автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение человеко-машинных интерфейсов для моделирования бортовых приборов и систем

г

□0346Э324

РУСАНОВСКИЙ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Специальность 05.13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 >>,,■

ТОМСК 2009

003469324

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Научно-производственный центр «ПОЛЮС»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шалумов Александр Славович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цапко Геннадий Павлович

кандидат технических наук, доцент Бойченко Иван Валентинович

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество «Информационные

спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск

Защита состоится 27 мая 2009 года в 15-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.06 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, ул. Советская, 84/3, институт «Кибернетический центр» ТПУ, ауд. 214

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

\

Автореферат разослан « ' » апреля 2009 года.

2>

Ученый секретарь Совета к. т. н., доцент

Сонькин М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На многих отечественных предприятиях разработчики бортовых приборов и систем (БПС) затрачивают на проектирование до 3-5 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов (обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов). Причины этого можно отнести к недостаткам процессов проектирования и отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития автоматизированных методов проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических процессов в БПС и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции - CALS-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.

Жесткие условия эксплуатации существенно влияют на работоспособность и надежность БПС. Подавляющее большинство отказов БПС связано с тепловыми и механическими воздействиями, которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций - ускорений, перемещений, напряжений и температур электрорадиоизделий (ЭРИ), что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы. Кроме того, к нарушениям прочности БПС часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРИ и их разрушение.

Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности и устойчивости БПС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к возможно длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Проектирование современных БПС в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим и тепловым характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий. Применение компьютерного моделирования тепловых и механических процессов, протекающих при эксплуатации БПС, позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций и уменьшить себестоимость и время проектирования.

Компьютерное моделирование механических и тепловых процессов в БПС требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных узлах (ПУ) до нескольких тысяч ЭРИ, механические и тепловые характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий;

комплексного характера приложения механических и тепловых воздействий, приводящих к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.

Существующие специализированные программы моделирования механических и тепловых процессов в приборах и системах не учитывают всех выше перечисленных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкций приборов и систем, не позволяют построить всю иерархию конструкций от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии, например, от блока к ПУ.

Для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях приборов и систем применяются следующие универсальные САЕ-системы: КАБПШМ, СОЗМОБ-М, МАЯС, АШУБ и т.д.

Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области прочности и тепла, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому им требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем возникает множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком. За это время разработчик при наличии удобного инструмента -человеко-машинного интерфейса для моделирования БПС - сможет перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Для этого разработчик БПС помимо пользовательских навыков работы с универсальной САЕ-системой должен обладать глубокими теоретическими знаниями в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в данных конструкциях. Подготовка разработчика БПС, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя САЕ-системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях трудно достижимая задача. Однако, даже наличие высококвалифицированных разработчиков не решит проблемы моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Использование компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель САЕ-системы, провести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным результатам. При этом время, затраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что большую часть времени, занимает ввод конструкции БПС в САЕ-систему и анализ результатов моделирования.

Выход из сложившегося положения заключается в разработке специализированных средств компьютерной графики, составляющих осндву человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС и позволяющих

разработчику БПС в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.

Решением задачи моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Маквецов E.H., Тартаковский A.M., Кофанов Ю.Н., Кожевников A.M., Крищук В.Н., Шалумов A.C., Фадеев O.A. и др. Но они детально не рассматривали вопросы повышения эффективности моделирования конструкций приборов средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы, что по сути дела представляет собой человеко-машинные интерфейсы для моделирования БПС.

Таким образом, актуальными являются разработка и применение средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, составляющих основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС.

Цель работы - повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям нормативной документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Задачи работы. Для реализации цели данной работы согласно вышеизложенным предложениям необходимо решить следующие задачи.

1. Исследование особенностей несущих конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций.

3. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

4. Разработка алгоритмов человеко-машинных интерфейсов для синтеза моделей механических и тепловых процессов типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.

5. Практическая реализация алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях.

6. Разработка справочной базы данных (БД) параметров ЭРИ и материалов конструкций БПС.

7. Разработка методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов.

8. Внедрение созданной методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе

человеко-машинных интерфейсов в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке:

- методики визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях, отличающейся от известных наличием комплексных информационных, топологических и математических моделей механических и тепловых процессов;

- алгоритмов человеко-машинных графических интерфейсов для синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС, позволяющих конструктору в короткие сроки собирать сложную модель несущей конструкции БПС из типовых элементов;

- структуры автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях, отличающейся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях БПС в универсальной САЕ-системе, обеспечивающих удобный проектировщику БПС язык взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов ввода-вывода, возможостью построить всю иерархию конструкций БПС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии;

- структуры справочной базы данных параметров ЭРИ и материалов конструкций БПС, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ, наличием моделей вариантов установки ЭРИ, позволяющих значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ, возможностью создания новых моделей вариантов установки ЭРИ, наличием необходимых графических параметров, позволяющих придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые и графические данные об ЭРИ;

- методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов, отличающейся от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов автоматизированного синтеза типовых и нетиповых конструкций БПС и универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, позволяющей в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным механическим и тепловым воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых БПС.

Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданных методических и программных средств позволяет повысить эффективность моделирования БПС, обеспечить более высокие показатели надежности разрабатываемой аппаратуры, сократить сроки и стоимость проектных работ БПС с соблюдением требований НТД по механическим и тепловым характеристикам.

Методы исследования основываются на теории системного анализа, прикладной механики, методах вычислительной математики и компьютерной графики.

Реализация и внедрение результатов работы. Исследования автора выполнялись во ОАО «НПЦ «ПОЛЮС».

Разработанные в диссертации алгоритмы, подсистема, база данных, методики внедрены в практику проектирования российских предприятий: ОАО «НПЦ «Полюс»(г.Томск), Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев), Раменское проектное конструкторское бюро (г. Раменское Московской обл.), КБ ИГАС «Волна» (г. Москва), ГНИИ Приборостроения (г. Москва), НИИ автоматической аппаратуры имени академика B.C. Семенихина (г. Москва), Особого конструкторского бюро Ижевского радиозавода (г. Ижевск).

