автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры, стойкой к динамическим нагрузкам

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ р Р 5 0Д (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

I

Подколзин Евгений Владиславович

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ, СТОЙКОЙ К ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

05.12.13 - Устройств?! ГПЛ'ПТвХНИКИ и средств связи •

Автореферат лиссер:г".ищ ил соискание ученой степени канди.птг? технических наук.

Научный руководитель к.т.н.. доц. А.Н.Чеканов

Москва 19$>4 г.

Работа выполнена на кафедре "Конструирования радиоэлектронной аппаратуры" Московского . )сударс ^венного технического университета имени Н.Э.Баумана

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Чеканов Анатолий Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чирков Виктор Петрович,(МЭИ, Москва) кандидат технических наук, главный конструктор ВНИИРТ Бойков Юрий Иванович,(ВНИИРТ, Москва).

Ведущее предприятие: Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ГосШАС)

Защита состоится ноября 1994 г. в 16 часов на заседании специализированного советы KCS3.66.tl4 Московсг>го государственного института электроники и математики по адресу: ЮЭОХй, Москва, Б.Вузовский пер., д.3/12

Автореферат разослан '2£ " иктяоря 1994 г.

/

Ученый'.секретарь специализированного совета, • кандидат технических наук, доцент Н.И.Грачев

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш I -~

Проектирование радиоэлектронной аппаратура (РЭА) стойкой к динамическим нагрузкам - важная составная честь технической разработки радиотехнических средств, эксплуатируемых на подвижных объектах.

На качественно новом уровне сложности техники проблема обеспечения вибропрочности и виброустойчивости РЭА, надежность и эффективность которой должна удовлетворять повышенным требованиям, стала одной из -актуальнейших.

Решение этой задачи потребовало разработки новой расчэтно-эксперимэнтальной методики, математического и программного обеспечения, основанного на численном анализе математических моделей, описывающих конфигурацию конструкции и физические процессы, происходящие в ней во время эксплуатации, с последующей оптимизацией массо-габаритных характеристик элементов несущей конструкции (ИК).

Кельн работа является разработка методики, математического и программного обеспечения автоматизированного проектирования РЭА, стойкой к внешним динамическим нагрузкам.

Методы исследований:

Научные результаты-диссертации получены с использованием математического аппарата теории колебаний, теории усталостного разрушения материала под действием динамических нагрузок, метода математического программирования, вероятностно-статис-

тического метода оценки характеристик точности, а также экспериментальных исследовании выносливости НК РЭА под действием широкополосной случайной вибрации (ШСВ).

Научная новизна

1.Разработана оригинальная методика автоматизированного проектирования РЭА, стойкой к динамическим нагрузкам, включающая: ,

- проектирование виброзащитной системы, повышающей виброустойчивость РЭА. Для ограничения резонансных амплитуд колебаний блока в. систему виброзащиты введено демпфирование переменным сухим трением. Получена приближенная аналитическая зависимость амплитуда резонансных колебаний от силы сухого трения, позволяющая определять профиль фрикционной поверхности демпфера;

- параметрическую оптимизацию елементов НК РЭА по массо-га'ба-ритам при заданном ресурсе, в основу которой положена объединенная теория усталостного разрушения, учитыващая существенную нелинейность процесса накопления пов;заданий в материале НК:

- проведение механических испытаний на усталость макетов НК для сбора статистической информации о функции распределения ресурса:

- построение апостериорной функции распределения ресурса методом максимума компактности, позволяющим строить устойчивые статистические модели на ограниченном числе экспериментов, для ко"ичественной оценки адекватности интерпретирующих

моделей по каппа-критерию .

2.Сформулирована целевая функция и критерий оптимальности, позволявшие оптимизировать массо-габариты элементов одновременно для' всей НК на каждом шаге итерации.

3.разработано математическое и программное обеспечение автоматизированного проектирования РЭА, стойкой к динамическому нагрукеншо, содержащее:

- математические модели нелинейно-упругого подвеса, описывающего виброизоляцшо блока РЭА и прикладные программы расчета колебаний системы виброизоляции о демпфером переменного сухого трения под действием вибраций и ударов; - математические модели априорной функции распределения ресурса с использованием линейной функции повреждения и функции распределения ВейОулла для описания интенсивности зарождения микроскопических трещин в материале НК РЭА и прикладные программы расчета вероятности безотказной работы НК для детерминированных и случайных динамических нагрузок.

Достоверность полученных в диссертации теоретических выводов, подтверздена результатами экспериментальной проверки -методики и программного обеспечения автоматизированного проектирования виброзашитной системы реального радаоэлектронно-ого блока типа БНК-4С и оптимизации массо-габаритов НК печатных плат (1Ш) под воздействием широкополосной случайной вибрации.

