т, Lu Y. P. Vibration Damping of Structural Elements. Prentice Hall PTR, Englewood Cliffs, NJ 1995.

66. Ruzicka J. E. Damping Structural Resonances using Viscoelastic-Damping Mechanisms, Part I Design Configurations / ASME Journal of Engineering for Industry, 83, 403-413 1961.

67. Ruzicka J. E. Damping Structural Resonances using Viscoelastic-Damping Mechanisms, Part II Experimental Results / ASME Journal of Engineering for Industry, 83, 414-424 1961.

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

69. Остроменский П.И. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и113приборов / П.И. Остроменский Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1992.- 173с.

70. ГОСТ 28203-89 Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Fc и руководство: Вибрация (синусоидальная).

71. ГОСТ 28221-89 Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Fda: Широкополосная случайная вибрация. Высокая воспроизводимость.

72. Nashif A.D., Jones D.I.G., Henderson J.P. Vibration Damping, Wiley-Interscience, New York 1985.

73. Chen G-S, Wada В. K. Passive Damping for Space Truss Structures / AIAA SDM Issues of the International Space Station, Williamsburg VA 1988.

74. El-Raheb, Wagner M. P. Damped Response of Shells by a Constrained Viscoelastic Layer / Journal of Applied Mechanics, 53: 902-908 -1986.

75. Fowler B. et. al. Passive Damping Techniques for Beam Control Structures / Air Force Weapons Laboratory Test Report, AFWL-TR-88-97 1989.

76. Hedgepeth J.M., Mobrem M. Investigation of Passive Damping of Large Space Truss Structures / Proceedings of Damping '86, U.S. Air Force Wright Aeronautical Laboratories, Flight Dynamics Laboratory 1986.

77. Holman R.E., Tanner J.M. Finite Element. Modelling Techniques for Constrained Layer Damping / AJAA Journal, 21(5): 792-794 1983.

78. Johnson C.D., Kienholz D.A. Finite Element Prediction of Damping in Structures with Constrained Viscoelastic Layers / AIAA Journal, 20(9): 1284-1290- 1980.

79. Lifshitz J.M., Lcibowitz M. Optimal Sandwich Beam design for Maximum Viscoelastic Damping / International Journal of Solids and Structures, 23(7): 1027-1034- 1987.

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

81. Кузнецов A.A. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М.: Энергия, 1976 120с.

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

83. Варакин A.A. Конструкция ячейки ЭС с демпфирующей вставкой // Электроника, информатика и управление: Сб. научн. трудов аспирантов, магистрантов и студентов. Владимир, 2002.

84. Варакин A.A. Конструкция виброустойчивой ячейки с демпфирующей вставкой // Электроника, информатика и управление: Сб. научн. трудов преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов. Владимир, 2003.

85. Варакин A.A. Виброзащита ячеек ЭС демпфирующими вставками. // Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета радиофизики, электроники и медицинской техники. Владимир, 2003. - С. 61-62.

86. Варакин A.A., Талицкий E.H. Математическая модель ячеек радиотехнических устройств с демпфирующими вставками // Всероссийский журнал «Проектирование и технология электронных средств». 2003. - №4.

87. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967 - 444с.

88. Вынужденные колебания оболочек и пластин: учеб. пособие / Ю.П. Жигалко. Казань: Изд-во Казан, ун-та - 1990.

89. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности: Учебник / Г.С. Варданян, В.И. Андреев, A.A. Горшков, под ред. Г.С. Варданян, Н.М. Атаров. 2-е изд., испр. и доп. (Высшее образование)., (Гриф)-2011.

90. Основы научных исследований: учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов и др.. [под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова]. М.: Высш. шк., 1989 400с.

91. Кузнецов Е.С. Интеграция программы САПР P-CAD с VIBRODEF // Материалы студенческой научной конференции. Владимир, 2008.

92. Горшков А.Г., Старовойтов Э.И., Тарлаковский Д.В. Теория упругости и пластичности. М.: Физматлит - 2002.

93. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / В.А. Агарев и др.; 5-е изд. - Киев: Вища школа, 1986. - 775с.

94. Писаренко Г.С. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов: Справочник / А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. Киев: Наукова думка, 1971.

95. Справочник по строительной механике корабля: В 3 т. Т. 2 / Г. В.116

96. Бойцов, О. М. Палий, В. А. Постное, В. С. Чувиковский. Л., 1982. 464 с.

97. Толстов Г. П. Ряды Фурье, 2 изд. М.: Физматлит. - 1960.

98. Арсенин В. Я. Методы математической физики и специальные функции, 2 изд. М.: Наука - 1984.

99. Конструкционный анализ в среде АК8У8: учебное пособие / О.М. Огородникова, Изд-во УГТУ-УПИ 2004.

100. Применение системы А^УБ к решению задач механики сплошной среды: практическое руководство / А.К. Любимов. Н. Новгород: Изд-во Нижегородского ун-та - 2006.