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях была представлена на

- V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2005 г.)

- IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-НАУКА 2003, проводившейся под эгидой ЮНЕСКО (г. Москва);

- Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (г. Москва).

XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск,2006 г.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 статьи и 1 монография.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения, всего 239 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи настоящей работы, отмечены её научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приведен анализ проблем проектирования конструкций БПС с учётом механических и тепловых воздействий; анализ современных

методов и подходов, существующих автоматизированных систем и средств компьютерной графики, используемых для моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС; рассмотрены механические и тепловые воздействия, которым БПС могут подвергаться в процессе эксплуатации; рассмотрены факторы, которые необходимо учитывать при моделировании механических и тепловых процессов в конструкциях БПС; показано влияние механических характеристик на показатели надежности разрабатываемых БПС.

Рассмотрена существующая схема моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС на предприятиях. Но, как показывает практика, в подавляющем большинстве случаев, моделирование БПС не проводится. Исследование данной схемы выявило ее недостатки и показало отсутствие в настоящий момент:

- методики визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, позволяющей минимизировать влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования и позволяющей в минимальные сроки вводить конструкцию БПС в программу моделирования и анализировать результаты посредством доступных разработчику графических интерфейсов ввода-вывода;

- методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных воздействиях на основе средств компьютерной графики, понятных разработчику БПС и требующих минимального времени на освоение.

Проведен анализ программного обеспечения, применяемого для моделирования механических и тепловых процессов в БПС. Рассмотрен перечень применяемых специализированных программ, а также универсальных конечно-элементных САЕ-еистем для моделирования несущих конструкций БПС.

Исследования процесса проектирования БПС с применением компьютерного моделирования механических и тепловых процессов и существующих универсальных и специализированных программ моделирования, проведенные в диссертации, показали отсутствие в настоящее время необходимого математического, программного и методического обеспечения, позволяющего конструктору БПС в сжатые сроки проводить моделирование и принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным механическим и тепловым воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Выход из создавшегося положения можно найти в объединении возможностей математического ядра универсальной САЕ-системы, (например, А^УБ) с существующими специализированными программами, в частности, с автоматизированной подсистемой комплексного анализа печатных узлов на комплексные механические и тепловые воздействия АСОНИКА-ТМ и подсистемой расчета систем виброизоляции «ВИБРОЗАЩИТА», посредством специальных препроцессора и постпроцессора в рамках общей управляющей программы, позволяющей отследить всю иерархию конструкции БПС от шкафа до отдельного ЭРИ, с целью автоматизированной передачи воздействий и

результатов моделирования от высшего уровня иерархии БПС к низшему, например от блока к ПУ. Методика применения программы должна основываться на технологии хранения и управления данными о БПС (PDM-технология). В диссертации приведена структура такой PDM-системы.

На основе проведенного анализа предложена схема, моделирования (см. рис.1), согласно которой конструктор БПС взаимодействует со сложной конечно-элементной CAE-системой через препроцессор и постпроцессор, представляющие собой графические интерфейсы ввода-вывода, адаптирующие данную систему применительно к моделированию механических и тепловых процессов в несущих конструкциях БПС. В данной схеме отсутствует аналитик-расчетчик, а также посредничество между конструктором и САЕ-системой, что приводит к сокращению итераций отработки конструкции, сроков и затрат на ее проектирование, уменьшению влияния человеческого фактора на адекватность результатов моделирования.

В качестве универсальной конечно-элементной CAE-системы предложена система ANSYS - единственная система, сертифицированная согласно серии стандартов ISO 9000, в виду ее многофункциональности, возможности работать с математическим ядром посредством макросов.

Сформулированы цель работы и задачи, необходимые для достижения поставленной цели.

Рис.1. Предлагаемая схема моделирования

Во второй главе проведено исследование наиболее распространенных несущих конструкций БПС и разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования при комплексных механических и тепловых воздействиях. На основе анализа расчетов по хоздоговорным темам сделаны допущения на модели несущих конструкций, выявлен требуемый уровень детализации моделей, необходимый для получения приемлемого на ранних этапах проектирования результата.

Информационная модель несущей конструкции БПС с точки зрения визуализации исходных данных для моделирования механических процессов в соответствии с требуемым уровнем детализации, необходимым для получения приемлемого для ранних этапов проектирования результата, представляется в логико-аналитическом виде выражением:

М, =<Мк,Кр,Х>,

где Мк - составная модель; Кр - модель крепления; х - модель механических воздействий.

Составная модель:

N

М, ={)[ЛСКхМе у, А],

где N - количество моделей, образующих составную модель; лск = \х,у,2,<рх,ч>у,рг) — локальная система координат модели; х,у,2,рс,<ру,<рг — линейные и угловые смещения локальной системы координат модели относительно глобальной системы координат; Ме - модель типового элемента; а - модель соединения текущей модели с соседними моделями.

При этом

М, = Г х йр X ми X Т,

где г - множество, образующее геометрию модели; о - средний размер грани дискрета; Мм - множество материалов модели; т — температура.

Информационная модель несущей конструкции БПС с точки зрения визуализации исходных данных формируется посредством специализированного человеко-машинного графического интерфейса, в котором происходит сборка сложной конструкции блока или шкафа из типовых элементов (ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, корпус, лапка, контрольная точка), задаются параметры сетки, параметры материалов и температуры элементов конструкции, условия закрепления несущей конструкции и графики механических воздействий по осям координат.

Информационная модель содержит все необходимые данные для построения макроса САЕ-системы для моделирования механического процесса.

Информационная модель несущей конструкции БПС с точки зрения визуализации результатов моделирования в логико-аналитическом виде представлена выражением:

Му=<Г,,Г„Г1г,Г>,

где Гр - множество узлов конечно-элементной модели; - множество дискретов конечно-элементной модели; Гкр - множество контрольных точек; г - множество механических характеристик (результатов моделирования несущей конструкции.