Практическая ценность работы

Разработанная методика, математическое и программное обеспечение проектирования РЭА, являются основой для создания САПР, позволяющей на этапе эскизного проекта решать вопросы повышения виброустойчивости, а также определять оптимальные по прочности магсо-габариты влементов НК, проектируемой РЭА.

• ■ Апробация работы.

В докладе на 14-й республиканской конференции "По вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем" <»86 г, г. Чернигов) доложены и обсуждены результаты исследования демпфирующих свойств различных несущих конструкций печатных плат tu.

Теоретические аспекты проблемы изложены в научно - технической статье в журнале "Вопросы специальной радиоэлектроники" < серия: СВР, выпуск в.1»8РГ.) W1.

Разработке методики проектирования оптимальных виброзащитных систем узлов и блоков РЭА посьйцзиа HHF "ВУ&-Г <НПО им. П-йПлешаковв» i»e» г> tsi.

Основные результаты оптимизации динамически нагруженных НК но прочности доложены и обсуждены на 2-м Всесоюзном научно-техническом семинаре "Статистическая идентификация, прогнозирование и контроль" <1991 г..г, Одесса> tai. Публикации. Основное содержание, диссертации опубликовано в трех печатных работах и одном научно-техническом отчете. Теоретические исс ;едования виОрозащитных систем положены в осно-

ву конструкторских разработок, защищенных двумя авторскими свидетельствами: № 129221а, 198вг., $ гмзбз, 1907г.

Структура й объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, изложенных на 146 страницах машинописного текста, содержит 20 страниц рисунков и список литературы из зз наименований. Объем разработанных прикладных программ - 700Кб.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введэнии обоснойана актуальность теш, освещено состояние ее основных вопросов, сформулированы научная проблема, задачи и пути решения, дана общая характеристика работы, ин-форлация об апробации и практической реализации,результатов.

В первой главе дан обСор литературы о методах проектирования РЭА стойкой к динамическим нагрузкам. Проанализированы достоинства п недостатки существующих методов проектирования КК РЭА. Проведенный анализ показал,'что существующие метода проектирования не в полной мере удовлетворяют требованиям по -стойкости к динамическим нагрузкам, предъявляемым к радиотехническим средствам, устанавливаемым на подвиги их объектах. Это определило актуальность выполненных в работа, исследований.

Вторая глава посвящена разработке математического и прогрет,отгого обеспечения автоматизированного проектирования РЭА, стойкой к. динамическим нагрузкам.

В основе расчетного проектирования системы виброизолящш блоков РЭА - численный анализ системы дифференциальных уравнений, описывающих свободные и вынужденные колебания твердого тела с шестью степенями свобода на нелинейно-упругом подвесе.

Матричное уравнение вынужденных колебаний подвеса блока РЭА с демпфером переменного сухого трения предложено в виде

Ач + <Н+Ь|ч|>а1еп ч + ОЧ - Ре'^, Ш

ч(0)-ч{0)-0,

здесь н-сила сухого трения, ь- коэффициент пропорциональности.

ч - обобщенная координата перемещения.

Численное решение матричного уравнения (1), а также системы даффэренциальльных уравнений, описывающих собственные колебания линейно-упругого подвеса блока РЭА, позволяет опре делить основные параметры виброзащитной системы:

- ссбстЕенкне частоты колебаний подвеса блока РЭА)

- собственные формы колебаний;

- амплитудно-частотную характеристику упруго-демпфирующего ' подвеса блока РЭА.

Методом гармонического баланса из уравнения (1) получена приближенная формула коэффициента пропорциональности -ь, определяющего зависимость амплитуда резонансных колебаний подвеса от величина силы трения в системе виброзащиты

ТС2 (Р- 4ПУ%)

здась <1о- амплитуда резонансных колебаний подвеса. По формуле (2) определен профиль фрикционной поверхности демпфера с переменным сухим трэнием, разработанного для виброзащитн реального блока РЭЛ. Материалы разработки представлены в сзи Алгоритм автоматизированного проектирования системы вибро-защяты блока РЭА реализован в прикладной программа таг на язшсе ФОРТРАН-77.

Для обеспечение вибропрочности РЭА, поставлена и решена задача параметрической оптимизации массо-габаритов НК при заданном ресурсе.

Предложено, определять работоспособность НК РЭА вибропрочностью одаого элемента конструкции т.е. реализована последовательная схема соединения элементов. Целевая функция предложена в виде

о

гсг> = 1- 11 г., о«,1,2,...,п>, (з)

I

гдэ п - число элементов конструкции! г.» оу\<я- показатель прочности элемента конструкции о - эквивалентное напряжение в элементе НК; юз - допустимое иапрягенпе, определяемое из условия вероятности безотказной работы на заданном ресурсэ.

Эта функция действительная, определенная прп г<1, имеет в точко локальный минимум. Попек минимума функции г<г> осуп-^ствляетсл итерационным методом. На кандом шаге итерэцил •тслзнно рз1й9отоя система диффэрвнниалыих уравнения, опясы-Б2ЩПХ Н"ПрЯГ'ОННО- ДОфорГСфОЕаННОО СОСТОЯШ19 (НПО) НК и рао-о'П1Г)7ваочся показатель прочности каждого элементе конструкта. Поиск ектчмзяышх массо-гзбарптов элементов НК оеуЕэствляется градизнтдач входом. Сходимость итерационного процесса мини-

мизации функции F(r) установлена с помощью теоремы о сжимающем отображении. .На основании изложенного сформулирована задача оптимизации:

г»

минимизировать функцию F<r>« 1-П г( ,

п

при ограничении П г,< i, (4)

Принципиально важным вопросом является метод определения допустимого напряжения tai при динамических нагрузках, являющегося функцией вероятности безотказной работы.

Для построения модели, описывающей процесс накопления повреждений в элементах НК - причины исчерпания несущей способности, применена объединенная теория усталостного разрушения материала под действием длительных динамических нагрузок, учитывающая существенную нелинейность этого процесса.

По условиям эксплуатации предельное состояние наступит, когда размер хотя бы одной трещины в элементе НК достигнет предельного значения

Время t до достижения продельного состояния определяет ресурс данного элемента. Для функции распределения ресурса определено соотношение

£)М

Ft<T1- 1- exp l-f цав,т> — 1, свэ

м

где ц- математическое ожидание числа трещин в материале НК, зависящее, от функции повреждения т.е. от истории нагружения и от интенсивности зарождения микроскопических трещин в маге-риале в процессе эксплуатации; м - обобщенная мера области, в пределах которой номинальное напряженно-деформированное ■

состоянив материала мокно считать однородным.

Для построения априорной модели функции распределения ресурса предложена и реализована в прикладной программе иЕзикэ линейная функция повревдения, а для описания интенсивности зарождения микротрещин - плотность распределения Вейбулла.

Для оценивания характеристик точности априорных моделей при оптимизации НК статистическими методами применен интерполяционный подход к описанию случайных функций. Этому вопросу посвящена третья глава.

Интерполяционная концепция вероятности в приближении аксиоматикой А.Н.Колмогорова при оценивании степени адекватности интерпретирующей модели экспериментальным данным оперирует понятием функции компактности <ФК> как обобщенной меры статистической устойчивости апостериорных моделей. При этом критерием выбора интерпретирующих моделей является максимум компактности распределения отклонений фактических значений результатов измерений от предсказываемых в естественной (а не в квадратичной мотрике.

Примером математического аппарата этой логики является метод максимума компактности (ММК), использованный в работе ■ для построения апостериорной модели функции распределения ресурса.

ММК основан' на понятии 4« модели, обобщающей коночный результат в схеме перекрестного выбора, и на каппа-критерии воспроизводимости распределений, статистика которого на пробной (XI) и контрольной (Х2) выборках при "га" конкурирующих вариантах плотности распределения вероятностей имеет вид

т

ге - 1-2<-1> >, сй>

II . V

гдв ссх,> - экстремумы ( максимумы и минимумы) разности соответствующих функций распределений вероятностей.

Логика статистического вывода интерполяционной концепции вероятности не использует .традиционное понятие уровня значимости и отрицает обязательность увеличения точности оценок по мвро роста объема статистической выборки.

Применение ММК позволило строить устойчивые апостериорше модели функций распределения ресурса и получать количественную оценку адекватности априорных моделей на ограниченном числе экспериментальных данных. .

В четвертой главе представлен алгоритм методики и блок-схема программного обеспечения. Разработан план экспериментальной проверки методики проектирования.

По разработанной методике спроектирована виброзащитная систс а реального радиоэлектронного блока типа БНК-4С.

Для ограничения амплитуд резонансных колебаний разработан и испытан демпфер с переменным сухим трением. Результаты экс-пэримэнтв тюдтьердйпи работоспособность методики и эффективность применения демпфера с переменным сухим трением.

Подробное описание проверки метода проектирования вибро-ваттшг. систем гад дано в гг.),

В качестве проверки метода оипшизацш принято условие - ¡Ц РЭА и^и минимально«. массе дэлшш быть прочной к заданному динамическому нзгрукэнию 'в точегага 120с.