При моделировании БПС на гармоническую вибрацию, однократные и многократные ударные воздействия, линейные ускорения и акустические шумы множество механических характеристик представлено выражением:

У = 0х Лх х лу х А: х °х * °У х * /=1

где /( - значение частоты или времени; Ах, л.у, Ах - множество ускорений узлов по осям х, у, I соответственно, Ох, Оу, О; - множество перемещений узлов по осям х, у, : соответственно, 5 — множество напряжений в узлах конструкции для ¡-го значения частоты или времени; т - количество рассчитанных значений частоты вибрации или времени удара.

При моделировании БПС на случайную вибрацию множество механических характеристик представлено выражением:

У = Ахх Аух А:х. йхх Оух Оцх 3, где Ах, Ау, лОх, 1)у, О:, $ - среднеквадратические значения ускорений, перемещений и напряжения в узлах по осям х, у, г соответственно.

Информационная модель несущей конструкции с точки зрения визуализации результатов моделирования формируется автоматически непосредственно в САЕ-системе, при помощи специальных макросов.

Данная информационная модель не зависит от типа несущей конструкции. Поэтому был сделан вывод о необходимости разработки универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, доступного разработчику БПС. Данный интерфейс должен позволять отображать деформации конструкции, поля ускорений, перемещений и напряжений в заданный момент времени или частоты, графики зависимости ускорений, перемещений и напряжений в контрольных точках и узлах в зависимости от частоты гармонической вибрации или времени ударного воздействия, содержать допустимые значения напряжений материалов конструкции, на основе которых разработчик может принять проектное решение об обеспечении стойкости несущих конструкций БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям.

Проектное решение принимается на основе ограничения:

(1)

где <у^ - максимальное расчетное значение напряжения, а'1/'" — допустимое значение напряжения материала, — коэффициент запаса напряжения, д;. -допуск на напряжение у-го элемента конструкции. Значения допустимых напряжений берутся из составной модели ЛЛ-. Полученные значения ускорений передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования ПУ.

При формировании модели несущей конструкции блока или шкафа БПС необходимо учитывать взаимное влияние различных уровней иерархии. При

этом необходимо обеспечивать не только совместимость геометрии элементов в составе конструкции БПС, но и учитывать взаимное деформирование элементов конструкции, осуществлять точную передачу механических воздействий от уровня к уровню. Поэтому при моделировании должна рассматриваться вся несущая конструкция БПС в целом (рис. 2).

т

±

±

а

ЭРИ

БНК 1 (ПУ)

БНК 2 (БЦТ, БКТ, БЭТ)

БНК 3 (шкаф, БСЭТ)

Рис. 2. Системный подход при моделировании несущих конструкций БПС

Описание механического процесса при этом может быть представлено в операторной форме в следующем виде:

¥{*(<>1у(о)мт)}=о.

где ¥ — операторы моделей, связывающие между собой входное воздействие х(о), выходные характеристики у(о) и внутренние параметры конструкции ч(Т); т - внешнее воздействие в виде массива температур участков конструкции; £ -независимый аргумент (время, частота).

В соответствии с поставленной целью, разработана методика визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях, структурная схема которой приведена на рис. 3.

Основу разработанной методики составляет информационная модель несущей конструкции БПС с точки зрения визуализации исходных данных, формируемая специализированным графическим интерфейсом. На основе информационной модели автоматически формируется топологическая модель конструкции БПС, которая в свою очередь, обеспечивает автоматическое создание математической модели в универсальной САЕ-системе. В этом случае процесс моделирования можно представить как процесс автоматизированного преобразования описания конструкции через информационную модель к топологической модели и далее к математической:

Конструкция -»Информационная модель —» Топологическая модель -> Математическая модель

Таким образом, разработанная методика призвана упростить формирование математической модели, а также вывод результатов и принятие решений на их основе при моделировании несущих конструкций БПС. Алгоритм методики представлен на рис. 4.

Рис. 3. Принцип визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС

Методика включает в себя анализ технического задания на разработку конструкции БПС и выделение основных воздействующих факторов; алгоритмы и программные средства (ПС) автоматизированного синтеза моделей несущих конструкций БПС и чтения их параметров из базы данных, ПС для задания воздействий; алгоритмы и ПС для вывода результатов; рекомендации по выбору сетки разбиения; алгоритмы и ПС идентификации неизвестных параметров. Предусмотрено использование в рамках данной методики специализированной программы «ВИБРОЗАЩИТА», которая позволяет моделировать шкафы и блоки на виброизоляторах, что является очень эффективным средством защиты БПС, когда невозможно улучшение без

изменения конструкции. После принятия решения об обеспечении стойкости несущей конструкции БПС к механическим воздействиям результаты моделирования передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования ПУ.

Рис. 4. Алгоритм методики визуализации исходных данных и результатов моделирования при комплексных воздействиях

В третьей главе, согласно предложенной схеме моделирования и разработанной методике визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС, разработана структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях (рис. 5). Разработанная подсистема имеет в своем составе проблемно-ориентированные подсистемы: автоматизированную подсистему моделирования несущих конструкций БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-М и автоматизированную подсистему моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ, а также базу данных параметров ЭРИ и материалов конструкций БПС.

Рис. 5. Структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических

воздействиях

Основу подсистемы составляет управляющая программа, в которой формируется иерархия конструкции БПС. Управляющая программа осуществляет автоматизированную передачу данных между конструктивными уровнями иерархии. В препроцессоре при помощи графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС и графического интерфейса ввода механических воздействий (гармонической и случайной вибраций, однократного и многократного удара, линейного ускорения) формируется информационная модель несущей конструкции с точки зрения исходных данных. При этом

температуры элементов конструкции либо вводятся вручную, либо передаются из РБМ-системы в виде специального файла. Температуры ПУ рассчитываются в подсистеме АСОНИКА-ТМ. Необходимые параметры материалов можно выбрать из БД, а в случае необходимости - идентифицировать. На основе информационной модели и библиотеки макросов формируется модель механического процесса, топология которой также описывается в виде макроса. Затем управляющая программа осуществляет запуск А^УБ в пакетном режиме и после завершения расчета формирует информационную модель несущей конструкции с точки зрения визуализации результатов. В постпроцессоре результаты моделирования отображаются в виде полей при выбранном значении частоты или времени или полей среднеквадратических величин, амплитудно-временных и амплитудно-частотных характеристик результатов в контрольных точках или узлах модели, в виде деформаций, на основе которых разработчик может принять проектное решение. В случае превышения расчетных напряжений участков конструкции над допустимыми возможно осуществить подбор виброизоляторов в программе «ВИБРОЗАЩИТА». Ускорения в местах крепления ПУ к несущей конструкции, полученные при моделировании, являются входными воздействиями при моделировании механических процессов в ПУ и передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ. Все исходные данные и результаты моделирования сохраняются в РЭМ-системе.

Разработан общий алгоритм графического интерфейса синтеза конструкции БПС из типовых элементов, представленный в виде графа «и-или» на рис 6.

На основе представленного алгоритма разработаны алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций блоков цилиндрического, этажерочного, кассетного, сложного этажерочного типов и шкафов БПС. На рис. 7 изображена несущая конструкция БПС - блок сложного этажерочного типа.

Разработана структура справочной БД по параметрам ЭРИ и материалам (рис. 8). Данная структура позволяет формировать полную условную запись ЭРИ в зависимости от шаблона записи и параметров, фходящих в обозначение ЭРИ, содержит модели вариантов установки ЭРИ, а также возвожность создания новых моделей, что значительно сокращает время на ввод ЭРИ в БД. Возможно создание дополнительных таблиц по числовым, функциональным, строковым, логическим, текстовым и графическим параметрам ЭРИ без участия программиста. Разработанная структура содержит необходимые средства, позволяющие придавать реалистичность изображению ЭРИ в пространстве, что значительно БД значительно доступной разработчику.

В четвёртой главе разработана методика моделирования комплексных механических и тепловых процессов в БПС на основе человеко-машинных интерфейсов, которая, в отличие от существующих, позволяет передавать механическое и тепловое воздействие по всем уровням иерархии конструкций БПС, что влияет на адекватность результатов моделирования и на выполнение

требований технических условий (ТУ) на ЭРИ по механическим и тепловым характеристикам.

0 Синтез конструкции БПС

Синтез составной модели

Основные типовые М

элементы

Синтез модели крепления

Дополнительные типовые элементы

Синтез модели корпус.

Синтез моделей типовых элементов, включающих в себя другие типовые элементы (например, этажерка)

Синтез моделей типовых элементов (ребро жесткости, внутренний элемент и т.п.)

Синтез модели Уюрпуса (каркаса)

Синтез модели корпуса Г) (каркаса)

Синтез моделей элементов крепления корпуса (лапки, направляющие)

Синтез модели соединения корпуса и элементов крепления корпуса

Синтез модели сложного типового элемента

Синтез модели соединения сложного типового элемента и корпуса конструкции

Синтез моделей соединения Синтез моделей типовых элементов между собой типовых элементов

Рис. 6. Дерево графа синтеза нетиповой конструкции БПС из типовых элементов

Методика позволяет уменьшить трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций БПС и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, по сравнению с использованием универсальной САЕ-системы, составляет до 95% на ввод конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.

Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Рис. 7. Внешний вид несущей конструкции блок сложного этажерочного типа (а - вид спереди, б - вид сзади)

Основные положения разработанной методики:

1. Согласно требованиям ТЗ формируется первоначальная информация о проекте: основные конструктивные решения, применяемый материал, эскиз конструкции, тип и параметры механического и теплового воздействия, используемые типовые элементы конструкции БГ1С.

2. Синтез геометрии несущей конструкции, задание параметров материалов элементов конструкции с допустимыми значениями напряжений, температур элементов, параметров сетки разбиения конструкции на конечные элементы, задание параметров закрепления конструкции на объекте при помощи специализированных человеко-машинных графических интерфейсов ввода.

3. Задание механических и тепловых воздействий по осям координат.

4. Выбор вида теплового и механического воздействия и проведение расчета.

5. Анализ полученных результатов с применением универсального графического интерфейса вывода и их сохранение в РОМ-системе.

6. Принятие решения об обеспечении стойкости несущей конструкции к тепловым и механическим воздействиям.

7. В случае превышения расчетных напряжений над допустимыми проводится редактирование геометрии конструкции, параметров материалов или применение программы «ВИБРОЗАЩИТА».

корпус этажерки

онпилька

»епление

лапка прибора

Рис. 8. Структура справочной БД параметров ЭРИ и материалов

8. В случае корректировки несущей конструкции повторение расчета и анализ результатов моделирования. Корректировка конструкции продолжается до тех пор, пока не будут обеспечены требования к стойкости конструкции БПС к внешним тепловым и механическим воздействиям.

9. Формирование отчета, его сохранение в РОМ-системе хранения и управления данными о БПС.

10. Моделирование печатных узлов конструкции БПС:

а) ввод или редактирование ПУ с заданием допустимых ускорений ЭРИ;

б) моделирование ПУ на воздействие комплексных тепловых механических воздействий.

в) анализ полученных результатов с применением универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования ПУ и их сохранение в РЭМ-системе.

11. Принятие решения об обеспечении стойкости ПУ и ЭРИ к тепловым и механическим воздействиям. Проектное решение принимается на основе ограничений (1) и (2).

а^Зй-^аэт+Л/)^, (2)

где аэрт — максимальное расчетное значение ускорения ЭРИ; 1эгт-максимальное расчетное значение температуры ЭРИ; я^/ж - допустимое значение ускорения ЭРИ для заданного типа воздействия; - допустимое значение температуры ЭРИ; к1 — коэффициент запаса ускорения или температуры; А, - допуск на ускорение или температуру / -го ЭРИ.

12. В случае превышения расчетных напряжений участков ПУ или расчетных ускорений и значений температуры ЭРИ над допустимыми значениями - редактирование ПУ или редактирование несущей конструкции БПС и повторение расчета.

13. Сохранение исходных данных и результатов в РОМ-системе.

14. Формирование карт тепловых и механических режимов работы ЭРИ и их сохранение в РОМ-системе.

15. Формирование отчета и его сохранение в РБМ-системе.