В качоотве объекта опткмизацж выбрана ПК печатных. плат (ПП) р&альнпго радчс лактрокиого блоке типоразмера БНК-2С-

'ЕЛОК-СХЕМ А программ проектирования РЭА стойкой и внешним динамическим нагрузкам.

Алгоритм проектирования РЭА стойкой к внешним динамическим нагрузкам.

Динамическое нагружение залавалось в виде случайной вибрации с постоянной спектральной плотностью и средаеквадратичес-ким ускорением 22« в полосе частот от 5Гц до ¿кГц.

Условия, заданного критерия оптимальности были достигнута за три итерации.

Для получения экспериментальных значений ресурса проведены испытания макетных образцов Ш Ш на выносливость - макетные образца подвергались воздействию ПЮВ до разрушения одного из элементов НК. Испытания проведены на трех макетных образцах. Контроль за нагружением и ре акцией- смещений элементов НК велся по записям виброграмм, представленным в работе.

Экспериментальные тачки, в качестве статистической выборки, использованы при. построении апостериорной модели функции распределения ресурса НК ПЛ.

Оценка адекватности интерпретирующих моделей функции распределения проведена по каппа-критерию Колмогорова-Смирнова.

Разрушение конструкций зафиксировано на 1бас, 17»с и гаю. Для идентификации апостериорной функции распределения ресурса методом максимума компактности построена интерполяционная мо-модель. •

Количественная мера адекватности интерпретируицих моделей функции распределения ресурса определена по каппа-критерию. Расчет каппа-статистики представлен в таблице 1.

Таблица 1

т,с 162 179 261

Рсх> 0,1666 0,3 0,8333

РСхЗ 0,19» 0,462 0,997

. пмо4|Р<к>-РСх>|«0-р1г 0,0336 0,038 0,1637

т х - 1- а гк 1*1 ^ 0,8407

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработана методика, математическое и программное обеспечение автоматизированного проектирования РЭА, -стойкой к динамическим нагрузкам.

а.Дтщ поиншения виброустойчивости РЭА разработано математическое и программное обеспечение проектирования виброзащитной системы с переменным сухим трением для ограничения резонансных 'амплитуд колебаний Риброизолированного блока. Эффективность разработанного математического и программного обеспечения подтверждена экспериментально.

з. Для обеспечения вибропрочности РЭА разработано математическое и программное обеспечение параметрической оптимизации НК РЭА по массо-габаритэм и заданному ресурсу при динамическом нагружении. Оформулирована целевая функция и критерий оптдаи.теции, позволяющие варьировать массо-габаригами эдеме

тов всей НК на каждом шаге итераций. Для описания процесса накопления повреждений в материале НК применена объединенная теория усталостного разрушения, учитывающая его существенную . нелинейности.

4. Для построения апостериорной функции распределения ресурса НК применен метод максимума компактности, основанный на интерполяционном подходе к описанию случайных функций. Такой подход ■ позволяет получать устойчивые интерпретирующие модели на ограниченном числе экспериментов. Количественная оценка адекватности априорной функции распределения ресурса дана по каппа-критерию .

Эффективность разработанного математического и программного обеспечения параметрической оптимизации НК РЭА подтверждена экспериментально.

Полученная совокупность результатов представляет собой научно-методическое обеспечение решения задач проектирования РЭА,стойкой к внешним динамическим нагрузкам и является основой для создания САПР.

Перечень основных публикаций по материалам диссертации

i-Подколзин Е.В. Оптимизация несущих конструкций по прочности при динамическом нагрукении. Сб.тезисов докладов 2-го Всесоюзного НТО "Статистическая идентификация,- прогнозирование и контроль ", 4-ö сентября г. Одесса, с.29-эо. з.Ройзман В.П., Нестар. H.A., Подколзин Е.В. Исследование демпфирующей способности элементов .конструкций крепления функциональных плат радиоэлектронной .аппаратуры. Рассеяние энергии

при колебаниях механических систем : Материалы xiv Респ.науч. конф./АН.УССР. Ин-т пробл.прочноста: ^Отв.ред.Г.С.Писаренко. Киев: Наук.думка,«в», с.242-248. .

з.Подколзин Е.В. и -др. Применение виброизоляторов с демпферами переменного сухого трения для защиты изделий РЭА от внешних воздействий ^Вопросы специальной радиоэлектроники, Сер.:

ОВР., ВЫП.Р. 1»89, С .171-176.

4-tf.C. 1292213 (СССРХОПубЛ.В Б.И.,1987,№ Т.

З.А.С.264363 <СССР>.Не публ. ,1987.

Подписано к печати 05.10.94. Ъвк.1П2 Объем In.л. Тир. ЮОэкз.

Типография ШТУ им.Н.Э.Баумана