Рассмотрены примеры применения разработанной методики для БПС.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования ряда предприятий и в учебный процесс высших учебных заведений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главным результатом работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям НД по тепловым и механическим характеристикам, повышение показателей надежности разрабатываемых БПС, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Исследованы особенности конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработаны информационные модели типовых конструкций БПС, таких как ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, корпус, лапка корпуса, контрольная точка, а также несущих конструкций (блок цилиндрического, кассетного, этажерочного и сложного этажерочного типов, шкаф) с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

3. Разработаны алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС, позволяющих конструктору в короткие сроки собирать сложную модель несущей конструкции БПС из типовых элементов.

4. Разработана методика визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от известных наличием комплексных информационных, топологических и математических моделей механических и тепловых процессов, позволяющая уменьшить влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС.

5. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от существующих наличием препроцессора и постпроцессора для моделирования механических процессов в несущих конструкциях БПС в универсальной САЕ-системе, обеспечивающая удобный проектировщику БПС язык взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов ввода-вывода, возможостью построить всю иерархию конструкций БПС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии.

6. Разработана и реализована структура справочной базы данных параметров ЭРИ и материалов конструкций, позволяющая значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ за счет создания моделей вариантов установки ЭРИ, обеспечиващая реалистическое представление ЭРИ, что делает работу с БД более доступной, и позволяющая создавать дополнительные таблицы параметров ЭРИ без участия программиста.

7. Разработана методика синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых БПС.

Разработанная автоматизированная подсистема моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-

TM используется в рамках Министерства обороны РФ для проведения контроля за правильностью применения изделий электронной техники в аппаратуре специального назначения, рекомендуется комплексом стандартов "МОРОЗ-6" для применения в процессе проектирования и замены испытаний на ранних этапах проектирования согласно РДВ 319.01.05-94, ред.2-2000.

Внедрено созданное методическое и программное обеспечение в практику ведущих Российских предприятий при проектировании БПС таких объектов как, подводные лодки, крылатые ракеты, системы бортовой телеметрии, спутниковые навигационные системы и системы космической связи.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Русановский С.А., Шалумов A.C. Математическое и программное обеспечение человеко-машинных интерфейсов для моделирования бортовых приборов и систем ./Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2007.168с.

2. Русановский С.А. Применение человеко-машинных интерфейсов в обучении студентов моделированию систем. Повышение качества непрерывного профессионального образования/Материалы Всерос. научн.-методич. конф. «Повышение качества непрерывного профессионального образования» с международным участием в 2 ч. Красноярск. ИПЦ КГТУ. 2006 Ч.2-С.210-211.

3. Русановский С.А., Шалумов A.C.,// Моделирование конструкций с применением человеко-машинных интерфейсов. Электронные и электромеханические системы и устройства: Тезисы докладов XVII научно-технической конференции. Г. Томск:ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006 . С. 244-247.

4. Русановский С.А., Шалумов A.C. //Интерфейс для моделирования сложных конструкций печатных узлов приборов и систем. Электронные и электромеханические системы и устройства: Тезисы докладов XVII научно-технической конференции. Г. Томск:ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006 . С. 247-248.

5. Русановский С.А., Шалумов A.C., Организация обмена данными при моделировании тепловых и механических процессов в приборах и системах. //Электронные и электромеханические системы и устройства: Тезисы докладов XVII научно-технической конференции. Г. Томск:ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006 . С. 248-250.

6. Сонькин М.А., Слядников Е.Е., Русановский С.А. Информационная технология интеграции компонентов многоуровневых систем с пакетной передачей данных.// Известия Томского политехнического университета, T 309, №6, 2006. С.158-164.

7. Русановский С.А., Шалумов A.C., Ваченко А.С Моделирование типовых и нетиповых несущих конструкций бортовых приборов и систем с точки зрения визуализации исходных данных.// Качество и HHH(CALS)-технологии 2007. № 2(14). С. 22-26.

Подписано к печати 21.04.2009. Тираж 100 экз. Кол-во стр. 22. Заказ № 16-09 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШмбх» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ И БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ.

1.1. Проблемы моделирования механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах.

1.2. Анализ современных человеко-машинных интерфейсов и баз знаний, используемых для моделирования бортовых приборов и систем

1.3. Основные задачи исследования.

1.4. Выводы к первой главе.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ ПРИ КОМПЛЕКСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

2.1. Структура процесса визуализации исходных данных и результатов моделирования БПС.

2.2. Информационные модели типовых и нетиповых несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации исходных данных.

2.2.1. Информационные модели типовых конструкций БПС.

2.2.2. Информационная модель блока цилиндрического типа

2.2.3. Информационная модель блока этажерочного типа.

2.2.4. Информационная модель блока кассетного типа.

2.2.5. Информационная модель блока сложного этажерочного типа.

2.2.6. Информационная модель шкафа.

2.3. Информационные модели несущих конструкций БПС с точки зрения визуализации результатов моделирования.

2.4. Методика визуализации исходных данных и результатов моделирования бортовых приборов и систем при комплексных тепловых и механических воздействиях.

2.5. Выводы ко второй главе.

3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ ПРИ КОМПЛЕКСНЫХ ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

3.1. Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-М.

3.2. Организация и структура автоматизированной подсистемы АСОНИКА-ТМ.

3.3. Структура входных и выходных данных подсистем АСОНИКА-ТМ и АСОНИКА-М.

3.4. Алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.

3.4.1. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок цилиндрического типа.

3.4.2. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок этажерочного типа.

3.4.3. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции блок кассетного типа.

3.4.5. Алгоритм человеко-машинного графического интерфейса синтеза конструкции шкафа.

3.5. Организация и структура справочной базы данных.

3.6. Выводы к третьей главе.

4. Разработка методики синтеза и анализа проектных решений бортовых приборов и систем при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов.

4.1. Структура методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов.

4.2. Пример применения методики синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов.

4.3. Внедрение результатов диссертационной работы.

4.4. Выводы к четвертой главе.

На многих отечественных предприятиях разработчики бортовых приборов и систем (БПС) затрачивают на проектирование до 3-5 лет. При этом, несмотря на столь значительные сроки создания опытных образцов, освоение их серийного выпуска и первые годы эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок как к простым, так и к системным отказам, а также самих системных отказов (обуславливаются комплексным воздействием дестабилизирующих факторов). Причины этого можно отнести к недостаткам процессов проектирования и отработки создаваемых образцов, связанных, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития автоматизированных методов проектирования, базирующихся на комплексном (учет наиболее существенных взаимных связей) математическом моделировании разнородных физических процессов в электротехнических системах и интегрирующихся с методологией современных информационных технологий проектирования наукоемкой продукции - С4/,£-технологий (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), реализующих непрерывную информационную поддержку всего жизненного цикла изделия.

Жесткие условия эксплуатации существенно влияют на работоспособность и надежность работы БПС. Подавляющее большинство отказов БПС связано с тепловыми и механическими воздействиями [1 -3], которые приводят к выходам за пределы, установленные нормативно-технической документацией (НТД), механических характеристик конструкций и температур электрорадио-изделий (ЭРИ), что приводит к нарушению прочности и устойчивости работы БПС [4-7].

Кроме того, к нарушениям прочности БПС часто приводит накопление усталостных повреждений в выводах ЭРИ и их разрушение [8].

Отказы, связанные с потерей механической и тепловой прочности и устойчивости БПС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ. Проектирование современных БПС в заданные сроки и в соответствии с требованиями НТД по механическим и тепловым характеристикам, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий. Применение компьютерного моделирования механических и тепловых процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкций БПС, сроки и затраты на проектирование [9, 10].

Компьютерное моделирование механических и тепловых процессов в БПС требует взаимного учета целого ряда факторов: геометрической сложности и неоднородности конструкции; наличия в печатных узлах (ПУ) тысяч ЭРИ, механические и тепловые характеристики которых надо определить; многообразия видов механических воздействий; одновременного приложения к аппаратуре двух и более видов механических воздействий; комплексного характера приложения механических и тепловых воздействий, приводящего к влиянию тепловых процессов на механические; нелинейности физических характеристик материалов конструкций.

Существующие специализированные программы моделирования механических и тепловых процессов в приборах и системах не учитывают всех перечисленных факторов, не достаточно развиты применительно к моделированию несущих конструкций приборов и систем, не позволяют построить всю иерархию конструкций от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии, например, от блока к ПУ.

Для моделирования механических и тепловых процессов в несущих конструкциях приборов и систем применяются следующие универсальные САЕ-системы: NASTRAN, COSMOS-M, ANSYS и т.д.

Как показывает практика, на предприятиях, где это имеет место, моделированием занимаются специалисты в области прочности и тепла, не разбирающиеся в особенностях объекта проектирования. Поэтому им требуется значительное время на построение модели конструкции и ее анализ. В это время разработчик простаивает. Затем происходит множество итераций по согласованию результатов моделирования между расчетчиком и разработчиком. За это время разработчик при наличии удобного инструмента - человеко-машинного интерфейса для моделирования БПС - может перебрать множество вариантов, работая в интерактивном режиме. Следовательно, необходимо отказаться от подобной практики и передать вопросы моделирования разработчику. Для этого конструктор БПС помимо пользовательских навыков работы с универсальной CAE-системой должен иметь глубокие теоретические знания в области математики метода конечных элементов и физики протекания механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Подготовка разработчика БПС, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя CAE-системой, требует значительных временных и финансовых затрат, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях трудно достижимая задача. Однако даже наличие высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях БПС. Использование компьютерного моделирования требует от разработчика построить расчетную модель несущей конструкции, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, подготовить данные для передачи в решатель CAE-системы, произвести расчет, обработать результаты и принять решение. В результате время, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование. Следует отметить, что большую часть времени, потраченного на моделирование, занимает ввод конструкции приборов и систем в САЕ-систему и анализ результатов.

Решить данную проблему можно разработав специализированные средства компьютерной графики, составляющие основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС и позволяющие разработчику приборов и систем в минимальные сроки собирать сложную конструкцию из типовых элементов и работать с математическим ядром универсальной САЕ-системы посредством понятных ему графических интерфейсов ввода-вывода.

Значительный вклад в развитии методов автоматизированного проектирования приборов и систем и информационных технологий сыграли работы Норенкова И.П. [11-16], Вермишева Ю.Х. [17], Зарудного Д.И. [18-20], Гридина В.Н. [21], Новикова Е.С. [9, 22-26], Редкозубова С.А. [27], Петрова Г.М. [28], Моисеева Н.Н. [29], Солодовникова И.В. [30], Деньдобренько Б.Н. [31], Кузнецова О.А., Сергеева B.C. [32, 33] и др. [34-40]. Первые работы в направлении автоматизации расчета механических характеристик конструкций приборов и систем за рубежом принадлежат американскому ученому Стейнбергу Д.С. [41].

Решением задачи моделирования механических и тепловых процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Маквецов Е.Н. [42, 43], Тартаковский A.M. [42, 44], Кофанов Ю.Н. [9, 45-51], Кожевников A.M. [51, 52], Крищук В.Н. [53], Шалумов А.С. [10, 45, 47-50, 54-60, 61-63], Фадеев О.А. [61-65] и др. Но они детально не рассматривали вопросы повышения эффективности моделирования конструкций приборов средствами инструментария, сочетающего в себе преимущества универсальных и специализированных программ, обладающего минимальными требованиями по времени и сложности к освоению его теоретической и пользовательской базы, что по сути дела представляет собой человеко-машинные интерфейсы для моделирования БПС.

Таким образом, актуальным является разработка и применение средств компьютерной графики для синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, составляющих основу человеко-машинных интерфейсов для моделирования БПС.

Целью работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям нормативной документации по тепловым и механическим характеристикам, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Для реализации этой цели, согласно вышеизложенным предложениям, необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование особенностей несущих конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработка информационных моделей типовых и нетиповых несущих конструкций.

3. Разработка методики визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

4. Разработка алгоритмов человеко-машинных интерфейсов для синтеза моделей механических и тепловых процессов типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС.

5. Практическая реализация алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных механических и тепловых воздействиях.

6. Разработка справочной базы данных (БД) по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций БПС.

7. Разработка методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в БПС на основе человеко-машинных интерфейсов.

8. Внедрение созданной методики моделирования комплексных механических и тепловых процессов в бортовых приборах и системах на основе человеко-машинных интерфейсов в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Для решения поставленных задач использовались теории системного анализа и прикладной механики, методы вычислительной математики и компьютерной графики.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

4.4. Выводы к четвертой главе

Основным научным и практическим результатом, полученным в данной главе, является методика синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов, отличающаяся от существующих наличием доступного разработчику языка взаимодействия на базе графических интерфейсов автоматизированного синтеза моделей типовых и нетиповых конструкций БПС и универсального графического интерфейса вывода результатов моделирования, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям.

Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Разработанная методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода и редактирования конструкций БПС и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, в общем, по сравнению с использованием универсальной CAE-системы, составляет до 95% на ввод и редактирование конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным результатом работы является повышение эффективности процесса моделирования при проектировании конструкций БПС, отвечающих требованиям НД по тепловым и механическим характеристикам, повышение показателей надежности разрабатываемых БПС, сокращение сроков и стоимости их создания за счет применения человеко-машинных интерфейсов для синтеза и анализа проектных решений.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Исследованы особенности конструкций БПС с точки зрения моделирования механических и тепловых процессов.

2. Разработаны информационные модели типовых конструкций БПС таких как ПУ, разъем ПУ, шпилька, направляющая, внутренний элемент, ребро жесткости, корпус, лапка корпуса, контрольная точка, а также несущих конструкций: блок цилиндрического, кассетного, этажерочного и сложного этажерочного типов, шкаф, - с точки зрения визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях.

3. Разработаны алгоритмы человеко-машинных графических интерфейсов синтеза типовых и нетиповых конструкций блоков и шкафов БПС, позволяющих конструктору в минимальные сроки собирать сложную модель несущей конструкции БПС из типовых элементов.

4. Разработан методика визуализации исходных данных и результатов моделирования конструкций БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от известных наличием комплексных информационных, топологических и математических моделей механических и тепловых процессов, позволяющая уменьшить влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования механических и тепловых процессов в конструкция БПС.

5. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных тепловых и механических воздействиях, отличающаяся от существующих наличием специализированных препроцессора и постпроцессора для моделирования механических процессов в несущих конструкциях БПС в универсальной CAE-системе, обеспечивающая удобный проектировщику БПС язык взаимодействия на базе человеко-машинных графических интерфейсов ввода-вывода, возможностью построить всю иерархию конструкций БПС от шкафа до отдельного ЭРИ для передачи воздействий и результатов моделирования между отдельными уровнями иерархии.

6. Разработана и реализована структура справочной базы данных по параметрам ЭРИ и параметрам материалов конструкций, позволяющая значительно сократить время на ввод геометрических, физико-механических, тепловых и др. параметров ЭРИ за счет создания моделей вариантов установки ЭРИ, обеспечивающая реалистическое представление ЭРИ, что делает работу с БД более доступной, и позволяющая создавать дополнительные таблицы параметров ЭРИ без участия программиста.

7. Разработана методика синтеза и анализа проектных решений БПС при комплексных воздействиях на основе человеко-машинных интерфейсов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об обеспечении стойкости БПС к комплексным тепловым и механическим воздействиям и о повышении показателей надежности разрабатываемых БПС.

Разработанная автоматизированная подсистема моделирования печатных узлов БПС на комплексные тепловые и механические воздействия АСОНИКА-ТМ используется в рамках Министерства обороны РФ для проведения контроля за правильностью применения изделий электронной техники в аппаратуре специального назначения, рекомендуется комплексом стандартов "МОРОЗ-6" для применения в процессе проектирования и замены испытаний на ранних этапах проектирования согласно РДВ 319.01.05-94, ред.2-2000.

Проведено внедрение созданного методического и программного обеспечения в практику ведущих Российских предприятий при проектировании бортовых приборов и систем таких объектов как Международная Космическая Станция, истребители СУ, подводные лодки, крылатые ракеты, системы бортовой телеметрии, спутниковые навигационные системы и системы космической связи, а также в учебный процесс вузов.

Внедрение результатов работы в практику проектирования Российских предприятий дает следующий экономический эффект. В частности КБ ИГ АС «Волна», только в 2004 году, используя результаты данной работы при проектировании системы управления подводной лодки, сэкономила порядка 30 миллионов рублей на изготовлении опытных образцов и проведении испытаний, при параллельном сокращении сроков проектирования на 1 год.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю д.т.н., профессору Шалумову Александру Сла-вовичу за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности.

1. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М., 1983. - 256с.

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

3. Доминич А.П. Планирование испытаний РЭА на вибростойкость// Радиоэлектроника (состояние и тенденции развития). 1993. - N2. - С. 16-30.

4. Малинский В.Д. Контроль и испытания радиоаппаратуры. М.: Энергия, 1970. - 336с.

5. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. М.: Сов. радио, 1971.-344с.

6. Карпушин В.Б. Виброшумы в радиоаппаратуре. М.: Сов.радио, 1973. -418с.

7. Старостин А.К., Окшевский JT.JI. Элементы основ надежности автомобильной электроники. М.: НПО «Автоэлектроника», 1995. - 137с.

8. Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 2000. - 160с.

9. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1994. - 207с.

10. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1980. - 311с.

11. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1983. - 272с.

12. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн. 1. И.П. Норенков. Принципы построения и структура: Учеб. пособие для втузов. -М.: Высшая школа, 1986. 127с.

13. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.4. Математические модели технических объектов: Учеб. пособие для втузов IB.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова; под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 160с.

14. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.5. П.К.Кузьмик, В.Б.Маничев. Автоматизация функционального проектирования: Учеб. пособие для втузов; Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986. - 144с.

15. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988 - 278с.

16. Зарудный Д.И., Соколов А.Г. Практические задачи и численные методы оптимизации электронных схем. М.: Машиностроение, 1980. - 86с.

17. Зарудный Д.И., Сыпчук П.П. Численные методы анализа нелинейных электронных схем. М.: Машиностроение, 1980. - 60с.

18. Гридин В.Н. Теоретические основы построения базовых адаптируемых компонентов САПР МЭА/ Под ред. Г.Г. Грябова. М.: Наука, 1989. -256с.

19. Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С., Журавскый В.Г., Голъдин В.В. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях. М.: Радио и связь, 2003. - 226с.

20. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры/ Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубое, А.С. Шалумов А.С. М.: Радио и связь, 2004. - 389с.

21. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры/Ю.Н. Кофанов, В.В. Жадное, Н.В. Малютин, Е.И. Власов, О.В. Межевов, С.В. Работин, А.В. Сарафанов, С.И. Трегубое, М.В. Тю-качев. М.: Радио и связь, 2003. - 156с.

22. Новиков Е.С. Об оценке качества программного обеспечения цифровых вычислительных систем. Сб. Вопросы кораблестроения, серия Выч. Техника, 1982, вып. 24. - Зс.

23. Редкозубое С.А. Статистические методы прогнозирования в АСУ. -М.: Энергоиздат, 1981. 152с.

24. Кофанов Ю.Н., Малютин Н.В., Воловиков В.В., Коломейцев С. С. Комплексное концептуальное и техническое моделирование при проектировании высоконадёжных радиоэлектронных устройств морской навигации. Надежность, 2005, № 3, с. 3 - 7.

25. Моисеев Н.Н. Неформальные процедуры и автоматизация проектирования. М.: Знание, 1979. 64с.

26. Солодовников И.В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. М.: Машиностроение, 1982. - 48с.

27. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев B.C. Прочность элемента микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1990 - 144с.

28. Напряжения и деформации в элементах микросхем/ B.C. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летягин. М.: Радио и связь, 1987. - 88с.

29. Шалумов А.С., Манохин А.И., Шалумова НА. Моделирование тепловых процессов в технических объектах с помощью автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Т: Учебное пособие. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия, 2004. - 180с.

30. Каленкович Н.И., Фастовец Е.П., Шамгин Ю.В. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учеб.пособие для вузов. -Минск: Высшая школа, 1989. 244с.

31. Парфенов Е.М. Базовый принцип конструирования РЭА. М.: Радио и связь, 1981. - 160с.

32. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. М: «Радио и связь», 1988.-232 с.

33. Автоматизированное проектирование цифровых устройств/ С.С. Бадулин, Ю.М. Барнаулов, В.А. Бердышев и др. М.: Радио и связь, 1981, -240с.

34. Гусев А.С., Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984. - 240с.

35. Черноруцкий И.Г. Оптимальный параметрический синтез: Электротехнические устройства и системы. JL: Энергоатомиздат, 1987. - 128с.

36. Steinberg D.S. Vibrations analyses for electronic equipment. New York. 1973.- 456p.

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

38. Тартаковский A.M. Краевые задачи в конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1984. - 136с.

39. Кофанов Ю.Н., Шалумов А.С., Журавскый В.Г., Голъдин В.В. Математическое моделирование радиоэлектронных средств при механических воздействиях. М.: Радио и связь, 2000. - 226с.

40. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры: Научное издание / Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов и др. М.: Радио и связь. - 2000 - 389с.

41. Подсистема анализа и обеспечения стойкости конструкций радиоэлектронной аппаратуры к тепловым, механическим и комплексным воздействиям АСОНИКА-ТМ/ Ю.Н. Кофанов, А.С. Шалумов, КБ. Варицев и др.: Учеб. пособие. М.: МГИЭМ, 2000. - 61с.

42. Моделирование тепловых и механических процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ/ Ю.Н. Кофанов, А.С. Шалумов, КВ. Варицев и др.; Под ред. Ю.Н. Ко-фанова. М.: МГИЭМ, 1999. - 139с.

43. Кофанов Ю.Н., Шалу мое А.С., Гладышев Н.И. Идентификация параметров материалов несущих конструкций радиоэлектронных средств с применением компьютерного измерительного стенда // Измерительная техника. 1996. - №12. - С.52-55.

44. Крищук В.Н. Исследование и разработка машинных методов расчета конструкций бортовой РЭС этажерочного типа на вибрационные и ударные воздействия / Дис. канд.техн.наук. М.: МИЭМ, 1977. - 213с.

45. Шалумов А. С. Динамический анализ конструкций измерительных приборов с применением подсистемы АСОНИКА-М: Учебное пособие. -Ковров: КГТА,1996. 48с.

46. Шалумов А. С. Автоматизация проектирования конструкций радиоэлектронных средств с применением систем P-CAD и АСОНИКА// Техника, экономика. Сер. Автоматизация проектирования. М.,1995. - Вып.1-2. -С.45- 48.

47. Шалумов А.С. Методология комплексного обеспечения стойкости конструкций РЭС // Информатика-машиностроение. 1998. Вып.1. - С.2-7.

48. Шалумов А. С. Моделирование механических процессов в конструкциях РЭС при воздействии акустического шума// Надежность и контроль качества. М.Д995. - № 1. - с.26-31.

49. Шалумов А.С. Метод моделирования конструкций РЭС при комплексных механических воздействиях // Информационные технологии в проектировании и производстве. 1997. - Вып. 1. - С.27-31.

50. Шалумов А.С. Компьютерный измерительный стенд для определения динамических характеристик радиоэлектронных средств// Измерительная техника. 1996. - №3. - С.22-24.

51. Фадеев О.А., Ваченко А.С. Автоматизация прочностного анализа сложных конструкций радиоэлектронных средств// Техника машиностроения 2002 - №3 - С.22-30.

52. Система государственных испытаний продукции. Испытания изделий машиностроения. Классификация механических воздействий. Методические рекомендации MP 132-84. М.: ВНИИНМАШ, 1984. - 68с.

53. ГОСТ Р 50756.0-95 Базовые несущие конструкции радиоэлектронных средств. М: НПО «Авангард», 1996. - 80с.

54. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер.с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 42с.

55. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1988 - 560с.